基于F?rster共振能量转移的酰亚胺荧光团手性识别：固态对映体实时甄别新策略

本研究创新性地利用F?rster共振能量转移（FRET）机制，开发了固态环境下实时识别对映体的荧光平台。通过手性萘酰亚胺（NMI/NDI）主体与苝二酰亚胺（PDI）客体的非共价相互作用，实现同手性组合的高效能量转移（CDF达2.20），为手性识别提供了无需溶剂、毫秒级响应的新方案。

　　

分子手性是指分子与其镜像不可重叠的结构特性，在有机合成、药物化学和生命科学等领域具有关键意义。传统手性识别技术如高效液相色谱（HPLC）、核磁共振（NMR）和圆二色谱（CD）多依赖溶液环境，溶剂化效应可能干扰识别精度。虽然气相质谱可避免溶剂干扰，但需要昂贵仪器和高能电离源。近年来，室温磷光（RTP）技术虽能实现高选择性手性识别，但其长寿命发光特性需要时间门控技术，难以实现实时检测。

与磷光相比，荧光源自自旋允许的激发单重态跃迁，具有快速辐射衰减特性，更适合实时识别。然而现有荧光手性传感器多需分析物与手性荧光团的共价连接，限制了其普适性。本研究提出利用F?rster共振能量转移（FRET）这种对分子间距和构型敏感的非共价光物理过程，通过手性主体与对映体客体之间几何差异引起的荧光强度变化，实现快速实时的手性识别。

研究团队设计以苝二酰亚胺（PDI）对映体作为选择物（客体），手性萘酰亚胺（NMI）或萘二酰亚胺（NDI）作为选择剂（主体）。这些芳香酰亚胺衍生物因其超分子特性和在手性组装中的广泛应用被选为模型体系。通过凝聚反应合成了具有R或S构型的NMI、NDI和PDI目标化合物，手性HPLC分析显示所有化合物的对映体过量值（ee）均大于98.7%。

光物理研究表明，在稀2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF）溶液中，手性NDI和PDI显示出比NMI更显著的π-π*吸收带。π共轭扩展导致吸收红移从紫外区到可见光区，固态UV-vis吸收光谱也呈现相同趋势。稳态光致发光（PL）测量显示，在室温下NMI和NDI在稀溶液中无检测到发射，而PDI对映体在535、570和620 nm处显示出良好的PL发射，寿命为3-4 ns。77 K低温下观察到更结构化的发射，630和690 nm处的增强发射特征证实其源自单重态荧光，排除三重态贡献。

密度泛函理论（DFT）计算表明，R-NMI和R-NDI的最高占据分子轨道（HOMO）主要位于带有手性碳的苯环上，而最低未占分子轨道（LUMO）分布在芳香酰亚胺骨架上。由于S₁态的电荷转移（CT）特性，R-NMI和R-NDI显示出低效的S₀→S₁跃迁，导致荧光缺失或微弱（暗S₁态）。而对于R-PDI，HOMO和LUMO都集中在PDI核心，导致S₁具有强π-π*特性，振荡强度（f = 0.7840）增加，产生显著荧光（亮S₁态）。

在聚集态研究中，PDI对映体计算光学带隙（ΔE_g = ～2.52 eV）最小，而NMI（ΔE_g = ～3.96 eV）和NDI（ΔE_g = ～3.23 eV）较大。因此研究以手性NMI和NDI为主体，PDI对映体为客体探索FRET介导的手性识别。虽然NMI和NDI在单体状态下不发光，但其聚集体由于增强的振动耦合而变得发光。R-和S-NMI在460 nm处显示出改善的PL，PL量子产率（PLQY）分别为19.2%和17.5%，而NDI对映体由于增强的聚集导致猝灭（ACQ）行为，在365和470 nm激发下几乎检测不到PL。

粉末X射线衍射（XRD）表明，低于1 wt%的PDI掺杂不会影响主体（NMI和NDI）的整体堆积方式，可能只在掺杂位点引起轻微的局部构型扰动。以S-NDI为主体，R-和S-PDI为客体的研究表明，在365 nm紫外激发下，稳态PL光谱在500-650 nm范围内几乎无法分辨发射带。在470 nm激发下，增加掺杂比例导致结构化发射峰从500 nm逐渐红移到600 nm，在1 wt%掺杂时最终集中在630 nm。时间分辨PL衰减显示，S-PDI在S-NDI中的荧光寿命比R-PDI更长，表明同手性PDI和NDI之间的FRET更有效。

使用NMI对映体作为主体的研究发现，增加掺杂水平增强了PDI对映体之间的手性识别。以R-NMI为主体，450 nm处的发射源自R-NMI本身，而较低能量（525-700 nm）的结构化发射属于PDI对映体。计算手性识别因子（CDF）为1.40，清楚表明同手性构型中FRET更有效。以S-NMI为主体时，手性FRET效率更高，1 wt% PDI在S-NMI中的CDF达到2.20。PLQY测量也证明同手性系统中的PDI比异手性对应物具有更高的发射效率。肉眼观察到同手性PDI和NMI比异手性掺杂系统更亮的发光。在470 nm紫外激发下，由于NMI固体不吸收470 nm光，FRET被有效抑制，PDI对映体之间未观察到显著PL强度差异，证实观察到的手性识别确实是FRET介导的。

分子动力学（MD）模拟进一步证实了所提出的机制。以R-PDI在NMI对映体中为例，COMPASS I力场下的几何优化表明，同手性R-PDI/R-NMI系统在4.51和8.11 ?距离处的径向分布函数g(r)增加，表明分子间距离比异手性对应物更短。模型II和模型III也分别在4.33和3.89 ?距离处观察到升高的g(r)值，支持同手性物种间形成更紧密的堆积。分子间相互作用能计算也表明，同手性构型比异手性对应物具有更强的分子间相互作用，表明同手性系统中发生了更紧密的分子堆积。这些发现表明同手性促进了更近的空间接近，从而提高了FRET效率。

本研究开发的的手性依赖性FRET系统能够在固态下实现高效实时的对映体识别。通过光谱分析、寿命测量和理论计算的结合，证明了同手性主体和客体能够有效促进客体到主体的能量转移，表现为增强的客体PL强度。观察到的手性识别源于优化的主客体构型，其中同手性主体和客体形成比异手性对应物更紧密的分子堆积，从而提高了FRET效率。这项研究展示了如何利用非共价相互作用和激发态过程进行光学手性传感，为对映选择性材料和超分子光物理学提供了新的机遇。