本文要点：短波红外区(SWIR，1000−2000 nm)的荧光团最近作为生物成像工具引起了人们的兴趣。与可见光和近红外区相比，短波红外区对组织的穿透深度增加，图像分辨率提高，光子能量较低，有利于复杂系统中的光学成像。小分子荧光团毒性低，容易从体内清除，但要获得吸收和发射大于1,000 nm、荧光量子产率ΦF大于∼0.3%的荧光团是具有挑战性的。
在这篇文章中，作者探索了一类SWIR荧光团黄素多亚胺染料的取代基（二甲氨基）的放置位置对λmax和荧光量子产率ΦF的显著影响。
Flaf7在7位含有二甲氨基，λmax在1000 nm以上，作者通过改变了7位给电子取代基，发现λ最大吸收峰调整∼80 nm，并与σ的Meta Hammett常数形成线性的自由能关系。取代基的同一性对所分析的系列的量子产率的影响最小(ΦF=0.42−0.62%)。发现7位跟间位关联，于是作者将二甲氨基放置在黄杂环上的其他位置(图1)。作者通过实验和量子力学分析报道了黄素七甲基甲胺荧光团上假定的邻位、间位和对位上的二甲氨基取代基对光物理性质的影响。
方案1.化合物3-5（5-，6-和8-的二甲氨基取代位置）合成方案。
图2.黄素多亚胺染料的(A)吸收和(B)发射；(C)未取代的(IR-27，2)和二甲氨基取代的七甲基甲胺染料(1，3−5)的光物理数据
接下来评估了新合成的染料的光物理性能，并与Flat7(1，图2)进行了比较。吸收和发射光谱表明，二甲氨基的位置对λmax,abs和 λmax,em有影响。此前作者通过Hammett分析将7位与间位进行了关联，预计6位将与对位相对应，并且由于增强了π-donation，此位上的取代基将显示出明显的效果。6-Flat7(4，图2，红色)从Flat7(1，图2，黑色)红移了20 nm。
然后作者推论，5位置可以作为另一个间位，而8位置可以作为邻位。预计5-Flat7(3)的吸收和发射与Flat-7(1)相似，8-Flat7(5)和6-Flat7(4)也可以进行同样的比较。然而，观察到，与Flat7(1)相比，3和5都发生了低色移位。5-Flat7(3，图2，蓝色)的λ最大值为1004 nm，比Fla7(1)的蓝移23 nm。8-Flat7(5，图2，绿色)的λ最大值为990 nm，与母体染料IR-27(2)几乎相同。这些结果与根据哈米特参数预测的λ最大值是相反的，并促使了一项量子力学研究。
图3(A)由Flat7表示；扭转角由α(V1至V2，红至蓝)和β(V3至V2，绿至蓝)定义，使用多亚胺(V1)、黄素(V2)和取代基(V3)平面的法线；(B)黄7染料的α和β角度表；(C，D)S0状态下(C)5-Flat7和(D)8-Flat7的杂环结构，用M06-2X/6-31+G(d，p)优化
取代基改变了π-体系在多亚甲基链和黄杂环上的平面性。作者用两个角度参数α和β去卷积这些效应(图3A，B)。将α定义为多亚胺平面与黄素平面之间的夹角，而β定义为黄素平面与取代基之间的夹角。对α角的分析表明，当二甲氨基在6位、7位或8位时，多甲基平面和黄素杂环之间几乎没有扭曲(α=5−7°，图3B)。在5位置，NMe2C−H键与聚亚甲基链上的乙烯基C−H键发生碰撞，形成较大的18°角。NMe2取代基也改变了黄杂环附近的几何构型。Flat7(1)和6-Flat7(4)的扭转角β几乎是平面的(分别为5°和1°)。5-Flat7(3)和8-Flat7(5)的β角分别为46°和44°，表明存在明显的面外扭曲。
图4.(A)M06-2X/6-31+G(d，p)理论水平下的Flat7(1)和(5，6和8)Fla7(3−5)的HOMO和LUMO。(B)由理论HOMOλ间隙(EV)确定的−最大、计算、abs(纳米)计算表。Δ是实验和计算的λabs最大值之间的差值
通过计算了前线分子轨道(FMO)来说明这些荧光团的电子结构的差异。FMOS研究表明，黄素杂环中的π共轭程度随取代基位的不同而不同。Flat7(1)和6Flat7(4)的二甲氨基与黄素杂环几乎共面，这使得NMe2能够最大限度地延长HOMO和LUMO中的轨道重叠。这导致了HOMO−LUMO间隙的减小和更长的λmax，abs。5-Flat7(3)中46°的离面扭转导致氮孤对电子与生色团的π共轭减少。8-Flat7(5)的实质性平面外扭曲几乎消除了氮孤对电子的π共轭，这导致了相对于母体染料IR-27(2)的不受干扰的λmax。
用双重法(CIS(D)))和cc-pVDZ基组的单分子构型相互作用，计算了染料的最大吸光度(MAX，AUS值)。计算的HOMO−LUMO间隙与实验观察到的趋势相符(图4B)。6-Flat7(4)的间隙最小(2.94 eV)，与最长的λmax，abs相关；8-Flat7(5)的间隙最大，为3.03 eV，与最短λmax，abs相关。预测的λmax，Abs相对于实验结果系统地蓝移了159−190 nm，这可能是由于双激发的贡献。对λmax的分析表明，取代基在黄素环上的位置可以影响λmax，与通过改变7位置的电子观察到的大小相当。
然而，小分子荧光团在红外光谱中的主要缺陷是它们的ΦF较低。Flat7(1)对多亚甲基SWIR荧光团有相当高的ΦF为0.61%。以前，发现7位官能团的荧光量子产率几乎没有变化。然而，在这里看到，取代基的放置可以极大地改变ΦF(图2)。
图5(A)氮杂环丁烷取代的七甲基黄(12，13)的结构。(B)6-和7-氨基香豆素荧光团的结构(10，11)。(C)黄素、七甲胺和香豆素染料分别在二氯甲烷和癸醇中的ΦF。(D)在6和7取代黄素七甲胺或香豆素荧光团之间的ΦF的变化。
接下来通过测量了5-Flat7、6-Flat7和8-Flat7的ΦF值(3−5)。Flat7(1)和6Flat7(4)在构象上是相似的，但ΦF有巨大差异。黄素杂环在结构上类似于香豆素杂环，并且以前观察到6位和7位取代香豆素荧光团的ΦF有很大差异。与7-氨基香豆素(11)相比，6-氨基香豆素(10)的低ΦF是由于扭曲的分子间电荷转移(TICT)态的贡献更大，在该状态下，胺供体在光激发下由∼90°扭曲出平面，形成非发射物种。于是推测，与母体Flat7(1)相比，类似的现象也可能导致6-Flat7(4)的荧光损失。
为了深入了解TICT是否对观察到的1和4的荧光差异有贡献，通过合成一种在6位含有氮杂环丁胺的七甲基黄胺。氮杂环丁胺已被证明通过防止取代基扭曲平面来最小化TICT状态。发现氮杂-6-Flat7(12)ΦF为0.21%，是二甲氨基衍生物的1.75倍。相比Flat7(1)，7位(13)氮杂环丁胺导致ΦF略有下降。
最后计算了每对6-和7-取代荧光团的ΦF的倍数变化(4比1，12比13，10比11；图5D)，发现七甲基黄素和香豆素染料的NMe2不同放置有相似的变化，而氮杂环丁酰化的七甲基染料变化较小。这些数据支持这样的观点，即TICT可能在6位发挥更大的作用，导致观察到的6-Fla7(1)和6-Fla7(4)的ΦF的差异。
综上所述，作者证明了二甲氨基的放置对黄素七甲基染料的光物理性质有显著的影响。取代基立体效应影响共轭度，改变λ(Max)，abs。7位似乎有利于获得较高的量子产率和保持SWIR的最大吸收峰；然而，通过取代6位可以得到更多的红移染料。本文所获得的见解有助于设计用于高分辨率SWIR活体成像的新型荧光团。
参考文献
Pengshung M, Li J, Mukadum F, Lopez SA, Sletten EM. Photophysical Tuning of Shortwave Infrared Flavylium Heptamethine Dyes via Substituent Placement. Org Lett. 2020 Aug 7;22(15):6150-6154. doi: 10.1021/acs.orglett.0c02213. Epub 2020 Jul 29. PMID: 32790432; PMCID: PMC7542986.
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