基于吡咯的D-π-A型荧光团及其受体依赖的聚集增强发射：光物理与计算研究

《Results in Chemistry》：Pyrrole-based D-π-a fluorophores with acceptor-dependent aggregation enhanced emission: Photophysical and computational insights

　　

摘要
研究人员根据已报道的方案（Begüm Y?lmaz等，2025a；Helmy等，2014a；Ajayan等，2023；Sarma等，2021a [1],[2],[3],[4]），以吡咯-2-甲醛与活性亚甲基受体梅尔德伦酸（MAPC）和1,3-二甲基巴比妥酸（BAPC）为原料合成了两种吡咯衍生的杂芳基idene供体-π-受体（D-π-A）荧光团，并对其光物理性质进行了详细研究。两种化合物在溶液中均表现为弱发射，但在固态下分别呈现强烈的蓝色（MAPC，455 nm）和绿色（BAPC，529 nm）荧光，这与聚集增强发射（aggregation-enhanced emission, AEE）行为一致。研究人员进行了理论计算以阐明受体部分在该过程中的作用。结果表明，聚集影响了这些基于吡咯的D-π-A荧光团中的电荷转移特性和固态发射。对低能聚集体的DFT和TD-DFT计算，结合固有片段电荷转移（intrinsic fragment charge-transfer, IFCT）分析揭示，MAPC聚集体以局域激发（local excitation, LE）为主并伴有适度的短程电荷转移，而BAPC聚集体则表现出更强的分子间电荷转移。BAPC中增强的电荷转移贡献与其更红移且更明亮的固态发射相关联。初步荧光显微镜研究进一步表明，BAPC具有细胞通透性，并在HeLa细胞中保持荧光，表明其在生物成像应用中具有潜力。

基于吡咯的D-π-A荧光团：聚集增强发射的受体依赖性调控

**1. 研究背景与科学问题**

供体-受体（donor-acceptor, D-A）型荧光团因其在生物成像、生物传感和光电子学等领域的广泛应用而受到广泛关注。这类“推-拉”型分子的核心结构特征在于，富电子的供体部分通过π-共轭连接基与缺电子的受体部分相连。其中，供体通常为含氮杂环如吡咯、吲哚和咪唑，而受体则可为硝基或氯代芳烃以及活性亚甲基化合物等。此类荧光团的一个关键优势在于可通过修饰供体单元、受体部分或π连接基，将其发射波长从紫外-可见光区调控至近红外区。然而，传统有机荧光团在聚集状态下常因分子间相互作用导致荧光猝灭，即聚集诱导猝灭（aggregation-caused quenching, ACQ）效应，严重限制了其在固态光电器件和生物医学领域的应用。与此相反，聚集诱导发射（aggregation-induced emission, AIE）或聚集增强发射（AEE）材料在聚集态下呈现增强的荧光，为克服上述问题提供了有效途径。尽管已有研究报道了多种AIE体系，但关于不同受体单元如何精确调控吡咯基D-π-A体系的电荷转移特性与聚集行为，进而影响其固态发射性能的机理尚缺乏系统认识。因此，本研究旨在通过设计合成具有不同受体单元的吡咯基杂芳基idene衍生物，结合实验与理论计算手段，深入探讨受体依赖的聚集增强发射机制及构效关系。

**2. 研究内容与技术方法概述**

研究人员通过Knoevenagel缩合反应，以吡咯-2-甲醛分别与梅尔德伦酸和1,3-二甲基巴比妥酸反应，合成了两种D-π-A型吡咯基杂芳基idene化合物MAPC和BAPC。采用核磁共振波谱、质谱和单晶X射线衍射（single-crystal X-ray diffraction, SCXRD）对产物进行了结构表征。在光物理性质研究方面，利用紫外-可见吸收光谱、稳态荧光光谱、时间分辨荧光寿命（time-correlated single photon counting, TCSPC）以及绝对量子产率测定等手段，系统考察了两种化合物在不同极性溶剂及固态薄膜中的光谱行为。此外，通过变水含量聚集实验验证了其AEE特性。在理论计算方面，采用CREST/GFN2-xTB方法搜索低能聚集体构象，进而利用ORCA软件包中的B3LYP-D4/def2-TZVP方法进行几何优化，并在def2-TZVPP基组水平上开展含时密度泛函理论（time-dependent density functional theory, TD-DFT）计算，结合Multiwfn程序进行固有片段电荷转移（IFCT）分析。体外细胞实验采用HeLa宫颈癌细胞系（ATCC），通过MTT法评估BAPC的细胞毒性，并利用荧光显微镜观察其细胞摄取与成像能力。

**3. 研究结果与讨论**

**3.1 单晶X射线衍射分析（Single crystal X-ray diffraction analysis）**

SCXRD分析表明，BAPC晶体属于单斜晶系P2₁/c空间群，晶胞参数a = 13.2453(9) ?, b = 13.4934(9) ?, c = 6.0646(3) ?, β = 95.014(2)°。晶体堆积分析显示，BAPC分子以人字形（Herringbone）排列方式堆积，通过边对面（edge-to-face）几何构型相互作用，其二面角为69.69°，质心距离为10.234 ?。该晶体数据已存入剑桥晶体学数据中心（CCDC 2403901）。相比之下，MAPC结晶于三斜晶系P-1空间群，其相邻分子呈现显著滑移的头尾（head-to-tail）排列方式。质心间距离分别为9.09 ?和10.11 ?，对应的面间距为5.61 ?和6.2 ?，表明共面π-重叠有限。几何滑移角（θ）为38.10°，该堆积方式与J型聚集体几何构型相一致。晶体结构分析揭示了两种化合物截然不同的分子堆积模式，为理解其固态发射行为奠定了结构基础。

**3.2 光物理性质（Photophysical properties）**

在固态紫外光照射下，BAPC呈现亮绿色荧光，而MAPC呈现亮蓝色荧光。溶液态光谱研究表明，BAPC在不同极性溶剂中的吸收峰位（λ_max）稳定在407–410 nm范围内，表明溶剂极性对其基态Franck-Condon构象影响甚微；然而，其发射光谱对微环境影响显著。在四氢呋喃中，BAPC于438 nm处呈现尖锐的窄发射带（Stokes位移31 nm）；在甲醇中，局域激发态发射（436 nm）减弱，同时出现红移至525 nm的宽发射带，Stokes位移增大至118 nm；而在高极性非质子溶剂二甲基亚砜中，发射又恢复为442 nm处的尖锐局域发射带。MAPC在不同溶剂中的吸收峰位位于392–395 nm，发射呈现425–440 nm的单一窄带，表明其光谱对溶剂极性不敏感。在固态薄膜状态下，BAPC的主吸收峰蓝移约17 nm至390 nm，发射峰位于529 nm，色度坐标分析（CIE 1976）确认其为绿色发射；MAPC薄膜的吸收光谱分裂为330 nm和398 nm两个峰，发射峰红移至456 nm，呈现亮蓝色发射。绝对量子产率测定结果显示，BAPC的量子产率为0.64，MAPC为0.50。上述结果表明，两种化合物均表现出聚集增强发射特性，但BAPC因具有更大的Stokes位移和更红移的发射波长而表现出更显著的激发态稳定化。

**3.3 激发态动力学（Excited state dynamics）**

时间分辨荧光衰减测量揭示了两种化合物在固态与溶液态下的显著动力学差异。BAPC在薄膜态呈现三指数衰减，寿命组分为τ₁ = 1.4238 ns、τ₂ = 2.3484 ns、τ₃ = 0.2889 ns，平均寿命为1.188 ns；在甲醇溶液中平均寿命骤降至0.0173 ns。类似地，MAPC薄膜的平均寿命为1.1925 ns，而在甲醇溶液中仅为0.0228 ns。两种化合物在固态下显著延长的荧光寿命表明，分子聚集有效稳定了激发态并抑制了非辐射弛豫过程，这与其AEE行为高度一致。

**3.4 聚集增强发射研究（Aggregation enhanced emission studies）**

通过向甲醇溶液中逐渐增加水含量（不良溶剂）来诱导聚集，研究发现BAPC的发射强度在水含量增至50%之前持续增强，随后因聚集模式改变而出现发射强度下降；MAPC则在水含量从10%增至90%的整个过程中均表现为发射强度持续增强。两种化合物均确认表现出聚集增强发射现象，但最优聚集条件存在差异。

**3.5 溶液及受限态下BAPC和MAPC聚集体的光物理性质计算研究（Computational insights into the photophysical properties of BAPC and MAPC aggregates in solution and constrained state）**

TD-DFT计算表明，MAPC单体在390–400 nm范围内无明显强吸收跃迁，而其二聚体H-聚集体在该区域出现光学允许的S₀→S₂跃迁（391.7 nm）。实空间分析显示该激发以局域激发主导，空穴-电子重叠度高达74%，激子结合能E_coul = 4.51 eV。然而，基于分子内片段划分的IFCT分析却揭示了不可忽视的固有电荷转移贡献，即从吡咯-2-甲醛片段指向梅尔德伦酸片段的ICT占比为46.09%，表明该激发具有混合LE/ICT的π-π*跃迁特征。对BAPC而言，其三聚体在406.0 nm处出现光学明亮的S₀→S₄跃迁。与MAPC不同，BAPC三聚体中三个分子参与激发的方式并不相同：空穴密度分布在反平行排列的两个分子上，而电子密度则形成于平行排列的分子对上。该体系激发态的空穴-电子重叠度降至46%，激子结合能降至3.20 eV，且沿CT方向出现正的空间分离（t = 1.22 ?）。更重要的是，分子间IFCT分析显示BAPC三聚体具有高达78.19%的分子间CT贡献，其中frag-3主要作为空穴供体，frag-1作为电子受体，frag-2则扮演桥梁角色。这一计算结果明确揭示了两种化合物在聚集状态下的本质区别：MAPC聚集体以LE为主并伴有适度的短程CT，而BAPC聚集体则表现出由平面性促进的延伸聚集所引发的主导性分子间CT。这种差异与其固态光谱行为高度吻合——更强的CT贡献导致了BAPC更红移且更明亮的固态发射。此外，对晶体结构衍生聚集体的计算进一步证实，MAPC的滑移J-型堆积有效避免了过渡偶极相消，同时通过晶体刚性格架限制分子内运动（restriction of intramolecular motion, RIM），保留了辐射弛豫通道；BAPC的人字形堆积则通过边对面相互作用破坏连续的面面π-π堆积，抑制了H-聚集体的形成，并在晶格中提供了局部自由体积，允许显著的激发态几何弛豫和电子稳定化，从而产生大Stokes位移的绿色发射。

**3.6 细胞毒性与活细胞成像（Cytotoxicity and live cell imaging）**

MTT实验结果显示，BAPC在5–20 μM浓度范围内处理HeLa细胞24小时后，细胞存活率分别为96%、94%、93%和92%，表现出优异的细胞相容性。荧光显微镜成像表明，2 μM BAPC孵育30分钟即可使HeLa细胞呈现清晰可辨的绿色荧光，证实该化合物具有良好的细胞通透性和光稳定性。相比之下，MAPC处理的细胞未检测到明显荧光。该结果初步证实了BAPC在生物成像应用中的潜力。

**4. 讨论与结论总结**

本研究通过系统的实验表征与理论计算，阐明了吡咯基D-π-A荧光团的聚集增强发射机制。研究结果表明，溶液态下MAPC和BAPC均趋向于形成由π-π堆积驱动的热力学稳定的面对面H-聚集体，该堆积模式导致激子耦合使S₁态过渡偶极矩完全相消，变为光学暗态，从而引发经典ACQ效应。然而，在晶体状态下，MAPC的滑移J-型堆积与人字形堆积的BAPC均有效避免了对称性禁阻的激子耦合，同时通过晶体刚化作用限制分子内运动，开启辐射弛豫通道，实现AEE。理论计算进一步揭示，BAPC因具有更优异的分子平面性和更强的受体单元（1,3-二甲基巴比妥酸），其在聚集体中展现出更强的分子间电荷转移特性，这与实验观察到的更红移、更明亮的固态发射密切关联。

论文发表于《Results in Chemistry》。该研究不仅从分子堆积、激子耦合和电荷转移的多维度视角深入揭示了受体结构对聚集增强发射的调控机制，也为设计高性能固态发光材料提供了明确的理论指导。此外，BAPC优异的细胞相容性和活细胞成像能力，使其有望发展为新型生物成像探针。