一种具有胶束偶极电位的新型BODIPY染料的合成

《Tetrahedron》：Synthesis of a novel BODIPY dye exhibiting micellar dipole potential

　　

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  开发了一种新型间位取代的硼双吡咯甲烯（BODIPY）染料。
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  该间位部分具有可极化的苯胺-三键-喹啉结构。
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  该染料的荧光反映了溶剂的粘度。
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  该染料的荧光取决于胶束偶极电位。
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  该染料是一种对电压和粘度敏感的双模荧光探针。

引言

脂质双分子层是细胞和细胞器的界面。脂质双分子层内外会形成静电电位，广泛分为三种类型：跨膜电位、偶极电位和表面电位[1]。每种电位都与生物过程密切相关。偶极电位是膜表面的电势，源于膜邻近的水偶极子的排列以及脂质的偶极残基[1]、[2]、[3]、[4]。偶极电位与细胞周期[5]、三磷酸腺苷酶（ATPase）活性[6]、脂筏信号转导[7]、膜蛋白的插入和折叠[8]、细胞膜和病毒膜的融合[9]、转运体活性[10]以及抗菌剂形成离子通道[11]等相关。偶极电位也存在于脂质体、乳状液液滴和胶束颗粒中[1]、[2]、[3]、[12]、[13]、[14]。脂质体已被研究作为生物膜的模型以及药物和化妆品产品的递送系统。这些系统的偶极电位为其载荷形成了一层"电外壳"。因此，测量和可视化偶极电位对于理解细胞功能和设计纳米载体具有重要价值。

直接测量偶极电位（即相界面的电势）是困难的。偶极电位已通过使用"快染料"进行分子探针检测的方式进行了定量近似[2]。快染料是具有高时间分辨率的电压敏感染料（VSDs），具有两亲性和强分子内电荷转移（ICT）特性[14]、[15]、[16]。这些染料中表现出ICT的区域在电场中会沿分子长轴发生极化，从而作为电压传感器改变染料的荧光特性。由于这些两亲性染料位于膜内部，它们可以检测偶极电位。然而，迄今为止，仅有少数染料被用于研究偶极电位[2]、[3]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[12]、[13]、[17]。

苯胺（A）和喹啉（Q）通过三键（炔基）（E）连接的分子结构具有强ICT特性[13]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。此后，该结构被命名为"AEQ"基序。我们此前合成了一种两亲性染料（AEQ-吡啶鎓），其中亲水性N-甲基吡啶鎓基团连接在AEQ基序的喹啉部分上，并首次报道了该基序的电压敏感性[13]；AEQ-吡啶鎓被发现对卵磷脂脂质体的膜电位和十二烷基硫酸钠（SDS）胶束的偶极电位具有响应性。Miller等人报道，将电压传感部分连接到硼双吡咯甲烯染料（BODIPY，4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-s-并庚二烯）上，可得到一种利用光致电子转移（PeT）机制的高灵敏度OFF/ON型VSD[23]。基于上述研究，将AEQ共轭到BODIPY上预计可获得一种能够感知偶极电位的类似VSD。然而，迄今尚无此类染料被探索。在本研究中，我们合成了一种新的荧光团，其中AEQ基序连接到BODIPY部分（AEQ-BODIPY），并研究了其荧光特性以及对SDS胶束电学特性的响应性。

章节摘要

AEQ-BODIPY（4）的合成

我们设计了AEQ-BODIPY（4），其中BODIPY的间位连接到喹啉部分的C2位（图1）。使用5-溴色酮和丙酮通过Pfitzinger反应合成了喹啉骨架1，随后在4-羧酸处进行酯化（产率48%–55%，两步反应）。接下来，将该喹啉的2-甲基转化为甲酰基。尽管先前的研究已使用SeO₂作为2-甲基喹啉-4-羧酸酯的氧化剂[24]，

结论

我们合成了4，一种间位带有AEQ基序的BODIPY衍生物。该化合物表现出极低的荧光量子产率、较小的斯托克斯位移、利珀特-马塔加图斜率相对较小，以及粘度依赖性荧光强度。此外，当使用SDS胶束将4分散在水中时，添加电解质溶液后荧光强度增加，表明该染料的荧光反映了SDS的偶极电位。

常规信息

试剂购自日本关东化学株式会社、东京化学工业株式会社和富士胶片和光纯药株式会社，直接使用，未经进一步纯化。¹H-NMR波谱使用Varian VNMR-500和Jeol JNM-ECS400光谱仪获得。H-H COSY和HMBC实验使用Jeol JNM-ECZL500R光谱仪进行。化学位移以百万分之几（ppm）表示，参考四甲基硅烷（0 ppm）和CHCl₃（¹³C，77.0 ppm）。¹³C-NMR波谱无法获取，原因

CRediT作者贡献声明

Toru Oba：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 初稿、可视化、监督、方法论、调查、资金获取、数据整理、概念化。Satoshi Saitoh：调查。Haruka Kawarada：调查。Makoto Roppongi：调查。

未引用参考文献

[30]。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性

所有数据均包含在本文或补充数据中。

关于生成式AI和AI辅助技术在稿件撰写过程中使用的声明

在撰写本文期间，作者使用了Paperpal（Editage）来检查并润色稿件部分内容的语法和拼写。使用此工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

资金支持

本研究得到了日本学术振兴会对T.O.的科学研究资助（C类）（编号：25410082、16k05740和19K05729）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

感谢宇都宫大学仪器分析中心的NMR和MS测量支持。感谢日本学术振兴会对T.O.提供的科学研究资助（C类）（编号：25410082、16k05740和19K05729）的资助支持。感谢Y. Numanyu、S. Nemoto、H. Doe和S. Yatsugake在实验中的帮助。

Toru Oba|Haruka Kawarada|Satoshi Saitoh|Makoto Roppongi