《Materials Advances》：New pyrido[3,4-b]pyrazine-cored donor–acceptor–donor fluorophoresOpen Access
编辑推荐：
以吡啶并[3,4-b]吡嗪（pyrido[3,4-b]pyrazine）为核心核骨架的新型荧光探针（供体–受体–供体（D–A–D）型）已通过两步路径以高产率合成，并对其光物理性质进行了研究。通过改变氮供体取代基在吡啶并吡嗪核吡啶部分上的位置，研究了其比较光物理
以吡啶并[3,4-b]吡嗪（pyrido[3,4-b]pyrazine）为核心核骨架的新型荧光探针（供体–受体–供体（D–A–D）型）已通过两步路径以高产率合成，并对其光物理性质进行了研究。通过改变氮供体取代基在吡啶并吡嗪核吡啶部分上的位置，研究了其比较光物理行为。所合成的化合物表现出显著的荧光性质，连接在5-、7-和8-位的给电子基团影响荧光强度。对吡嗪核的进一步调控也影响所合成化合物的荧光性质。化合物4-(2,3-二苯基吡啶并[3,4-b]吡嗪-5-基)吗啉显示出最高量子产率（52%），并对其溶剂化变色效应、聚集诱导荧光和酸致变色现象进行了研究。实验发现进一步通过密度泛函理论（DFT）计算得到佐证。本研究突出了结构修饰与光学性质之间的关系，为设计用于多种应用的供体–受体–供体型荧光探针提供了见解。
研究背景：发光有机分子在生物成像、显示与照明系统（OLEDs、LCDs）、安全系统及功能材料等领域具有广泛应用，因而备受关注。基于单组分体系的材料展现出多功能性质和独特特性，在太阳能电池、有机光伏和电池中具有特定需求。此外，使用小型有机荧光团的光学成像为非侵入性可视化各种生物组分提供了优势，可实时监测生物体内正常或异常的动态过程。此类有机荧光团的架构主要涉及供体–受体或供体–受体–供体体系，其中各种受体和供体位点通过聚次甲基链或（杂）芳香部分连接以调控荧光。此类供体–受体体系通过调节HOMO–LUMO能隙、调制光发射以及通过F?rster共振能量转移（FRET）或分子内电荷转移（ICT）途径控制激发能量，从而实现OLED材料中的可调荧光。近十年来，许多基于五氟硫烷基、四氰基丁二烯基部分、二苯甲酮以及氮杂芳烃（包括嘧啶、三嗪、吡啶、喹喔啉、苯并噻二唑、（苯并）噻唑并噁二唑硼啉、苯并硒二唑、噻吩并二唑并吡啶、吡啶并吡嗪等）的新型荧光π共轭受体体系相继涌现。其中，引入五氟硫烷基在合成上存在重大挑战，需要高腐蚀性试剂、苛刻的自由基反应条件和专门的耐腐蚀设备。相比之下，四氰基丁二烯基骨架合成简便，且由于其强吸电子的氰基降低了LUMO能级，具有可调的分子内电荷转移（ICT）。然而，其扭曲的非平面几何结构限制了分子间π–π堆积，导致薄膜中电子传输差和电荷迁移率低。二苯甲酮作为强电子受体促进强自旋–轨道耦合，大幅提高系间窜越（ISC）速率并有利于三重态产生。氮杂环的结构刚性最大限度地减少了非辐射衰减，从而提高了光致发光量子产率。同时，氮的高电负性降低了LUMO能级，进一步优化了材料的光电性质。引人注目的是，吡啶并吡嗪核的强吸电子潜力和增强的分子内电荷转移强度已被合理地探索用于开发先进功能器件。
在此方向上，吡啶并[2,3-b]吡嗪骨架是由于其全光谱可见荧光（从蓝色到红色）而被大量研究的吡啶并吡嗪体系，已广泛用于开发OLEDs、固态照明和生物成像技术。相比之下，具有稍好受体能力和较低带隙的吡啶并[3,4-b]吡嗪体系主要被探索作为太阳能电池中的敏化材料。在此方面，研究人员所在课题组先前的工作提出了三唑并稠合吡啶并[3,4-b]吡嗪，具有扩展的缺电子核作为供体–受体和供体–受体–供体体系，表现出423–503 nm范围内的荧光发射。在延续上述工作的基础上，本研究公开了围绕吡啶并[3,4-b]吡嗪受体核构建的新型供体–受体–供体荧光团的合成和发光研究，该受体核在吡啶环上具有氮供体，在吡嗪环上具有苯基或噻吩基供体基团。
研究人员开展了新型氨基功能化吡啶并[3,4-b]吡嗪衍生物的合成，采用两步合成方案。合成起始于商业可得的2/5/6-氯/溴吡啶-3,4-二胺（1a–c）与取代的1,2-二酮（2a–b）在乙醇中60 °C下的酸催化环缩合，首先产生5/7/8-氯/溴吡啶并[3,4-b]吡嗪（3a–b、3a′–b′和3b″）。5/7/8-氯/溴吡啶并[3,4-b]吡嗪进一步在二氧六环中120 °C下与二级胺（4）[二乙胺、吗啉、N-Boc-哌嗪]进行铜介导的Ullmann偶联，以75–88%的产率得到5/7/8-氨基取代的吡啶并[3,4-b]吡嗪（5）。所有合成的产物（5）均通过详细的光谱分析进行了完全表征，包括1H和13C NMR以及质谱。研究得出结论：大多数化合物表现出供体–受体–供体型行为，具有良好的量子产率和合理的蓝至绿光区域发射行为。其发射性质可通过在吡啶并[3,4-b]吡嗪核的C-5、C-7或C-8位引入不同基团/取代基或通过替换芳基/硫芳基部分来进一步调控。吡啶并[3,4-b]吡嗪基分子带隙的变化反映了不同官能团（如N,N-二乙基、吗啉和N-Boc哌嗪）对芳环及其电子跃迁的影响，从而调控带隙以实现更低的带隙和改善的可见光吸收，这在有机光伏和光电探测器等光电应用中具有前景。本研究的重要意义在于揭示了结构修饰与光学性质之间的关系，为设计用于多种应用的供体–受体–供体型荧光探针提供了见解。
关键技术方法：研究人员采用两步合成路径：首先通过酸催化环缩合制备5/7/8-氯/溴吡啶并[3,4-b]吡嗪中间体，随后通过铜介导的Ullmann偶联反应引入二级胺供体基团。光物理性质通过紫外–可见吸收光谱和荧光光谱表征，量子产率以硫酸奎宁为参比测定。理论计算采用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上进行，溶剂效应采用极化连续介质模型（PCM/IEFPCM）模拟。固态光物理性质通过漫反射光谱（DRS）和Tauc作图法评估。研究未涉及特定样本队列来源。
研究结果：
3.1. 合成与表征：通过两步合成方案成功制备了新型氨基功能化吡啶并[3,4-b]吡嗪衍生物。第一步酸催化环缩合产生5/7/8-氯/溴吡啶并[3,4-b]吡嗪中间体，第二步铜介导的Ullmann偶联以75–88%的产率得到目标氨基取代产物，所有产物通过1H和13C NMR及质谱完全表征。
3.2.1. 吸收和荧光研究：所有合成的吡啶并[3,4-b]吡嗪（5）在氯仿中显示出两个主要吸收带，分别位于250–256 nm和311–340 nm，对应π–π*和n–π*跃迁；第三个吸收带位于408–450 nm，归因于从芳基/杂芳基供体到核心N-烷基/环（杂）烷基氨基功能化吡啶并[3,4-b]吡嗪骨架的分子内电荷转移（ICT）。将吡嗪环上的供体基团从苯基变为噻吩环导致ICT带红移，归因于额外硫原子增强了电子离域并最小化了HOMO–LUMO能隙。N,N-二乙氨基的引入导致比吗啉基和N-Boc-哌嗪基取代化合物更大的红移。氨基功能化供体基团的位置（C-5、C-7或C-8位）对ICT带也有合理影响，C-8位供体基团导致更大的红移。7-取代衍生物由于策略性定位的供体位点使直接共轭路径朝向缺电子核，诱导强电子推–拉效应，表现出增强的Stokes位移。TD-DFT计算支持这些观察结果。具有N,N-二乙基的化合物表现出低量子产率，归因于通过系间窜越（ISC）或内转换（IC）经由光诱导电子转移（PET）过程的荧光猝灭。化合物5bb、5bc、5bc″和5bb′（吡嗪核上具有苯基供体基团）表现出高量子产率，分别为52%、44%、38%和38%，表明理想的D–A–D型体系行为。
3.2.1.1. 固态光物理性质：固态吸收光谱显示可见区宽吸收带，表明聚集态中强分子间相互作用。光学带隙估计为2.14至2.50 eV。固态发射光谱显示所有化合物在500–650 nm范围内具有强烈荧光，与溶液相相比发生明显红移，归因于分子间π–π堆积和固态中受限的分子内运动。
3.2.1.2. 溶剂化变色性质：选择在氯仿中具有最大量子产率（?F = 52%）的化合物5bb作为模型化合物研究溶剂极性对Stokes位移的影响。溶剂极性从己烷增加到DMSO导致发射带红移44 nm，归因于极性溶剂中激发态的稳定和偶极矩增加。甲醇中与其他极性溶剂相比的明显红移归因于其强氢键相互作用。5bb的量子产率和Stokes位移在非极性非质子溶剂中最大（己烷 > CHCl3 > THF）。
3.2.1.3. 聚集研究：使用ACN–H2O和THF–H2O溶剂混合物研究5bb的聚集行为。在ACN–H2O体系中，水的逐渐加入最初导致荧光强度略有增加（fw = 0–10%），随后观察到典型的聚集导致猝灭（ACQ）效应，发射带红移12 nm（fw = 10–90%）。在THF–H2O体系中，荧光强度在0–20%范围内单调下降，随后观察到ACQ效应，发射带轻微蓝移4 nm（fw = 20–90%）。
3.2.1.4. 酸致变色：化合物5bb表现出可逆的酸致变色行为。随着三氟乙酸（TFA）的逐渐加入，吸收光谱中ICT带在0.1至1当量范围内观察到明显的增色效应和显著的紅移。超过1当量TFA后未检测到进一步明显位移，表明质子化过程饱和。质子化吡啶氮诱导电子结构的显著变化。发射光谱中，加入0.1–0.5当量TFA后荧光强度略有下降，进一步加入TFA（≥1当量）导致显著发射猝灭并伴有轻微蓝移。通过交替加入TFA和三乙胺确认了酸致变色响应的可逆性，五个循环的TFA猝灭和TEA中和显示出ICT带恢复到初始值。静电势（ESP）图揭示吗啉相邻的吡嗪氮原子具有较高电子密度，而吡啶氮和远端吡嗪氮显示较低电子密度，更易质子化。实验观察到的TFA加入后约10 nm蓝移与计算结果一致。固态酸–碱响应行为通过TLC板条暴露于TFA和TEA蒸气得到验证，显示出可逆的固态酸–碱响应行为。
讨论部分总结：本研究合成了多种新型三取代吡啶并[3,4-b]吡嗪荧光团，在吡啶环上具有氮供体，在吡嗪环上具有苯基或噻吩基供体基团，产率高。大多数化合物表现出供体–受体–供体型行为，具有良好的量子产率和合理的蓝至绿光区域发射行为。其发射性质可通过在吡啶并[3,4-b]吡嗪核的C-5、C-7或C-8位引入不同基团/取代基或通过替换芳基/硫芳基部分来进一步调控。吡啶并[3,4-b]吡嗪基分子带隙的变化反映了不同官能团（如N,N-二乙基、吗啉和N-Boc哌嗪）对芳环及其电子跃迁的影响，从而调控带隙以实现更低的带隙和改善的可见光吸收，这在有机光伏和光电探测器等光电应用中具有前景。
