《Materials Chemistry Frontiers》：Thioester-functionalized phenothiazines as environment-sensitive fluorescent probes for albumin binding and PFAS sensingOpen Access
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摘要翻译：通过亚磷酸酯介导的1,3-二硫杂环戊二烯-2-硫酮与3H-吩噻嗪-3-酮之间意外的开环反应，研究人员获得了一类新型的含有三(烷基硫基)烯烃取代基的吩噻嗪-硫代酯荧光团。该反应经由亲核开环机理进行，其中亚磷酸三烷基酯同时充当促进剂和烷基化试剂，这一结论
摘要翻译：通过亚磷酸酯介导的1,3-二硫杂环戊二烯-2-硫酮与3H-吩噻嗪-3-酮之间意外的开环反应，研究人员获得了一类新型的含有三(烷基硫基)烯烃取代基的吩噻嗪-硫代酯荧光团。该反应经由亲核开环机理进行，其中亚磷酸三烷基酯同时充当促进剂和烷基化试剂，这一结论通过系统改变烷基取代基及单晶X射线衍射分析得到证实。所得衍生物表现出显著的溶剂化荧光变色效应，其发射波长从非极性溶剂中的蓝色移至极性介质中的黄绿色，该现象源于由硫代酯受体稳定的分子内电荷转移（ICT）激发态。在二甲亚砜（DMSO）中用叔丁醇钾（tBuOK）对吩噻嗪N–H基团去质子化后，可触发深红区域（560–740 nm）的簇集诱导激基缔合物发射。在这些化合物中，甲硫基取代衍生物5b在磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）中与牛血清白蛋白（BSA）协同结合，并在520 nm处产生开启式荧光响应。分子对接和分子动力学模拟表明，5b被封闭在BSA结构域IIIA和IIIB之间的疏水结合空腔内。5b–BSA组装体进一步作为全氟辛酸（PFOA）荧光开启传感平台，检测限为5.40 μM，为复杂生物基质中多氟和全氟烷基物质（PFAS）的结合与检测提供了一种基于生物大分子的新方法。
论文解读：
一、研究背景与科学问题
吩噻嗪自Paul Ehrlich对亚甲蓝的开创性研究以来，已成为药物化学、材料科学和荧光传感领域应用广泛的分子骨架。其蝶形三环结构兼具氮和硫杂原子，赋予分子结构刚性和强给电子能力，有利于形成分子内电荷转移态、聚集诱导发射等多种光物理过程，因此基于吩噻嗪的给体–受体（D–A）型荧光染料在光电器件和传感领域受到长期关注。二硫杂环戊二烯（DTF）是一类性能优异的有机π电子给体，亚磷酸酯促进的烯化反应是构建其D–A共轭发色团的有效手段。然而，DTF与吩噻嗪酮之间的反应性尚未得到充分研究，尤其缺乏通过该类反应合成硫代酯官能化吩噻嗪衍生物的报道。本研究旨在探索该非常规反应路径，拓展吩噻嗪类荧光探针的结构多样性，并开发其在蛋白质标记和全氟烷基物质（PFAS）检测中的应用潜力。
二、研究内容与结论
研究人员发现，在亚磷酸三乙酯存在下，DTF化合物1与3H-吩噻嗪-3-酮（4）反应并未生成预期的烯化产物，而是通过前所未有的开环路径得到硫代酯桥联的三(烷基硫基)乙烯基取代的吩噻嗪衍生物5a。通过系统改变亚磷酸酯种类及DTF上的烷基硫取代基，研究合成了四个衍生物5a–d。单晶X射线衍射不仅证实了产物的E/Z异构体混合物结构，也明确了反应经历亲核开环、烷基转移及单电子转移还原等关键步骤。该反应为硫代酯功能化吩噻嗪的合成提供了全新路径。光物理研究表明，硫代酯基的引入显著增强了激发态的ICT特征，使化合物表现出强烈的溶剂化荧光变色。在碱性条件下，5b经去质子化后形成阴离子，并通过非共价S?S相互作用聚集为发射深红光的激基缔合物。更重要的是，5b在水性缓冲液中不发射荧光，但与BSA结合后可在520 nm处产生显著的开启式荧光响应，分子对接和动力学模拟揭示了其嵌入BSA结构域IIIA/IIIB间的疏水空腔。基于5b–BSA组装体，研究人员建立了对全氟辛酸（PFOA）的荧光开启传感方法，检测限达5.40 μM。
三、主要技术方法
本研究采用了多种关键技术方法：单晶X射线衍射用于确定产物E/Z构型和晶体堆积特征；密度泛函理论（DFT，ωB97XD/Def2-SVP水平）计算前线分子轨道分布，阐明ICT本质；Lippert–Mataga模型定量评估溶剂化荧光变色程度；三维激发–发射矩阵和飞秒时间相关单光子计数（TCSPC）技术表征激发态弛豫动力学；利用VINA对接和YASARA软件包（AMBER14力场）进行分子动力学（MD）模拟（60 ns，pH 7.4、0.9% NaCl、298.5 K）分析5b-BSA复合物的结合模式。此外，Hill-Langmuir方程用于拟合结合等温线并量化结合常数。
四、主要研究结果
（1）合成与机理研究：通过亚磷酸三甲酯或三乙酯促进DTF与3H-吩噻嗪-3-酮的开环反应合成了4个目标化合物5a–d，产率62–70%。机理研究表明亚磷酸酯既是促进剂又是烷基化试剂，反应经历亲核加成、环化和单电子转移还原步骤。此外，反应中分离出少量副产物2-甲氧基吩噻嗪（7），其形成依赖于DTF的存在。
（2）单晶X射线晶体学：5a的E/Z异构体比例约为3:2，晶体中相互作用以烷基C–H?S接触为主，无显著的π–π堆积；5b的吩噻嗪单元呈浅V形构象。烷硫基的空间体积对固态堆积模式起决定作用。
（3）紫外–可见吸收和荧光性质：化合物5a–d在CH?Cl?中的吸收光谱几乎一致，388 nm处为弱ICT吸收带，280–290 nm区间为吩噻嗪骨架的π→π*跃迁。荧光发射位于514–529 nm，呈现黄绿色。DFT计算表明5b的HOMO与LUMO在空间上分离，赋予其ICT特征。
（4）溶剂化荧光变色行为：5b的发射峰从己烷中的471 nm红移至甲醇中的558 nm，发射颜色从蓝色跨越至亮黄色；而化合物7的溶剂依赖性弱得多，Lippert–Mataga作图证实5b具有较大的激发态偶极矩，ICT特征显著。
（5）激发–发射矩阵与光物理表征：EEM谱揭示了300–320 nm和360–400 nm两个激发通道，发射峰位于约550 nm且不随激发波长变化，符合Kasha规则。DMSO中量子产率为19.6–21.1%，TCSPC显示三指数荧光衰减，表明LE态与CT态之间存在动态平衡。
（6）去质子化诱导的红色荧光：5b在DMSO中用tBuOK滴定，首先发生氢键作用（N–H信号由9.26 ppm移至9.44 ppm），随后完全去质子化并伴随吸收峰红移至556 nm。大过量碱导致阴离子与K?聚集形成激基缔合物，发射覆盖560–740 nm，峰值位于621 nm。DLS证实形成300–600 nm纳米粒子。硫代酯和三(烷基硫基)乙烯基通过S?S相互作用对激基缔合物的形成至关重要。
（7）蛋白质结合与荧光标记：5b在PBS缓冲液中几乎不发光，但向BSA溶液中滴加5b后，520 nm荧光强度逐渐增强并达到饱和，Hill拟合得到K_d = (5.49 ± 0.72) × 10?? M，Hill系数n = 1.909，表明正协同结合。粘度对照实验排除了分子内旋转受限的作用，证实荧光开启源于疏水微环境屏蔽。分子对接显示5b嵌入BSA结构域IIIA和IIIB间的口袋，由LYS A:544和GLY A:401等残基稳定；60 ns MD模拟中RMSD稳定小于1 ?。长链衍生物5d因空间位阻不能完全嵌入疏水腔，未表现出荧光开启。
（8）PFAS传感：5b–BSA复合物在微摩尔浓度PFOA（0–9.57 μM）存在下荧光线性增强，R2 = 0.973，检测限（LoD）为5.40 μM；高浓度PFOA（>0.45 mM）则因竞争性置换5b而荧光淬灭。低浓度下PFOA分子与BSA额外结合而不置换5b，进一步增强屏蔽效应。该平台适用于生物相关浓度范围内PFAS的检测。
五、结论
本工作开发了一条高效的非常规合成路线，通过亚磷酸酯促进的1,3-二硫杂环戊二烯-2-硫酮与3H-吩噻嗪-3-酮开环反应，构建了新型硫代酯及三(烷基硫基)乙烯基功能化吩噻嗪衍生物（5a–d）。晶体学表明烷硫基链的空间体积主导固态几何和C–H?S相互作用。引入的硫代酯–三(烷基硫基)烯烃模块赋予吩噻嗪激发态强烈ICT特征，导致显著的溶剂化荧光变色。具有酸性N–H的5b经叔丁醇钾去质子化后，在DMSO中通过硫–硫非共价作用驱动簇集形成发射红光的激基缔合物（560–740 nm）。甲基硫基衍生物5b因BSA结构域IIIA/IIIB内的有效溶剂屏蔽而作为绿色（520 nm）开启式蛋白标记剂。5b–BSA组装体在微摩尔浓度范围对PFOA具有定量检测能力。将5b–BSA复合物固定于固态基质有望构建自报告型白蛋白传感材料，未来还需在真实环境和生物样本中验证该平台的实用性并扩展至更广泛的PFAS类似物及人血清白蛋白体系。
