基于BODIPY的多功能荧光染料用于温度检测：合成、结构与性能

《Dyes and Pigments》：Multifunctional BODIPY-Based Fluorophores for Temperature Detection: Synthesis, Structure, and Performance

本研究设计并合成了新型vinyl-BODIPY染料（2-5），通过一锅Knoevenagel自缩合反应获得二聚体（3）和三聚体（4），并分离出副产物5。这些化合物在可见至近红外区呈现宽泛吸收谱带，嵌入PMMA后形成透明发光薄膜，具有25-150℃范围内可逆的温度依赖荧光特性，适用于固态温度传感应用。

　　

马科斯·C·德索萨（Marcos C. de Souza）|若泽·V·M·德热苏斯（José V.M. de Jesus）|莱安德罗·F·佩德罗萨（Leandro F. Pedrosa）|伊内斯·P·戈麦斯（Inês P. Gomes）|弗雷德里科·杜阿尔特（Frederico Duarte）|卡洛拉·I·M·桑托斯（Carla I.M. Santos）|卡洛斯·洛德伊罗（Carlos Lodeiro）|玛丽亚·格拉萨·P·M·S·内维斯（Maria da Gra?a P.M.S. Neves）|若泽·A·S·卡瓦莱罗（José A.S. Cavaleiro）|里卡多·F·门德斯（Ricardo F. Mendes）|菲利佩·A·A·帕兹（Filipe A.A. Paz）

巴西弗卢米ネン塞联邦大学有机化学系，24020-141尼泰罗伊（Niteroi，巴西）

摘要

本研究介绍了一种新型乙烯基-BODIPY染料的设计、合成及其热计量性能评估。这些染料是通过β-甲酰基BODIPY前体2的一锅Knoevenagel自缩合反应制备的。所得的二聚体（3）和三聚体（4）衍生物在近红外区域表现出强烈的全色吸收特性，同时还分离出一种意外的肟基-BODIPY副产物（5），并对其结构进行了确认。利用BODIPY的高光稳定性和可调荧光特性，将化合物2和5成功嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基质中，制备出了透明且具有发光性的薄膜。这些混合材料在25–150°C的宽温度范围内表现出可逆的温度依赖性荧光行为，并且在热循环后能够显著恢复发光强度。本研究凸显了BODIPY-PMMA复合材料作为固态应用中稳健高效的荧光热计量传感器的巨大潜力。

引言

温度是一个基本的物理参数，对许多化学、生物和工业过程至关重要。近年来，由热敏聚合物和荧光染料组成的荧光聚合物温度响应探针因具有高灵敏度、空间分辨率以及实时、非侵入式的温度监测能力而受到广泛关注[1]、[2]、[3]。这些系统通常通过将温度变化转化为荧光强度的变化来进行检测，因此在生物医学诊断、环境监测和智能包装等领域具有广泛应用。

目前，开发荧光纳米温度计的主要策略包括三种方法：荧光强度的变化[4]、比率荧光[5]、[6]以及荧光寿命测量[7]。每种方法都有其特定的优势和局限性，具体取决于应用和环境条件。然而，实际应用中荧光温度计必须满足高灵敏度、可逆性、稳定性和长期重复使用性等关键要求[8]、[9]。

在这些系统中使用的各种荧光团中，基于硼二吡咯甲烯（BODIPY）的染料因其优异的光物理和化学性质而脱颖而出，这些性质包括高荧光量子产率、较大的摩尔吸收系数、结构可调性、光稳定性和生物相容性[10]、[11]、[12]、[13]。BODIPY核心的一个关键优势是其易于进行后功能化处理，这使得其光谱特性能够针对生物科学和材料科学中的特定应用进行定制[14]。功能化策略成功地将它们的吸收和发射范围扩展到了近红外（NIR）区域，与单体相比，形成了更宽的吸收带和明显的红移。在这方面，我们的一些研究人员最近研究了一系列含有硒原子的BODIPY分子，将其用于温度、酸和阴离子的传感[15]、[16]。

利用这些方法已合成了多种基于BODIPY的寡聚体、聚合物和树状大分子。其中，3,5-二甲基BODIPY与芳香醛的Knoevenagel缩合被认为是制备长波长发射衍生物的最有效和实用的方法之一[17]、[18]。该方法在简单性、产率和时间效率方面具有明显优势。

在本研究中，通过β-甲酰基BODIPY（2）在3,5位置的Knoevenagel自缩合反应（详见图1），合成了带有甲酰基封端基团的二聚体（3）和三聚体（4）乙烯基-BODIPY染料。这些位置上的酸性甲基在哌啶作为碱的存在下容易发生缩合。引入乙烯基单元后，吸收光谱发生了显著变化，特别是在生物活性光学窗口（600–800 nm）区域出现了新的吸收带，这表明了它们在生物和材料应用中的潜力。

基于我们之前关于有机染料掺杂聚合物和基于BODIPY的荧光传感器的研究[12]、[15]、[16]，我们对获得的BODIPY衍生物（2–5；详见图1）在溶液中的光物理行为进行了研究，并评估了它们在嵌入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基质后的热计量应用潜力。

部分内容摘要

化学品和起始试剂

4-甲氧基苯甲醛、2,4-二甲基吡咯、p-氯苯胺、三氟化硼醚、磷酸酰氯、盐酸羟胺、La(OTf)₃、哌啶、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，分子量约350,000，玻璃化转变温度105°C）均购自Sigma-Aldrich公司。所有这些化学品均无需进一步纯化即可使用。溶剂来自Panreac公司，按原样使用或经过蒸馏和干燥处理。

物理测量

质谱数据使用ESI-MS MALDI-Micromass Q-TOF₂仪器记录。

合成方法

二聚体（3）和三聚体（4）乙烯基-BODIPY染料的合成方法见图1。对于甲基氧基-BODIPY（1的合成，选择了机械化学方法，因为这种方法比传统方法更快且产率更高[20]、[21]。2,4-二甲基吡咯与p-甲氧基苯甲醛的缩合通过简单的研钵研磨进行，随后加入少量TFA并氧化。

结论

通过3位和5位的Knoevenagel自缩合反应，从甲酰基-BODIPY染料2成功合成了具有较长π共轭链和有用甲酰基封端基团的新乙烯基-BODIPY染料3和4，产率良好。

染料3和4在600 nm以上展现出良好的吸收特性，发射波长超过650 nm。这些BODIPY染料在可见光和近红外区域具有全色吸收特性，且其吸收系数高于单体BODIPY染料。

作者贡献声明

若泽·维托尔·热苏斯（José Vítor Jesus）：方法学研究。伊内斯·戈麦斯（Inês Gomes）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、研究。弗雷德里科·杜阿尔特（Frederico Duarte）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、研究。卡洛斯·洛德伊罗（Carlos Lodeiro）：验证、资源准备、方法学研究、数据分析。里卡多·门德斯（Ricardo Mendes）：研究。菲利佩·帕兹（Filipe Paz）：初稿撰写、数据分析。玛丽亚·格拉萨·内维斯（Maria da Gra?a Neves）：撰写、审稿与编辑、指导。若泽·卡瓦莱罗（José Cavaleiro）：撰写、审稿与指导。卡洛拉·桑托斯（Carla Santos）：

资助情况

本研究得到了阿维罗大学（University of Aveiro）、科学技术基金会（Funda??o para a Ciência e a Tecnologia）以及科学技术与高等教育部（Ministério da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior, FCT/MCTES）的财政支持，具体项目为UID/50006 - 绿色化学与清洁技术联合实验室（Laboratório Associado para a Química Verde - Tecnologias e Processos Limpos）。此外，还获得了国家基金CQE（UIDB/00100/2020, DOI: 10.54499/UIDP/00100/2020和UIDP/00100/2020, DOI: 10.54499/UIDP/00100/2020）的资助，在适用情况下，该项目还得到了FEDER（葡萄牙联邦发展基金）在PT2020合作计划下的共同资助。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢阿维罗大学（University of Aveiro）、CQE-IST和FCT/MCTES对UID/50006 - 绿色化学与清洁技术联合实验室（Laboratório Associado para a Química Verde - Tecnologias e Processos Limpos）、UIDP/50017（CQE，项目编号UIDB/00100/2020, DOI: 10.54499/UIDP/00100/2020和UIDP/00100/2020, DOI: 10.54499/UIDP/00100/2020）以及葡萄牙核磁共振网络（Portuguese NMR Network）的财政支持。C. I. M. Santos还感谢她的研究合同（REF.IST-ID/95/2018, 2023.08400.CEECIND）。本研究是在CICECO-Aveiro项目的框架下完成的。