高耐水性的ESIPT荧光染料BP(OH)2DCEt：在DMSO-水二元溶剂中的理论研究

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Highly water-tolerant ESIPT fluorophore BP(OH) 2DCEt 2: A theoretical study in DMSO-water binary solvents

　　摘要：激发态分子内质子转移荧光分子因其较大的斯托克斯位移和几乎可忽略的自吸收特性而展现出在荧光探针、生物成像及光电器件领域的广泛应用前景。然而，由于分子内氢键的破坏，大多数此类分子在水环境中容易发生荧光猝灭，这极大地限制了它们的实际应用。本文系统研究了高性能的ESDPT荧光分子——二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯（BP(OH)2DCEt2）。通过结合DFT和TDDFT方法以及IEFPCM隐式溶剂模型，研究了该分子在含水量为0%至90%的DMSO-水混合溶剂中的S0态和S1态性质。理论计算表明，3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯的两个等价的分子内O-H···N氢键在S1态下得到强化，从而为质子转移提供了驱动力。在所研究的广泛含水量范围内，该分子的所有几何结构和电子结构参数均保持高度稳定。ESDPT反应遵循逐步机制，初始质子转移步骤的能量障碍极低（<0.4 kcal/mol），几乎可瞬间完成，这一特点确保了ESIPT过程的高效率。此外，随着含水量的增加，所有质子转移途径的能量障碍均呈现下降趋势，这对反应动力学有轻微的促进作用。本研究系统阐明了3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯具有优异耐水性的内在机制，为其在水环境中的实际应用提供了坚实的理论基础。

引言：激发态分子内质子转移是一种普遍存在于具有分子内氢键的有机荧光团中的光物理现象。在光激发作用下，质子通过预先存在的分子内氢键从质子供体转移到质子受体。[1]随后，通过辐射失活，激发态分子返回基态，并伴随具有显著斯托克斯位移的荧光发射。[2],[3]由于形成了四级光循环，具有ESIPT活性的荧光团的激发态光物理特性与普通荧光染料有本质区别。[4]由于较大的斯托克斯位移能够降低吸收与发射光谱的重叠，具有ESIPT活性的发光体在聚集或固态条件下能够显著抑制自吸收和浓度诱导的自我猝灭，从而克服了传统有机染料普遍存在的因聚集而导致的猝灭问题。[5],[6]这些独特的光物理特性使得ESIPT荧光团在荧光探针、生物成像、化学传感及光电器件等领域具有广阔的应用前景。[7],[8],[9]

近年来，关于水环境中的ESIPT荧光团的研究引起了广泛关注。[10],[11],[12]水不仅是生物系统中最普遍的溶剂环境，也是化学传感和生物成像等实际应用中的重要介质。[13],[14]对于ESIPT荧光团而言，水环境会破坏其分子内的氢键网络。[15],[16]通常情况下，大多数ESIPT染料在水中的荧光量子产率较低，甚至完全失去发光能力。[17]因此，设计并合成能够在水溶液中保持高荧光效率的ESIPT荧光团，以及深入研究它们在水中的光物理行为，对于拓展ESIPT染料在生理传感和生物成像领域的应用具有重要意义。

2,2′-联吡啶-3,3′-二醇（BP(OH)2）是众多ESIPT体系中最典型的对称双ESIPT荧光团之一。[18],[19]该分子由羟基和吡啶氮原子构成两个相同的六元分子内氢键环。由于其独特的对称结构、双重质子转移动力学特性以及显著的溶剂依赖性行为，2,2′-联吡啶-3,3′-二醇体系长期以来一直备受实验和理论研究的重视。与许多基于传统HBT的单ESIPT体系不同，2,2′-联吡啶-3,3′-二醇在甲醇和乙醇等质子性溶剂中仍能保持较高的荧光量子产率（在甲醇中约为10%，在乙醇中约为18%）。[20],[21]然而，在水中该体系的量子产率仅约为4%，无法满足水环境生物成像的应用要求。为克服这一局限，研究人员通过结构功能化手段探索提升2,2′-联吡啶-3,3′-二醇骨架荧光效率的有效策略。2021年，Trannoy及其同事报道了一种新合成的衍生物——二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯（BP(OH)2DCEt2）。[22]光物理特性分析表明，该衍生物保留了2,2′-联吡啶-3,3′-二醇原有的高效双ESIPT特性，其在甲醇等多种质子性介质中的量子产率可提升至40%–75%。即便在3% DMSO的水溶液中，二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯的荧光量子产率仍可达29%，而Na2BP(OH)2DC在纯水中的量子产率更是高达51%。此外，它在晶体固态以及制备的OLED器件中也表现出良好的发光性能。这些研究结果证明，二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯是一种出色的ESIPT荧光团，既能在溶液中实现高效发光，又能在固态下展现高亮度发光性能。

值得注意的是，选择这种特定的二乙基羧酸酯衍生物作为研究目标具有重要的合理性，可从五个方面加以阐述。首先，未经修饰的母体2,2′-联吡啶-3,3′-二醇在水环境中会遭受严重的荧光猝灭，其在纯水中的荧光量子产率仅为4%，这严重限制了其在生物成像和水环境传感系统中的应用。酯基修饰是一种针对性的结构优化策略，可用于克服这一致命缺陷。其次，二乙基酯基位于联吡啶主链的5,5′位置，从而保持了核心的双ESIPT活性结构，包括两个等价的分子内O–H···N氢键六元环、提供质子的羟基以及能够接受质子的吡啶氮原子。具有极低初始能量障碍的逐步双质子转移路径得以完整保留，且不会削弱激发态质子转移的驱动力。第三，与易受水影响而导致分子内氢键断裂的母体分子相比，二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯在DMSO-水混合溶剂中含水量从0%到90%的范围内都具有极高的结构与电子稳定性。分子内氢键的几何参数、前线轨道能量、静电势分布以及氢键强度指标在含水量增加时几乎不会发生变化。相反，较高的含水量还会略微增强分子内氢键强度，并降低所有ESIPT相关的能量障碍，从而抵消了未经修饰的2,2′-联吡啶-3,3′-二醇所表现出的水猝灭效应。第四，二乙基酯侧链具有多种功能性优势。它们能够平衡亲脂性和亲水性，确保在广泛的溶剂梯度中都能稳定溶解；同时还能通过适当的空间位阻来减少因聚集而导致的猝灭现象；此外，它们还有助于实现明亮的固态发光以及高性能的OLED制备，从而将这类荧光团的应用范围拓展到水环境荧光探针之外。最后但同样重要的是，现有的理论研究大多集中在原始的2,2′-联吡啶-3,3′-二醇的光物理行为上，而针对二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯在渐变DMSO-水混合溶剂中的溶剂依赖型ESIPT动态行为的系统研究至今还完全缺失。我们的理论计算填补了这一重要研究空白，为开发耐水且高效的高性能ESIPT荧光团提供了通用的分子设计指导原则。

此外，还需要强调的是，溶剂环境会显著影响2,2′-联吡啶-3,3′-二醇的光物理行为。Rurack及其同事早先进行的系统研究已经描述了该分子在非极性、极性非质子性和质子性溶剂中的光物理特性。[20],[21],[23]Mandal团队则进一步以2,2′-联吡啶-3,3′-二醇作为对周围微环境敏感的ESIPT双质子转移探针，对其在混合溶剂中的独特光物理行为进行了详细研究，尤其关注了DMSO和水这两种溶剂。[24],[25]DMSO-水混合溶剂是一种有趣且复杂的氢键体系。DMSO的加入能够有效调节水分子的氢键形成能力，进而改变溶剂与溶质之间的相互作用。2,2′-联吡啶-3,3′-二醇在较低的DMSO摩尔分数下能够获得最高的量子产率和荧光寿命，这一现象可以通过介质中成对分子的疏水性增强来解释。上述观察结果表明，通过调整溶剂比例，DMSO-水混合溶剂能够调控ESIPT荧光团所处的环境。

迄今为止，大多数研究都集中在2,2′-联吡啶-3,3′-二醇上，而关于二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯在DMSO-水混合溶剂中的溶剂依赖型ESIPT动态行为的研究仍然尚未开展。与2,2′-联吡啶-3,3′-二醇相比，二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯中的酯基会改变其电子结构并调控分子间相互作用。探究这种结构变化如何与可调控的溶剂组成相互作用并影响ESIPT过程，是一个兼具基础研究价值和应用意义的课题。

因此，本研究中选择了含水量在0%到90%之间的DMSO-水混合溶剂，用于优化二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯的基态和激发态几何结构。相关的几何结构优化结果以及氢键的几何参数分别总结于图1和表1中。在优化结构的基础上，结合Multiwfn程序和VMD软件，进一步生成了静电势图（图2）、相互作用区域指示图（图3）以及空穴-电子等值面图（图5）。[26],[27],[28],[29],[30],[31]同时，通过Multiwfn程序还提取了诸如电子局域函数参数、核-价层分叉指数以及与空穴-电子相关的各类指标，这些数据分别列于表2和表3中。图4则展示了计算得到的红外振动光谱，用以验证不同溶剂环境中S0态和S1态下氢键强度的变化情况。表4列出了垂直激发能量、振子强度以及跃迁组分的信息，而图6则显示了分子的前线分子轨道（HOMO和LUMO）。为了阐明激发态质子转移的机制，我们还绘制了S?态势能面的二维投影图（图7），以及四种溶剂对应的S0态和S1态势能面图（图8）。此外，表5总结了所有转移途径（逐步或协同）的能量障碍。图9则展示了吸收光谱和发射光谱，用于说明不同含水量下的DMSO-水混合溶剂对荧光波长的影响。

理论方法：所有的理论量子化学计算都是使用Gaussian 16软件完成的。[32]我们采用了密度泛函理论（DFT），并选用B3LYP函数和TZVP基组，用于优化二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯的基态几何结构。[33],[34],[35],[36]为考虑溶剂效应，针对DMSO-水混合溶剂，我们使用了积分方程形式主义极化连续模型（IEFPCM），这是一种基于PCM溶剂化模型的改进版本。[37]

几何结构：表1列出了二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯在S0态和S1态下两对等价分子内氢键（O1-H2···N3和O4-H5···N6）的键长和键角信息。质子转移互变异构体的几何参数则分别列于表S2和表S3中。这些分子几何结构是通过在含水量为0%到90%的DMSO-水混合溶剂中进行无约束优化得到的。

根据结论部分的内容：通过理论计算，本研究系统揭示了酯基修饰后的ESDPT荧光分子——二乙基3,3′-二羟基-[2,2′-联吡啶]-5,5′-二羧酸酯在DMSO-水混合溶剂中的光物理行为以及激发态质子转移机制。研究表明，该分子的两个对称氢键在S1态下会得到强化，这一结论可通过关键几何结构的系统性变化得到证实。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：12234013）、辽宁省自然科学基金（项目编号：2025-BS-0785）、辽宁省教育厅项目（项目编号：LJ212410166034）、沈阳市青年科技创新人才扶持计划（项目编号：RC230960）、沈阳师范大学重大培育项目（项目编号：ZD202304）以及教育教学相关项目的支持。