一种基于α-未取代BODIPY染料的新方法，用于制备不含重原子的小分子光敏剂

《Journal of Molecular Liquids》：A new method to create heavy-atom free small molecule photosensitizers based on α-unsubstituted BODIPY dyes

BODIPY染料甲基取代位置对光敏化效率的影响及α-未取代衍生物的发现。通过比较分析四甲基和五甲基取代的BODIPY（1-6）在不同溶剂中的光物理特性，揭示了甲基取代位点对ΔES-T、能量传递效率和三重态生成机制的关键作用，发现α-未取代的BODIPY 1在无重原子和供体取代基情况下表现出高效的光敏化特性。

　　本文聚焦于一种新型的BODIPY光敏剂分子的设计与性能研究，这些分子能够在无重原子的情况下，通过分子内能量转移过程有效生成单线态氧。BODIPY（硼二吡咯甲烷）是一种广泛应用于光动力治疗（PDT）和光化学反应的有机荧光染料，因其优异的光物理性质而备受关注。然而，传统的BODIPY光敏剂通常依赖于引入重原子（如卤素或金属）来增强其三重态激发态的生成效率，这在一定程度上限制了其生物相容性和应用范围。因此，研究开发一种无需重原子、具有高生物可用性和良好光毒性效果的“无重原子”BODIPY光敏剂，成为当前科研领域的重要课题。

在本文中，研究人员对一系列四甲基和五甲基取代的BODIPY光敏剂（编号为1–6）进行了系统比较，分析了它们在不同有机溶剂中的光敏化效率。研究发现，α-位未取代的BODIPY光敏剂（如编号为1的分子）能够通过无重原子的机制形成三重态激发态，表现出良好的吸收能力、荧光效率和单线态氧生成能力。例如，在CS?溶剂中，未取代的BODIPY和仅在其中一个吡咯环上引入两个甲基的分子（编号为2）显示出高达0.15±0.05的单线态氧生成量子产率。而编号为8 M-BDP的分子在甲苯中表现出更高的单线态氧生成效率，达到20%，但在CS?中仅显示7%的效率，这表明溶剂极性对光敏剂性能有显著影响。

值得注意的是，研究团队发现甲基取代的位置对光敏剂的光物理特性具有决定性作用。尽管已有研究关注于甲基取代数量对光敏剂性能的影响，但取代位置的差异尚未被充分探讨。因此，本文通过系统地调整甲基取代的位置，对不同取代结构的BODIPY光敏剂进行了深入分析，揭示了其光物理特性的变化规律。研究结果显示，甲基取代的位置不仅影响了ΔE_S-T（单重态与三重态之间的能量差）的数值，还对能量向三重态的转移效率产生了重要影响，从而影响了光敏化效率。这种结构对性能的调控能力，为设计高性能的“无重原子”BODIPY光敏剂提供了理论依据。

此外，本文还探讨了BODIPY光敏剂在不同溶剂中的表现。研究发现，BODIPY光敏剂在非极性或芳香性溶剂中表现出最佳的荧光效率，而在中等极性的有机溶剂（如四氢呋喃、氯仿和二氯甲烷）中则显示出最高的单线态氧生成效率。而在极性溶剂（如醇类、二甲基甲酰胺和二甲基亚砜）中，荧光和单线态氧生成均被显著抑制。这种对溶剂极性的敏感性，使得BODIPY光敏剂在实际应用中需要根据具体环境进行优化选择。

研究团队还对编号为1的BODIPY分子进行了晶体结构分析，确认了其分子构型。该分子在中心对称的空间群C2/c中结晶，具有Z′=0.5的结构特征。通过晶体学数据，研究人员能够更准确地理解分子结构如何影响其光物理性能。例如，分子中BODIPY核心的近四面体构型、F-B-F键角的特定数值以及B-N和B-F键长的差异，都为解释其高效的三重态生成提供了结构基础。

在实验方法方面，研究团队采用了多种技术手段来评估BODIPY光敏剂的性能。首先，通过核磁共振（NMR）光谱分析了分子结构，确认了甲基取代的位置和数量。NMR实验中使用了氘代氯仿作为溶剂，并以三甲基硅烷（TMS）作为内标物，以确保数据的准确性。其次，利用密度泛函理论（DFT）计算进一步分析了不同取代结构的激发态特性，从而揭示了甲基取代对ΔE_S-T值和能量转移效率的影响机制。这些计算结果与实验数据相互印证，为理解BODIPY分子的光物理行为提供了有力支持。

研究还涉及了对BODIPY光敏剂的生物相容性评估。传统的光敏剂虽然在某些方面表现出色，但其大分子尺寸、高疏水性和易聚集性可能导致在生理环境中的生物利用度降低。相比之下，“无重原子”BODIPY光敏剂因其较小的分子尺寸和简单的合成路径，展现出更高的生物可用性。此外，这些分子在水性环境中表现出较低的暗毒性，使其在生物医学应用中更具优势。研究人员还指出，这类光敏剂的荧光效率和单线态氧生成能力可以同时优化，这在治疗和诊断一体化的“影像-治疗”（theranostics）领域尤为重要。

在实际应用方面，BODIPY光敏剂因其高效的单线态氧生成能力，被认为是光动力治疗（PDT）的理想候选材料，特别是在对抗抗生素耐药性病原体方面。由于其较小的分子尺寸，这些光敏剂能够更容易地穿透细胞膜，提高其在生物体内的分布效率。此外，它们的荧光特性使其适用于多种成像技术，从而实现对疾病的实时监测和治疗。因此，这些“无重原子”BODIPY光敏剂不仅在医学领域具有广阔的应用前景，还在光催化、太阳能转换等技术领域展现出潜在价值。

研究团队还提到，目前市场上已有一些烷基取代的BODIPY光敏剂，但它们的单线态氧生成效率相对较低。本文通过系统的结构优化，展示了如何通过调整甲基取代的位置和数量来显著提升光敏剂的性能。这一发现为后续的分子设计提供了重要的参考，并有望推动新一代高效、安全的BODIPY光敏剂的研发。此外，研究团队强调，这种“无重原子”策略不仅可以减少对重原子的依赖，还能够避免因重原子引入而带来的潜在毒性问题，从而提高光敏剂在生物医学中的应用安全性。

为了进一步验证这些光敏剂的性能，研究团队在多种有机溶剂中进行了实验测试。结果表明，α-位未取代的BODIPY分子（如编号为1的分子）在不同溶剂中均表现出良好的光物理特性，包括高效的吸收、较高的荧光效率以及显著的单线态氧生成能力。这些分子在非极性溶剂中表现出最佳的荧光性能，而在中等极性溶剂中则显示出较高的单线态氧生成效率。这一发现为光敏剂在不同应用场景下的选择提供了理论依据，同时也为未来开发适用于特定环境的BODIPY光敏剂奠定了基础。

研究还揭示了三重态激发态的生成机制。在“无重原子”BODIPY分子中，三重态的形成主要依赖于分子内的能量转移过程，而不是依赖于外部重原子的引入。通过DFT计算和实验观察，研究人员发现甲基取代的位置对这一过程具有显著影响。例如，当甲基取代集中在分子的特定区域时，能够有效促进能量向三重态的转移，从而提高光敏化效率。这种内在的能量转移机制，使得BODIPY光敏剂能够在无重原子的情况下实现高效的光化学反应，为开发新型光敏剂提供了新的思路。

在合成方面，研究团队指出，通过合理设计甲基取代的位置和数量，可以实现BODIPY分子的高效合成。这一合成路径不仅简化了分子的构建过程，还降低了生产成本，使其在大规模应用中更具可行性。此外，由于甲基取代的引入不会显著改变分子的大小，这些BODIPY光敏剂在生物医学应用中表现出更好的渗透性和分布能力，这对其在细胞和组织内的作用至关重要。

研究团队还提到，这些“无重原子”BODIPY光敏剂的开发，有助于解决传统光敏剂在生物医学应用中面临的诸多挑战。例如，传统光敏剂的高疏水性可能导致其在水性环境中难以有效分散，而“无重原子”BODIPY分子则表现出良好的水溶性，这有助于提高其在生物体内的生物利用度。此外，由于这些分子的结构相对简单，其合成过程也更加可控，减少了副产物的生成，提高了产物的纯度和产量。

总的来说，本文的研究成果为BODIPY光敏剂的设计与应用提供了重要的理论支持和实验依据。通过系统分析不同取代结构的光物理特性，研究团队发现甲基取代的位置和数量对光敏剂的性能具有决定性影响。这一发现不仅拓展了BODIPY分子的应用范围，还为开发高效、安全、易合成的光敏剂提供了新的方向。未来，随着对BODIPY分子结构与性能关系的进一步研究，有望实现更广泛、更精准的光化学应用，特别是在生物医学和光催化领域。