抑制给体-受体分子极性环境中淬灭过程的简便化学修饰策略

虽然给体-受体分子（DA分子）在多个领域有广泛应用，可是在极性环境下的淬灭过程让这类分子在很多以光化学为代表的实际应用中受到局限。导致淬灭的主要机理包括分子内转换（IC）、聚集引致淬灭（ACQ）、分子间氢键、分子内扭转电荷转移（TICT）和分子与溶剂间的电荷转移（EC）。近年来，抑制DA分子激发态淬灭是一个活跃的研究领域。以氮杂环为电子给体的DA分子，这类分子主要通过抑制TICT来提高量子产率。另外，以环己醇为基地的电子给体也可以通过抑制EC来提高量子产率。可是同时抑制TICT和EC的化学方法还鲜有报道。由于TICT和EC是两个相对独立的淬灭机理，它们的同时抑制会对更有效提升DA分子激发态的性能。

美国宾州州立大学张鑫教授和华盛顿大学李晓松教授团队首次报道一种简单和通用的化学修饰来抑制给体-受体分子在极性环境中的淬灭机理。通过在给体基团上添加羧基修饰（名为β-carbonyl），他们发现经典的DA分子NBD在极性环境中的荧光量子产率得到高达20倍的提升。通过对naphthalimide、coumarin、PRODAN的研究，发现β-carbonyl对于多种DA分子在极性溶剂中的量子产率都有不同程度的提升。通过实验与理论的结合，文章揭示了β-carbonyl作用的机制并且实现了对分子量子产率的调控。首先，β-carbonyl对于TICT有抑制作用。TD-DFT计算表明，带有β-carbonyl的分子在激发态的转动势垒高度是没有β-carbonyl分子的2.5倍。偶极矩的计算表明，这种势垒高度的差异是因为β-carbonyl的吸电子特性对分子内电荷转移的抑制。其次，β-carbonyl有效抑制EC。通过结构和理论分析，文章揭示了极性溶剂和β-carbonyl可以形成分子间氢键。由于β-carbonyl和氮给电子基团位置接近（2.7埃），与β-carbonyl形成氢键的极性溶剂就无法与氮原子形成偶极相互作用去淬灭DA分子激发态。由此可见，β-carbonyl是利用极性来抑制TICT和EC。基于这一理论基础，文章进一步通过对β-carbonyl的极性调控而实现了对荧光量子产率的调控。最终，文章将β-carbonyl应用于活体细胞生物成像，通过商业化的HaloTag技术取得了亮度更高的荧光图像。文末，作者提到未来的工作可以进一步扩展化学空间，将修饰DA分子的β-carbonyl拓展到其他极性基团，最终将生物成像的应用拓展到光催化和其余光化学领域。

这一研究成果近期以Hot Paper的形式发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是宾州州立大学Conner A. Hoelzel（实验工作），第二作者是华盛顿大学Hang Hu（理论工作）。文章的通讯作者是宾州州立大学张鑫教授和华盛顿大学李晓松教授。

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A General Strategy to Enhance Donor‐Acceptor Molecules Using Solvent‐Excluding Substituents

Conner A. Hoelzel, Hang Hu, Charles H. Wolstenholme, Basel A. Karim, Kyle T. Munson, Kwan Ho Jung, Han Zhang, Yu Liu, Hemant P. Yennawar, John B. Asbury, Xiaosong Li, Xin Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 4785-4792, DOI: 10.1002/anie.201915744

张鑫教授简介

张鑫，美国宾州州立大学化学系和生物化学与分子生物学系助理教授。2001年本科毕业于中国科学技术大学；2004年硕士毕业于中科院大连化物所；2010年获加州理工学院博士学位，随后进入Scripps研究所做博士后研究；2015年8月加入宾州州立大学。张鑫课题组进行蛋白质折叠，聚集和相分离的化学生物学研究。他获得的主要奖项包括Helen Hay Whitney Fellowship Award，American Chemical Society Nobel Laureate Signature Award，Burroughs-Wellcome Fund Career Award at the Scientific Interface，Sloan Research Fellowship，Scialog Fellowship，Pew Biomedical Scholarship，NIH MIRA，NSF CAREER Award。

李晓松教授简介

李晓松，美国华盛顿大学化学系Harry and Catherin Jaynne Boand Edowned讲席教授。1999年本科毕业于中国科学技术大学；2003年获Wayne State University博士学位，随后进入耶鲁大学化学系做博士后研究；2005年加入华盛顿大学；2011年升为副教授；2015年升为教授。李晓松课题组发展新一代含时相对论和非相对论电子结构理论，并且应用于能量转化，光催化和超快动力学的激发态结构研究。他获得的主要奖项包括Sloan Research Fellowship， NSF CAREER Award，ACS Open-Eye Outstanding Junior Faculty Award。