4′-N,N-二乙氨基-3-羥基苯并黃酮激發態分子內質子轉移機制的溶劑極性效應

關鍵詞：4′-N，N-二乙氨基-3-羥基苯并黃酮；激發態分子內質子轉移；密度泛函理論/含時密度泛函理論；溶劑極性效應；熒光動力學

1 引言

激發態分子內質子轉移（ESIPT）是一種在化學和生物體系中重要的基礎光化學反應，它主要發生在具有分子內氫鍵的發色團中。ESIPT可以用如示意Scheme 1所示的四能級模型描述：當分子被光激發后，通過Frank-Condon躍遷迅速生成分子構型不變的“Normal”激發態（N*態），N*態隨后會通過激發態分子內質子轉移（ESIPT）過程轉化為N*態的“Tautomer”激發態（T*態）。通常情況下，N*和T*態可以通過雙熒光發射的方式回到各自基態，而處于Tautomer基態（T態）的分子又可以通過基態分子內質子轉移（GSIPT）反應回到Normal基態（N態） 1，最終完成四能級循環。

在具有ESIPT特性的分子中，3-羥基黃酮衍生物（3-HFs）因其來自天然，且具有對周圍環境（主要是各種溶劑）變化敏感的熒光性質而引起人們廣泛關注2，3。對3-HFs熒光特性的溶劑效應研究已被應用于各種領域，如：激光材料4、監測生物柴油中甲醇含量的比率型熒光探針5、監測脂滴形貌的動態熒光成像探針6等。

自20世紀90年代以來，對3-HFs的ESIPT機制的溶劑效應研究已廣泛開展7–9。在非質子乙腈/苯混合溶劑中，研究者開展了對4′-N，N-二烷基氨基-3-羥基黃酮的ESIPT動力學的實驗和理論研究10。Chou等人報道了從正庚烷轉變為甲醇時，4′-N，N-二乙氨基-3-HF的N*態發射峰強度顯著增加且大幅紅移（gt; 3000 cm?1） 11，他們提出：在強極性、質子型溶劑乙醇中，4′-二乙氨基向羰基氧原子發生了分子內電荷轉移，從而導致N*態具有兩性離子構型。Shynkar等人研究揭示了4′-N，N-二乙氨基-3-HF的ESIPT反應（在兩個激發態之間的快速可逆反應）在幾十皮秒的尺度上發生12。Roshal等人探索了溶劑效應對4′-二甲基氨基-3-HF中ESIPT速率的影響，該分子可以在超快時間尺度上形成分子內電荷轉移（ICT）態13。Douhal等人則在同一個化合物的研究中觀察到其ICT與質子轉移的競爭關系14：非極性溶劑中，ICT不會發生，只在2 ps時間內發生質子轉移過程；極性溶劑中，ICT發生在100–200fs內，而質子轉移則在幾皮秒到幾十皮秒內發生。此外，Chou等人使用飛秒熒光上轉換技術并結合從頭算，提出：不同溶劑導致4′-N，N-二乙氨基-3-HF的電子態勢壘不同，從而使其N*和T*態之間存在很大平衡極化差異，最終影響正向和反向ESIPT速率15。Rumble等人使用飛秒時間分辨克爾門發射光譜技術研究4′-N，N-二乙氨基-3-HF在碳酸丙烯酯/乙腈混合溶劑中的ESIPT動力學，也得到類似結論16。Ghosh等人研究發現，在氫鍵溶劑中，由于4′-N，N-二甲基氨基-3-HF與溶劑會形成分子間氫鍵，從而導致激發態分子較慢的溶劑弛豫過程，測得～100 ps的ESIPT時間常數17。另一項研究表明，該化合物在三種不同烷基鏈長的正-烷基醇中也存在非常慢的ESIPT過程，并且ESIPT和N*溶劑化時間常數均隨著烷基鏈長單調增加18。Kuang等人使用‘pump-dump-probe’光譜技術，揭示了4′-N，N-二乙氨基-3-HF存在超快的基態分子內質子轉移（GSIPT）動力學過程，同時證明該過程是一個溶劑依賴的不可逆過程1。Chen等人使用DFT和TDDFT方法對4′-甲氧基-3-HF 3和4′-二甲基氨基-6，7-二甲氧基-3-HF 19的ESIPT溶劑效應進行了理論研究，發現隨著溶劑極性增加，ESIPT逐漸變得困難，這與早期實驗結果相一致。

已有研究表明苯并-3羥基黃酮（苯并-3HF）衍生物是一類在生物體系中具有潛在應用價值的一氧化碳釋放分子（CORM） 20，21。4′-N，N-二乙氨基-3-羥基黃酮（D-HBF）則被最近的研究確認是一種高效的脂滴成像熒光探針6，因其具有與3-HF相似的ESIPT溶劑效應。此外，由于該衍生物在結構上具有擴展的π電子云體系，從而使其光譜響應范圍變大。然而，關于D-HBF詳細的ESIPT溶劑調節機制研究尚未見諸報道。

本研究采用多種光譜技術并結合理論計算，系統探討了溶劑極性對D-HBF的ESIPT的調控機制。首先選擇了三種極性依次增大、極化率基本相似的非質子型有機溶劑，分別為：環己烷（CYH）、乙醚（DEE）和四氫呋喃（THF）。實驗和理論研究均表明溶劑極性會影響D-HBF的ESIPT反應平衡。4′-N，N-二乙氨基的引入導致N*態具有ICT特性，從而增強了其ESIPT動力學對溶劑極性的敏感性。溶劑極性增加會導致D-HBF正向和反向ESIPT反應能壘變大，從而導致相應的質子轉移速率降低。此外，溶劑極性增加會降低N* T*吉布斯自由能變化的絕對值，最終導致平衡向N*態移動。本研究從實驗和理論上系統地研究了溶劑極性對苯并黃酮衍生物的ESIPT機制影響，為其作為熒光探針的開發奠定了理論基礎。

2 實驗與理論計算

2.1 試劑

4-二乙氨基苯甲醛（98%）購于北京伊諾凱科技有限公司（中國北京），1-（3-羥基萘-2-基）乙酮（95%）來自藥明康德（中國上海）。其他所有試劑和溶劑（gt; 99%）均來自北京通廣精細化工公司（中國北京）。所有試劑均未經純化，直接使用。

D-HBF 的合成和結構表征參考SupportingInformation 6。

2.2 實驗方法

1H NMR使用Bruker AM 600 MHz譜儀（德國，卡爾斯魯厄，布魯克公司）測試。紫外-可見吸收光譜采用Carry 60 UV-Vis （美國，加利福尼亞州，安捷倫公司）分光光度計測試，熒光光譜使用FS5熒光光譜儀測量（英國，愛丁堡，愛丁堡儀器公司）。熒光發射光譜的激發波長（λex）為430 nm，測量時將λex處吸光度調至lt; 0.1。絕對熒光量子產率（ΦFL）使用FLS 980熒光光譜儀（英國，愛丁堡，愛丁堡儀器公司）測得（積分球）。D-HBF在三種溶劑中的熒光壽命（τ，0–50 ns范圍）使用FLS980-STM熒光光譜儀（英國，愛丁堡，愛丁堡儀器公司）的時間相關單光子計數（TCSPC）模塊結合愛丁堡儀器公司的EPL-405 ps脈沖二極管激光器作為激發光源測得。其中，待測樣品的在420 nm處吸光度為0.02。儀器響應函數（IRF）用30%的硅膠-水懸濁液作為散射體，采用與樣品相同的測試方法測得（120ps）。

D-HBF在0–600 ps時間尺度的熒光壽命（τ）使用條紋相機測定。通過鈦藍寶石放大器（Mira-900Coherent，美國）獲得工作頻率為76 MHz且脈沖持續時間約為100 fs的830 nm脈沖激光。該激光被分成兩束光：一束用于觸發條紋相機；另一束先經過BBO晶體倍頻到415 nm，再通過脈沖選擇器將其降低到3.8 MHz，用來激發樣品。樣品發出的熒光由條紋相機（C5680，濱松，日本）收集。其中，條紋相機IRF ～10 ps。

2.3 計算部分

所有理論計算均使用Gaussian 16程序22，采用密度泛函理論（DFT）和時間依賴的密度泛函理論（TD-DFT）方法，結合B3LYP-D3/6-311+g（d，p）基組進行計算。為更準確地計算弱靜電力相互作用，使用DFT-D3進行色散校正。此外，采用自洽反應場（SCRF）中的極化連續介質模型（PCM）對相應的溶劑環境進行模擬。在構象優化過程中，分子的鍵長、鍵角或二面角沒有施加任何限制。分別計算了D-HBF的N、N*、T和T*態紅外振動頻率和偶極矩，計算結果沒有虛頻存在，表明優化的結構代表能量最小值。為了研究ESIPT反應與氫鍵之間的關系，計算了D-HBF在S0和S1態下勢能曲線，O―H鍵長以0.05 ? （1 ? = 0.1 nm）每步的增量變化了26步。

吉布斯自由能的值是根據數學公式G = E +ΔGcorr + ZPE進行矯正，其中ΔGcorr吉布斯自由能校正項，ZPE是零點能項22。

3 結果與討論

3.1 UV-Vis吸收光譜和熒光光譜

圖1給出了室溫下D-HBF在三種溶劑中的穩態吸收和發射光譜（結果歸一化）。相應的光譜信息在總結于表1中。三種溶劑分別為：環己烷（CYH）、乙醚（DEE）和四氫呋喃（THF）；它們具有相似的極化率，但極性有顯著差異，Table S1中分別用溶劑的極化因子R（η）和極性因子P（ε）表示它們的差異，該表中另一個溶劑極性參數Δf 23，是基于溶劑的介電常數（ε）和折射率（η）計算得出。

三種溶劑中，D-HBF在350–470 nm范圍內都呈現典型的π–π*躍遷吸收峰。其中，在CYH中的吸收光譜表現出清晰的振動結構，而在DEE和THF中，由于溶劑的極性效應導致精細結構消失。隨著溶劑極性的增加，吸收峰逐漸展寬和紅移。在所有溶劑中都觀察到D-HBF的雙熒光發射峰。450–600nm和600–750 nm范圍內的發射帶可分別歸屬為N*和T*發射（如示意圖1所示）。隨著溶劑極性的增加，N*和T*發射帶均發生紅移，其中N*發射比T*發射紅移更為顯著。有趣的是，溶劑極性的增加導致N*的斯托克斯位移相比于T*顯著增加（見表1），表明N*能級對溶劑極性變化更加敏感。T*在三種溶劑中斯托克斯位移（約7000 cm?1）都異常大，結合雙熒光發射現象，表明D-HBF發生了ESIPT反應16。

圖S1展示了N*和T*態斯托克斯位移與溶劑極性因子P（ε）和Δf之間的相關性。N*發射的斯托克斯位移與兩種溶劑極性因子都顯示良好的線性關系。線性擬合的斜率表明，溶劑極性對N*的斯托克斯位移有顯著影響，而對T*的斯托克斯位移影響則不明顯。其中，N*和T*態的相對發射強度比（IN*/IT*）隨著溶劑極性的增加而逐漸變大，表明DHBF發生的ESIPT反應對溶劑的極性具有一定的依賴關系。

3.2 熒光動力學研究

圖2給出D-HBF在不同溶劑中測得的、在N*和T*特征發射波長下的熒光動力學衰減曲線（采用TCSPC技術），內插圖顯示了條紋相機測量得的lt;600 ps的熒光動力學。在405 nm激發下，N*態在儀器響應函數時間內生成，呈現二指數過程衰減：發生在數百皮秒內的快過程和發生在幾個納秒內的慢過程。N*的快速衰減伴隨著T*快生成，表明兩者之間存在動力學相關性（圖2內插圖所示）。當T*的生成達到最大值后，又在15 ns內衰減完全，相應的動力學分析結果總結于表2中。

動力學擬合結果表明：溶劑極性增加導致N*快衰減過程（～數百皮秒內）時間常數變長而相對占比減少，該過程對應于N*通過ESIPT轉移到T*的時間常數；N*態的慢衰減過程時間常數與T*態的衰減時間常數相似（范圍在2.27–3.47 ns），且隨溶劑極性增加而減小。T*和N*衰減時間常數的相同表明它們之間存在快速ESIPT動態平衡9。

根據示意圖1中所示的反應模型，可使用公式（1）和（2）來計算ESIPT的正向（kpt）和反向（k?pt）質子轉移（PT）速率24，25。其中，A1和A2分別代表N*態的快速和慢速衰減物種的占比，τ1是表2中N*快速衰減物種壽命。最后，計算得到的速率常數以倒數的形式展示在表3中。

結果表明：隨著溶劑極性增加，kpt和k?pt都減少，但kpt的變化比k?pt更明顯。所以，ESIPT平衡常數Keq隨溶劑極性增加而降低，表明ESIPT平衡向N*態移動16。

3.3.1 幾何結構信息（氫鍵參數：長度、角度和O―H伸縮模式的IR振動頻率）

4-羰基與3-羥基之間的分子內氫鍵強度是ESIPT發生的結構基礎。本文分別計算了3-羥基的鍵長、鍵角以及紅外（IR）振動頻率進行驗證2。使用DFT 和TD-DFT 理論結合的B3LYP-D3/6-311+g（d，p）方法，分別對D-HBF在三種溶劑中處于N、N*、T和T*態的構象進行優化，優化過程中沒有對鍵長、鍵角或二面角施加任何限制。同時，獲得了D-HBF在N、N*、T和T*態的振動頻率且沒有虛頻，證實優化結構都處于局部能量極小點。

D-HBF在光激發過程中，3-OH鍵長（dO―H）從N態躍遷到N*態時變長而氫鍵距離（dHB）縮短（如表4所示）。以上結果表明，在N*態下氫鍵的強度增長，比N態更易發生質子轉移，所以在這些溶劑中N*態存在ESIPT反應。此外，N*態下的O―H???O鍵角（δO―H???O）比N態更接近180°，進一步證實N*態下氫鍵增強。而且，從N態到N*態的轉變過程中3-OH伸縮振動模式的紅外振動頻率向低頻移動，也支持了上述觀點。在計算結果中可以看到溶劑極性對分子內氫鍵的影響顯而易見。隨著溶劑極性的增加，N態下的氫鍵長度（dHB）從2.01827 ?增加到2.02724 ?，而在N*態下從1.87741 ?增加到1.89952?。盡管兩種態下的鍵長都隨著溶劑極性的增加而逐漸變長，但N*態下的變化更為顯著。同樣，3-OH伸縮模式的紅外振動頻率隨著溶劑極性的增加向高頻移動，在N*態下頻率的變化更為明顯。其中，N態，從3598 cm?1增加到3606 cm?1，N*態從3372cm?1增加到3404 cm?1。

總結來說，N*態相對于N態對溶劑極性變化更為敏感。當溶劑極性增加時，激發態下的分子內氫鍵減弱。所以，ESIPT過程逐漸變困難。T*的溶劑極性依賴性方面與N相似，而T則與N*相似。以上結構變化最終反應在熱力學上的變化，影響到系統內部的動態變化。

3.3.2 前線分子軌道分析

圖3展示了D-HBF在CYH、DEE和THF中的前線分子軌道（FMOs）的電子密度圖，包括最高占據分子軌道（HOMO，對應于N）和最低未占據分子軌道（LUMO，對應于N*）。通過對比討論分子骨架上的電子分布以及電子轉移行為。D-HBF的T和T*對應的FMOs作為參考，在Supporting Information中以圖S2展示。光激發后，HOMO中的電子到躍遷到LUMO，導致電子分布不平衡進行重組。根據圖3中所示的電子密度分布發現D-HBF從HOMO到LUMO的躍遷呈現π–π*特征。為了詳細討論和分析電子分布和電子轉移行為，分子骨架被劃分為兩個部分（Part1和Part2），使用Hirshfeld方法26計算了兩部分的電子密度百分比。D-HBF在三種溶劑中從HOMO到LUMO的躍遷時，Part1的電子密度從68%減少到14%，而Part2的電子密度從32%增加到86%，發生了明顯的電荷轉移。造成羰基上的氧原子電子密度增加，而羥基上的氧原子電子密度減少，氫鍵強度顯著增強，為ESIPT過程的發生提供了可能性。其中，隨著溶劑極性的增加，LUMO軌道上Part1上的電子強度百分比增加，Part2上的電子強度百分比減少。表明溶劑極性的增加，N*態的相應氫鍵強度降低，ESIPT過程變得更加困難。

3.3.3 ESIPT反應機理分析

圖4使用B3LYP-D3/6-311+g（d，p）方法計算了三種溶劑中ESIPT反應的勢能曲線及其相應的勢壘。在基態下，質子轉移反應是吸熱過程，它們正向質子轉移的勢壘（14.10 kcal?mol?1 ， 1 cal =4.1868 J） 遠大于逆向質子轉移勢壘（3.35kcal?mol?1）。相比之下，S1態下的正向ESIPT反應是放熱過程，正向質子轉移的勢壘（～6.61 kcal?mol?1）小于且接近逆向質子轉移勢壘（～7.85 kcal?mol?1）。所以，質子轉移反應傾向于S1態，由N*向T*轉移。此外，溶劑極性的增加導致質子轉移勢壘升高，正向ESIPT反應變困難。圖4d中計算得到的正向ESIPT 反應的吉布斯自由能（CYH ， ?0.9457kcal?mol?1；DEE，?0.7226 kcal?mol?1；THF，?0.6363kcal?mol?1）隨著溶劑極性增大而變大，也進一步驗證了正向ESIPT反應變困難。從圖4的計算結果上，溶劑極性的增加導致逆向ESIPT反應（從T*回到N*）能壘也在增加，質子轉移變困難。以上計算得到的熱力學結果與實驗測量的動力學結果一致。

D-HBF與之前對4’-N，N-二乙氨基-3-羥基黃酮的ESIPT機制研究16結論相似，從N態激發到N*態時偶極矩存在顯著差異（如表5所示）。N*態相比于N態和T*態經歷溶劑穩定化作用，溶劑極性的增加導致N*態能量相比于T*態降低更顯著，有利于ESIPT化學平衡向N*態移動。

綜上，氫鍵強度是決定不同溶劑中ESIPT反應驅動力的關鍵因素。在第一激發態中，氫鍵相互作用的程度隨著溶劑極性的增加而減弱，導致激發態下正向和反向質子轉移的能壘都增加。其中，N*態具有ICT特征，對溶劑極性更為敏感。隨著溶劑極性的增加，ESIPT反應平衡向N*態移動。最終，溶劑極性的增加導致D-HBF的雙重熒光強度比IN*/IT*降低，ESIPT反應被抑制。

4 結論

本研究采用實驗與理論計算相結合的方法，探討了溶劑環境對D-HBF的ESIPT影響。研究結果表明，D-HBF具有ESIPT行為，且具有雙發射峰的特征，其強度比受溶劑調控。為了進闡明ESIPT機制，我們采用了DFT和TDDFT方法結合B3LYP泛函和6-311+g（d，p）基組進行理論計算。通過比較DHBF在不同溶劑中的基態（S0）和激發態（S1）之間的分子內氫鍵的鍵長和鍵角，確定ESIPT反應通過激發態氫鍵增強機制發生。此外，溶劑極性的增加，計算得到的S1狀態下O–H伸縮模式的紅外吸收頻率變大，也進一步證明了激發態下氫鍵強度再減弱。前線分子軌道（FMOs）也顯示了D-HBF具有電荷轉移特征，表明ESIPT通過激發態氫鍵增強機制發生。為了進一步確認ESIPT發生機制，分別計算了D-HBF在S0和S1態下的勢能曲線。計算結果表面，質子轉移過程更傾向于在S1態發生，而溶劑的極性導致ESIPT勢壘升高，質子轉移變困難。綜上所述，溶劑極性可以調控D-HBF的雙發射熒光強度比（IN*/IT*），為D-HBF作為環境極性敏感的生物熒光探針的潛在應用奠定基礎。