自組裝聚集誘導發光材料研究進展

黃顯會

河南醫藥技師學院 河南省開封市東京大道第六大街北段河南醫藥技師學院 河南 開封 475000

超分子化學是基于分子間的非共價堿相互作用而形成的聚集體的化學。與傳統的分子化學構建共價鍵不同,超分子化學是分子層次的,主要研究兩個或多個分子通過非共價相互作用,如氫鍵、親水/疏水相互作用和范德華力等或是它們的協同作用。為了便于研究聚集誘導發光(aggregation-induced emission,AIE)材料的自組裝行為,我們以具有自組裝行為的AIE分子的構建為分類途徑,對自組裝的AIE材料進行綜述。

1 引言

聚集誘導發光(aggregation-induced emission,AIE)是唐本忠院士團隊于2001年發現的現象:一種在溶液中以單分子形式存在的不發光的噻咯衍生物,隨著不良溶劑的加入,熒光卻漸漸加強。課題組在此基礎上進行了一系列深入地探索研究,提出了聚集誘導發光的新概念。為解決傳統ACQ 材料所存在的問題提供了新的思路,也為生物成像領域的發展開啟了新的大門。經過十多年的努力與發展,AIE 材料在細胞器染色、病原體識別、細胞長周期示蹤、光動力學治療等領域表現出了顯著的優勢。對比于傳統的ACQ 熒光材料,AIE 材料的優勢主要體現在:低背景、信噪比高、靈敏度好、抗光漂白能力強等方面。

為了便于研究聚集誘導發光材料在超分子自組裝的應用,我們以自組裝前體分子的構建方式進行了分類,為后來者在合成該類化合物時提供方法的參考。

2 自組裝聚集誘導發光材料

聚集誘導發光材料作為一種具有特殊發光性能的材料,其合成方法一般包括以下這些類型。例如,疊氮化物與炔烴的點擊反應,硫醇和炔烴的點擊反應,胺與活潑羰基形成希夫堿,酸酐與胺形成酰胺,羧酸與胺形成酰胺,主客體包合作用,有機金屬鉑配位等。

2.1 疊氮化物和炔烴的點擊反應 熒光功能材料的自組裝在光電和生物納米器件領域已引起越來越多的研究興趣。四苯基乙烯(TPE)是一種典型的AIE材料。利用含有TPE基團的疊氮化物和炔烴的點擊反應,可以高效的得到有熒光效應的化合物。Wang等人于2012年合成了一種含有四苯基乙烯基團的以聯苯基團為基的三氮唑類化合物。將該化合物的四氫呋喃稀溶液逐漸加入不良溶劑中,如水和正己烷,可以自組裝為白色絮狀的固體。同時,此化合物亦可以在高濃度下形成凝膠。沉淀物和凝膠都與不良溶劑中的聚集類似。這個結果就表明,該化合物可以容易的自組裝成發光納米纖維(螺旋狀)。

2015年,Li等人設計了一種含有手性亮氨酸的苯炔化合物,利用其于含疊氮基的四苯基乙烯化合物的點擊反應,合成了有聚集誘導發光(AIE)效應的手性化合物,隨著該化合物的溶液逐漸濃縮,可以自組裝成螺旋狀的熒光的微米/納米纖維,此纖維具有圓偏振光效應。

2.2 硫醇和炔烴的點擊反應 因為良好的生物相溶性和低毒性,有AIE效應的發光聚合納米粒子可應用在生物成像和其他生物醫藥等領域。2018年,Jiang等人首先以聚乙二醇和巰基琥珀酸為底物合成了巰基琥珀酸修飾的聚乙二醇,然后Ph E-OE 和球季琥珀酸聚乙二醇進行點擊反應,合成了聚合物PEG-MA-PhE。該課題組在合成該聚合物后進行了細胞成像的應用研究,體現出較好的生物相溶性和良好的細胞成像。由于合成的該化合物具有兩親性,因此有自組裝的傾向。

2.3 胺與活潑羰基形成希夫堿 胺與活潑羥基形成希夫堿是一種較容易進行的反應,且條件溫和,產率較高。將其用于AIE 材料的構建是非常有意義的。2016 年,Yan 等人成了一種以香豆素為基體的AIE 分子(CDPA),其可以發射紅光。該化合物是通過香豆素醛基化物與伯胺縮合形成亞胺。通過溶劑揮發,該化合物可自組裝為納米線。

2.4 酸酐與胺形成酰胺 2016年,Long等人利用酯化反應和開環反應簡單的合成了有熒光效應的有機納米顆粒。該化合物具有高的水分散性(含有聚乙二醇單元),良好的生物相容性。因其骨架上有剩余的羧基,可以進一步和其它的官能團結合。因此,該法是一種簡單有用的用于合成多重官能化AIE活性發光材料的有效途徑。該反應首先用含酰氯的鄰苯二甲酸酐與聚乙二醇反應生成酯,然后酸酐與含氨基的AIE 分子反應,得到開環的目標產物。

2.5 羧酸與胺形成酰胺 2014年,Zhang等人合成了一種含四苯乙烯的聚合物,并使其自組裝為熒光膠束用于載藥(阿霉素)。該體系作為藥物遞送系統的同時可實現細胞內成像。而且,該體系對于阿霉素的負載比單純的阿霉素有更好的抗癌效果。該示蹤的藥物遞送系統對于藥物的精準釋放提供了有效的途徑。該化合物合成途徑如下。首先,合成一種帶有羧基的四苯乙烯分子,然后與胺基聚乙二醇反應生成酰胺。

2.6 主客體包合作用 發光聚合納米粒子(LPNs)在生物傳感器,生物成像及治療等領域吸引了廣泛關注。2017年,huang等人[1]以β-CD為橋,連接了金剛烷四苯乙烯和聚乙二醇,是原本疏水的AIE 分子四苯乙烯有親水的可能。該兩親性AIE活性的共聚物通過特殊的主客體作用完成了構建。合成的納米粒子具有高的水分散性,AIE活性和優越的生物相容性。這就給了該物質應用于生物醫藥的潛質。

此外,bai等人[2]于2015年利用芐胺和冠醚的主客體包合作用合成了一種主體和客體都含有AIE 活性的包合物,該包合物具有自組裝的傾向。他們以二苯并-24-冠-8作為主體,以芐胺修飾的TPE 為客體,通過二者的相互作用構建超分子聚合物。在不同的酸堿環境中,可以實現組裝和拆分的轉變,從而實現聚集誘導發光的可調。

3 結論

綜上,聚集誘導發光活性分子被用于超分子結構的構建,是一種高效的構建熒光超分子的策略。這亦策略很好的豐富了超分子化學類型,并促進更多的應用出現。我們總結了合成超分子結構前體化合物的構建途徑,為更多有用的有機超分子結構構建提供參考。發光特性的超分子體系結構補充了現有材料光學特性,使其在生物成像和化學傳感方面的應用進一步發展。