基于柱[5]芳烃-BTD主客体复合物的响应型超分子传感器：从静态猝灭到阴离子与DNA识别

《ACS Omega》：Responsive Supramolecular Sensors Based on Pillar[5]arene–BTD Complexes for Aqueous Sensing: From Static Quenching to Anion and DNA Recognition

本综述系统阐述了基于阳离子柱[5]芳烃（P[5]A）与荧光2,1,3-苯并噻二唑（BTD）衍生物构建的超分子主客体系统，通过光谱滴定和分子对接揭示了105M–1量级的高结合常数及静态荧光猝灭机制（ΔG ≈ -8.5 kcal mol–1），并验证了其通过竞争结合实现阴离子和DNA检测的“关-开”型传感潜力，为水相超分子传感平台开发提供了新策略。

　　

2. 实验部分

实验部分详细介绍了BTD客体分子（BTD 1-3）的合成方法，通过Sonogashira交叉偶联反应将4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑与末端炔烃连接，形成具有延伸共轭体系的内炔衍生物。BTD 2由BTD 1经碱性水解制得，而BTD 4则为BTD 2在碱性条件下（pH 10）去质子化形成的二价阴离子形式。主体分子包括中性柱[5]芳烃P[5]Im和阳离子型柱[5]芳烃P[5]A，分别通过溴化柱[5]芳烃（P[5]Br）与咪唑或三甲胺发生双分子亲核取代反应（S_N2）合成，产率分别为59%和96%。光物理表征使用高效液相色谱级溶剂，通过紫外-可见吸收光谱和稳态荧光光谱测量，以香豆素153（Φ_FL= 0.53）为量子产率标准。理论计算采用ORCA量子化学软件包（v 6.1），在ωB97X-D4/Def2-TZVP水平上进行几何优化，并通过含时密度泛函理论（TD-DFT）计算垂直电子激发。

3. 结果与讨论

3.1. 合成

BTD衍生物和功能化柱[5]芳烃的成功合成为后续主客体研究奠定了基础。P[5]Im的中性特性和P[5]A的阳离子特性分别适用于不同溶剂环境和相互作用模式。

3.2. 光物理表征

BTD衍生物在不同极性溶剂中表现出显著的光物理性质。所有BTD化合物在紫外-可见吸收光谱中均显示位于407-421 nm的强吸收带，摩尔吸光系数约为10⁴M^–1cm^–1，对应于π-π*跃迁。荧光发射表现出强烈的溶剂化显色效应：BTD 1的发射波长从473 nm（四氢呋喃）红移至504 nm（乙醇），斯托克斯位移达3250-4730 cm^–1，在乙醇中的荧光量子产率最高（Φ_FL= 0.96）。类似趋势也出现在BTD 2（Φ_FL= 0.80-0.85）和BTD 3（Φ_FL= 0.90-0.92）中，BTD 3因氟取代基的引入表现出最大的斯托克斯位移（5450 cm^–1）。二价阴离子BTD 4在有机和水介质中均保持高溶解性和强发射（Φ_FL= 0.80-0.92），是最具应用潜力的荧光团。在水溶液中，所有BTD衍生物的量子产率均有所降低，但BTD 4仍保持可测量的荧光（λ_em～545 nm），斯托克斯位移约为5800-7100 cm^–1。

3.3. 理论计算

理论计算揭示了BTD衍生物的电子结构特征。前沿分子轨道分析表明，最高占据分子轨道（HOMO）为分布于共轭骨架的π轨道，最低未占分子轨道（LUMO）为定域于BTD核心的π*轨道。从基态（S₀）到第一单重激发态（S₁）的几何优化显示，BTD 1和BTD 4在S₁态发生显著结构重组（重原子均方根偏差约0.42-0.48 ?），而BTD 3的结构刚性最强（约0.05 ?）。电子密度差（EDD）图谱证实S₀→ S₁跃迁具有分子内电荷转移（ICT）特性，与实验观察到的大斯托克斯位移和溶剂化显色现象一致。通过经验性能量校正（ΔE = -0.343 eV），计算吸收波长与实验值高度吻合（均方根误差为6.4 nm）。

3.4. 主客体相互作用研究

中性主客体系统（P[5]Im与BTD 1-3）在乙醇中的荧光滴定显示微弱的相互作用，主要归因于高浓度下咪唑基团运动受限导致的P[5]Im自身荧光增强。而带电荷系统（BTD 4与P[5]A）在水溶液中表现出显著的主客体结合。荧光滴定表明，加入0.1-1.0当量P[5]A可引起BTD 4荧光强度急剧下降，符合静态猝灭机制（猝灭常数κ_q～10¹⁴M^–1s^–1）。非线性拟合得到高结合常数（K_b= 4.82 × 10⁵M^–1）。核磁共振氢谱（¹H NMR）进一步证实了包结作用：BTD 4中心核氢（位置5和6）信号向高场位移-1.03 ppm，对位取代芳氢位移-1.13 ppm，均源于柱芳烃芳香环的屏蔽效应，而P[5]A的脂肪氢信号未发生明显变化，表明相互作用主要通过静电和芳香接触实现。时间分辨光谱显示复合物形成遵循两步机制：快速的静电驱动接近和较慢的疏水腔包结（速率常数0.26-0.46 min^–1）。

3.5. 分子对接

分子对接模拟揭示了BTD 4与P[5]A的多种结合模式。最稳定的包结复合物自由能为-8.19 kcal mol^–1，其中BTD 4的BTD核心嵌入柱芳烃疏水空腔，羧酸根与铵基团形成静电作用。侧位结合模式（-8.26 kcal mol^–1）亦可能发生，即BTD 4通过双羧酸根同时与柱芳烃两端口铵基结合。单质子化（-8.74 kcal mol^–1）和中性BTD（-8.56 kcal mol^–1）也能形成稳定复合物，但二价阴离子形式的静电驱动力最强。

3.6. 光物理响应

BTD 4??P[5]A复合物在阴离子存在下发生竞争性解离，实现荧光恢复（"关-开"传感）。在10^–4–10^–2M浓度范围内，NaBr可完全置换BTD 4（K_b= 6.34 × 10²M^–1），NaI在低浓度即引发显著荧光增强但未完全解离（K_b= 3.89 × 10³M^–1），NaCl、NaNO₃、Na₂CO₃和NaN₃也产生类似响应。在生物分子检测方面，复合物对小牛胸腺DNA（ct-DNA）表现出高灵敏度（K_b= 2.33 × 10⁵M^–1），荧光增强源于BTD 4从复合物中释放后与DNA沟槽结合。对照实验证实响应特异性源于超分子解离而非组分单独作用。

4. 结论

本研究成功构建了基于阳离子柱[5]芳烃与阴离子BTD衍生物的超分子传感平台。光谱和理论分析证实了以静电作用和π-π堆积驱动的1:1包结复合物形成，其静态荧光猝灭效应可通过阴离子或DNA竞争结合可逆切换，为水相中超分子传感提供了新材料设计策略。