光響應(yīng)螺吡喃類衍生物的研究進(jìn)展*

翁城武，高功敏，朱鴻達(dá)，吳蕓蕓，韓 輝

(1 泉州海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心，福建 泉州 362000；2山西大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，山西 太原 030001)

螺吡喃是眾所周知的光致變色化合物，即通過紫外光和可見光(或熱)可以在無色閉環(huán)構(gòu)型與有色開環(huán)部花菁構(gòu)型之間進(jìn)行可逆的異構(gòu)化。早在1965年，Phillips等[1]發(fā)現(xiàn)部花菁的螯合能力；此后，人們對(duì)金屬離子與螺吡喃的相互作用，特別是對(duì)其光化學(xué)和光物理性質(zhì)的影響產(chǎn)生了濃厚的興趣[2-5]。一個(gè)很重要的原因是能夠被陽(yáng)離子誘導(dǎo)異構(gòu)化的螺吡喃衍生物在金屬離子識(shí)別方面具有很好的應(yīng)用前景，且開環(huán)的部花菁結(jié)構(gòu)通常可以發(fā)射近紅外波長(zhǎng)的熒光，同時(shí)識(shí)別體系前后顏色變化明顯，可肉眼識(shí)別。

迄今為止，已報(bào)道的可以被金屬離子誘導(dǎo)開環(huán)的螺吡喃衍生物結(jié)構(gòu)大都是通過在N原子或7-位修飾可以與金屬離子發(fā)生配位作用的官能團(tuán)。從分子鍵的角度來說，螺吡喃閉環(huán)與開環(huán)的轉(zhuǎn)化是C-O鍵的形成與斷裂，因此任何能促進(jìn)C-O鍵斷裂的方式都應(yīng)該能促進(jìn)部花菁結(jié)構(gòu)的形成，而對(duì)能夠光致開環(huán)的螺吡喃來說，其機(jī)理是紫外光照射導(dǎo)致電子躍遷，改變了軌道能量，使得C-O鍵兩個(gè)原子間參與成鍵的軌道不再匹配而發(fā)生斷裂。

1 在金屬離子識(shí)別方面的應(yīng)用

目前為止，通過在N和7-位修飾配位官能團(tuán)得到的螺吡喃開環(huán)體系可結(jié)合的金屬離子包括Na+，Li+，Cu2+，Zn2+，Hg2+，Ni2+，Co2+，Cd2+和Eu3+等。

早期研究中最有代表性的金屬離子誘導(dǎo)的螺吡喃開環(huán)體系是大坂府立大學(xué)的Inouye等[4]開發(fā)的堿金屬誘導(dǎo)的體系，該體系中螺吡喃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在N原子引入了冠醚作為修飾基團(tuán)，而冠醚是常用的堿金屬識(shí)別基團(tuán)，冠醚與堿金屬離子絡(luò)合后，螺吡喃的氧原子參與配位，促進(jìn)了螺吡喃的開環(huán)，隨后該課題組開發(fā)了一系列以冠醚為修飾基團(tuán)的堿金屬誘導(dǎo)的螺吡喃開環(huán)體系，并系統(tǒng)研究了不同堿金屬離子與該螺吡喃結(jié)構(gòu)結(jié)合后的光化學(xué)和光物理性質(zhì)，為后來不同金屬離子誘導(dǎo)的螺吡喃體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路[5]。

隨后的研究主要圍繞在螺吡喃的7-位引入識(shí)別基團(tuán)來設(shè)計(jì)相關(guān)體系。1999年，華盛頓海軍科學(xué)實(shí)驗(yàn)的Evans等[6]制備了一類喹啉并螺吡喃結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以與Hg2+，Cd2+，Co2+，Cu2+，Zn2+和Ni2+等重金屬離子發(fā)生配位，但開環(huán)結(jié)構(gòu)與金屬離子形成的絡(luò)合物在可見光條件不穩(wěn)定，在可見光照射下能夠從開環(huán)的配位結(jié)構(gòu)變回閉環(huán)的螺吡喃構(gòu)型。

2005年，日本和歌山大學(xué)的Sakamoto等[7]將冠醚引入螺吡喃的7-位得到了一類可以與堿金屬誘導(dǎo)開環(huán)的螺吡喃化合物，文中作者對(duì)不同結(jié)構(gòu)的化合物對(duì)堿金屬的選擇性誘導(dǎo)進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果表明二氮雜-12-冠-4-雙螺吡喃表現(xiàn)出優(yōu)異Li+選擇性，并且紫外光和可見光可以加速或者減慢堿金屬離子對(duì)該類結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)開環(huán)。

北京大學(xué)的邵娜及其合作者在螺吡喃的7-位引入了不同的氨基化合物得到了一系列可以選擇性與銅離子(a,b)和鋅離子(c)發(fā)生誘導(dǎo)開環(huán)作用的結(jié)構(gòu)[8-11]，其中他們還對(duì)結(jié)構(gòu)a與銅離子的絡(luò)合物用于半胱氨酸和高半胱氨酸的定性與定量分析。類似的研究還有香港浸會(huì)大學(xué)的朱等在7-位修飾了8-氨基喹啉(d,e)，該類結(jié)構(gòu)可以選擇性與鋅離子發(fā)生誘導(dǎo)開環(huán)作用[12-13]。

另外也有研究是在N的位置引入非冠醚類結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)金屬離子對(duì)螺吡喃結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)開環(huán)，臺(tái)灣國(guó)立中山大學(xué)的Wu等[14]描述了一個(gè)螺吡喃功能化的半導(dǎo)體聚合物，可以作為熒光探針的對(duì)Cu2 +進(jìn)行比例檢測(cè)，即Cu2+可以誘導(dǎo)該符合結(jié)構(gòu)的螺吡喃開環(huán)，其中感應(yīng)機(jī)制是熒光共振能量轉(zhuǎn)移。

2 在氨基酸、陰離子等小分子識(shí)別方面的應(yīng)用

另外，還有一些是有關(guān)利用氨基酸[15]、氟離子[16]、氰基[17]、pH[18]和強(qiáng)力[19]誘導(dǎo)螺吡喃結(jié)構(gòu)開環(huán)的研究。

螺吡喃的開環(huán)構(gòu)型和閉環(huán)構(gòu)型呈現(xiàn)出不同的光譜性質(zhì)，并且容易受到pH、特定離子或者生物分子的誘導(dǎo)，繼而發(fā)生SP構(gòu)型和MC構(gòu)型的互變異構(gòu)。基于這個(gè)機(jī)制，可以作為光學(xué)傳感器，對(duì)相關(guān)離子和生物小分子進(jìn)行檢測(cè)[20-25]。

Shiraishi等[26]制備了一種可以選擇性檢測(cè)CN-的香豆素修飾的螺吡喃熒光探針。探針結(jié)構(gòu)沒有熒光，加入CN-后，CN-和與螺吡喃的開環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)生親核加成反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)了螺吡喃的開環(huán)平衡向右進(jìn)行，而開環(huán)結(jié)構(gòu)顯示強(qiáng)的藍(lán)色熒光，繼而實(shí)現(xiàn)了對(duì)CN-的熒光檢測(cè)。

Yin等[27]制備了一種可用于檢測(cè)強(qiáng)酸強(qiáng)堿pH 的螺吡喃類熒光探針。當(dāng)該探針處于pH小于2.0的強(qiáng)酸環(huán)境中時(shí)，分子開環(huán)并發(fā)射強(qiáng)的紅色熒光；在中性的環(huán)境中，探針不發(fā)射熒光；而當(dāng)探針處于pH大于等于12.0的強(qiáng)堿環(huán)境中時(shí)，其構(gòu)型發(fā)生改變，主要以閉環(huán)的構(gòu)型為主，同時(shí)相關(guān)酸性的取代基質(zhì)子被中和，溶液呈現(xiàn)藍(lán)色熒光。這些性質(zhì)使得探針可應(yīng)用在強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿的環(huán)境中。

Sun等[28]設(shè)計(jì)并制備了一種可以選擇性識(shí)別低聚物的探針。該探針的結(jié)構(gòu)由螺吡喃和識(shí)別基團(tuán)氨基萘2-氰基丙烯酸酯(ANCA)兩部分構(gòu)成，螺吡喃的空間剛性改性了低聚物的性質(zhì)，同時(shí)增強(qiáng)了該復(fù)合物的熒光強(qiáng)度。基于該機(jī)理，探針可以特異性識(shí)別患有阿爾茨海默病模型小鼠大腦中的某類低聚物。

3 在生物成像方面的應(yīng)用

螺吡喃類衍生物用做熒光探針時(shí)，檢測(cè)物質(zhì)引起的螺吡喃異構(gòu)化的特性可以提高熒光成像的分辨率[29]。

Johnson等[30]開發(fā)了一類“開-關(guān)”型熒光探針(Tu-SP)。在激發(fā)波長(zhǎng)是375 nm時(shí)，探針結(jié)構(gòu)發(fā)生互變異構(gòu)，并且發(fā)射強(qiáng)綠色熒光，借助此性質(zhì)，該探針具備對(duì)HeLa細(xì)胞中微管蛋白進(jìn)行高分辨熒光成像的能力。其原理可能是探針分子與秋水仙堿的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以選擇性識(shí)別隱藏在HeLa細(xì)胞中的超痕量微管蛋白。

Zhang等[31]開發(fā)了一種“開-關(guān)”型螺吡喃類衍生物探針(TPP-CY)。該探針的機(jī)理是基于線粒體膜電位的變化，這種變化可以使得螺吡喃發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)化，根據(jù)轉(zhuǎn)變前后譜圖參數(shù)的變化能夠比率檢測(cè)線粒體膜電位并且實(shí)現(xiàn)其高分辨熒光成像。該探針可以用于細(xì)胞健康的評(píng)估。

4 在藥物載體方面的應(yīng)用

螺吡喃衍生物在不同條件下呈現(xiàn)出的兩種構(gòu)型表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，其中閉環(huán)構(gòu)型是中性分子，開環(huán)構(gòu)型是雙離子分子。這個(gè)性質(zhì)的不同使其表現(xiàn)出不同不同的潤(rùn)濕性質(zhì)。即開環(huán)部花青結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出親水性，關(guān)環(huán)的SP構(gòu)型呈現(xiàn)疏水性，基于此理論，螺吡喃結(jié)構(gòu)與多孔材料復(fù)合后可用于調(diào)控藥物分子的釋放[32-35]。

Wen等[36]開發(fā)了一種螺吡喃橋鏈介孔二氧化硅的光控緩釋藥物載體。在365 nm的光激發(fā)下，螺吡喃發(fā)生互變異構(gòu)，轉(zhuǎn)變成親水性的部花青構(gòu)型，表面變?yōu)橛H水性，使得存儲(chǔ)在介孔中的藥物分子游離到溶液中。

Liu等[37]開發(fā)了一種長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外光控制的藥物控釋體系，該體系采用上轉(zhuǎn)化的納米介孔二氧化硅作為載體，以負(fù)載在其表面的螺吡喃分子作為控制開關(guān)。當(dāng)用波長(zhǎng)980 nm激發(fā)光照射時(shí)，上轉(zhuǎn)換材料將其轉(zhuǎn)化為可使螺吡喃開環(huán)的短波長(zhǎng)紫外光，螺吡喃開環(huán)，藥物從孔道中游離出來。

5 其它方面的應(yīng)用

螺吡喃及其衍生物通常呈現(xiàn)受到壓力、溫度、光照等刺激而變色的性質(zhì)，這些性質(zhì)使其在應(yīng)力指示、溫度傳感、變色油墨、溫變油墨等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用。

Vamvakaki等[38]采用自由基聚合，將2-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯和單體(SPMA)通過聚合反應(yīng)形成二嵌段共聚物，該材料可以自組裝形成膠束。同時(shí)呈現(xiàn)溫度、pH和紫外光的刺激響應(yīng)，這種響應(yīng)表現(xiàn)為膠束物理性質(zhì)的改變，此改變后可以選擇性的釋放包裹的物質(zhì)。

Boydston等[39]制備了一類壓致變色的螺吡喃材料，將該材料均勻分散于聚己內(nèi)酯材料(PDL)中，當(dāng)該材料受到外力時(shí)，螺吡喃會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，變成紫色部花青結(jié)構(gòu)，或當(dāng)拉伸該材料時(shí)，材料本身也會(huì)變?yōu)樽仙Ｑ芯空哌€成功將該材料應(yīng)用于3D打印機(jī)。

6 結(jié) 語(yǔ)

螺吡喃是眾所周知的光致變色化合物，開環(huán)的部花菁結(jié)構(gòu)通常可以發(fā)射近紅外波長(zhǎng)的熒光，同時(shí)識(shí)別體系前后顏色變化明顯，可肉眼識(shí)別，這個(gè)特性使其在多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來已成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)已報(bào)道文獻(xiàn)顯示，僅有日本大阪大學(xué)的Shiraishi等在2012年和2013年兩篇文獻(xiàn)報(bào)道過在螺吡喃5-位修飾金屬離子識(shí)別基團(tuán)的研究[26,40]，雖然實(shí)現(xiàn)了金屬離子誘導(dǎo)螺吡喃開環(huán)，但其條件較為苛刻，一個(gè)需要在加熱至60 ℃和氧氣的參與下才能實(shí)現(xiàn)開環(huán)，另一個(gè)則需要在紫外燈照射下實(shí)現(xiàn)開環(huán)，這些限制了此類探針進(jìn)一步更廣泛的應(yīng)用。因此能否通過進(jìn)一步優(yōu)化修飾基團(tuán)來實(shí)現(xiàn)5-位修飾的螺吡喃分子在溫和條件下對(duì)金屬離子的選擇性開環(huán)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)選擇性識(shí)別是該類探針發(fā)展的一個(gè)令人很感興趣的方向。