合理设计葫芦[7]脲的硼二吡咯甲烷（BODIPY）

我们在此介绍硼二吡咯甲烷（BODIPY）染料作为一类新的荧光团，用于设计用葫芦[7]脲（CB7）形成超分子主 - 客体络合物的报告染料。BODIPY在BODIPY发色团的中间位置含有可质子化的苯胺氮，其用已知的CB7结合基序官能化。未质子化染料由于光诱导电子转移（PET）而显示出低荧光，而质子化染料是高度荧光的。CB7内部的结合基序的包封将苯胺氮定位于CB7的羰基边缘，这影响p K a值，并且导致宿主诱导的质子化并因此导致荧光增加。调整结合亲和力和p K a的可能性证明了这些值，结果表明，结合BODIPYs的有益光物理特性，可以实现宿主 - 染料报道分子对的几种新应用。这包括在可见光谱区域中具有有利吸收和发射波长的指示剂置换测定，荧光相关光谱法和用荧光团的非共价表面官能化。

关键词： BODIPY; 葫芦; 荧光; pH值; 光诱导电子转移; 超分子化学

葫芦[ n ]脲（CBn，n = 5-8,10 和14）是一类大环主体分子，它们是水溶性的，无毒的，并且能够在其内腔中结合多种中性和阳离子客体。具有高亲和力[1-4]。这种独特的性质组合使得生命科学中的许多应用成为可能，例如蛋白质结合[5,6]，稳定[7]，固定化[8]，隔离[9]，自组装[10,11]，和调节[12]，或药物溶解和递送[13-15]。

CB与荧光染料的组合通过指示剂位移原理直接实现（生物）传感应用[16,17]。其中，当被宿主包封时，染料的荧光性质发生改变，并且当竞争性粘合剂从腔中置换染料时，未包封的染料的性质再生。例如，该原理可以实现酶活性的实时监测[18-20]，膜转运活性的检测[21]和膜融合[22]，甚至细胞成像似乎也是未来的潜在前景[ [23,24]。

然而，到目前为止报道的大环主体和染料的大多数组合[16]仅限于目前正在出现的CB的生命科学应用。许多与具有显着荧光变化的CB结合的荧光染料具有有限的光稳定性，特别是在共聚焦激光扫描显微镜下的强激光照射下[23,25]，或者在较短波长下吸收，其中生物样品显示高背景。自发荧光[26,27]。理想的荧光染料在生物介质中具有高度光稳定性，具有长波吸收以最小化来自生物样品的背景荧光，并且在结合或未结合状态下具有高荧光量子产率，两者之间的荧光强度差异很大。此外，需要可调节的疏水性以使染料-CB复合膜可渗透或不渗透，并且需要对大环的可调谐亲和力。

一种可能性是使用具有外腔附着荧光染料的单官能化CB [22,24]。这主要允许各种Förster共振能量转移（FRET）对的模块化构建，如Cy3附着的CB7或自包含复合物的设计所证明的，其中外腔附着的罗丹明在CB7腔内分子内结合。作为替代方案，先前已经提出，空穴结合功能部分（“锚定基团”）和适当连接的质子化敏感荧光染料的宿主辅助质子化产生了对CB染料对的合理和模块化方法[25] ]。该策略先前已应用于咔唑，氨基萘磺酸盐和氨基芘作为荧光染料[25-28]。

在这里，我们系统地探索硼 - 二吡咯甲烷（BODIPYs）与中间位置的苯胺取代基作为荧光染料在这种类型的锚定方法中的效用（图1）。BODIPYs是一类荧光染料，特别适用于医学成像，以及生物学，生物化学及相关领域的荧光标记[29,30]。它们的特征在于窄的吸收和荧光发射带，具有小的斯托克斯位移，高摩尔吸收系数和高量子产率。它们的激发和发射最大值在可见区域，通常高于470nm，并且它们在各种条件下，特别是在生理条件下显示出高的热稳定性和光化学稳定性。尽管大多数BODIPY对pH变化不敏感，但已经报道了用于癌症成像的pH可激活光学探针，其中BODIPY核心的中间位置中的苯胺取代基通过光诱导电子转移（PET）导致有效的荧光猝灭，而质子化形式明亮的荧光[31]。我们在此报道了BODIPY衍生物的合成和光物理表征，其中苯并取代基位于不同锚定基团的中间位置，并且我们研究了它们与CB7的络合行为。目的是探索这种方法的适用性，用不同锚定基团微调结合常数的可能性，并提供具有不同吸收和发射波长的BODIPY以及苯胺取代基的p K a值。

合成

在本文中，探索了各种途径来合成具有锚定基团以结合CB7的所需BODIPY染料（方案1）。1是由烷基化得到的p与苄基溴，并用2,4-二甲基吡咯通过在酸性条件（路线A）下缩合，得到BODIPY染料所获得的4-（苄基氨基）苯甲醛的后续反应-aminobenzaldehyde [32,33] 。由于通过途径A 获得2的所有努力都没有成功，即使在具有各种碱的高沸点的非质子溶剂中使用Finkelstein条件[34,35]，BDP-NH 2也是根据报道的文献程序[32]合成的。然后，使用三乙酰氧基硼氢化钠作为温和还原剂，通过用相应的醛还原胺化，转化成所需的BODIPY锚定染料（路线B）[36]。还通过使BDP-NH 2与4- [ N-（叔丁氧基羰基）]氨基-1-丁醛[37]反应，然后用TFA进行Boc脱保护，通过还原胺化合成3。根据已建立的合成方法[38]，通过母体内消旋 -五氟苄基-BODIPY BDP-F 5与氨基甲基环己烷（路线C）的取代反应制备4;。为了制备氨基甲基金刚烷衍生物5，进行通过溴苯基-BODIPY BDP-Br然后进行Buchwald-Hartwig偶联的途径。对于后者，成功利用了先前公布的含Pd / XPhos催化体系（路线D）[39]。