李凱文,談春霞
(甘肅省中藥質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730000)
具有π共軛體系的3,4,9,10-苝四羧酸二酰亞胺(perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic imide,PDI)是結(jié)構(gòu)很好修飾的熒光性染料分子,也是較好的n型有機(jī)半導(dǎo)體分子[1]。苝環(huán)結(jié)構(gòu)中同時(shí)具有π共軛體系和吸電子性質(zhì)的酰胺基團(tuán),因此整個(gè)體系具有電子給體-電子受體特征。
基于PDI結(jié)構(gòu)的衍生物及其低聚物通常被報(bào)道可以在溶液中自組裝成有序的超分子納米結(jié)構(gòu),形成有序的超分子聚集體。關(guān)于一些小分子苝酰亞胺衍生物利用自組裝的方式成功構(gòu)筑功能納米結(jié)構(gòu)已被廣泛報(bào)道[2]。研究表明,由于具有特定結(jié)構(gòu)的PDI[3-4]在測(cè)試環(huán)境中容易產(chǎn)生聚集體,PDI衍生物分子通常會(huì)以納米級(jí)超分子結(jié)構(gòu)的形式存在于水溶液中(圖1)。另外,還發(fā)現(xiàn)PDI探針在較低的濃度下具有細(xì)胞滲透性[5],在細(xì)胞生物醫(yī)學(xué)中具有潛在的應(yīng)用。然而,在分子探針設(shè)計(jì)中,水溶性仍然被認(rèn)為是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo),這使得合成新型高度水溶性的有機(jī)探針具有重大的科學(xué)意義。本文從PDI自組裝形貌、熒光性質(zhì)及其生物學(xué)等方面對(duì)具有特殊結(jié)構(gòu)的PDI小分子衍生物進(jìn)行了選擇性地總結(jié)和歸納。
圖1 N-取代苝酰亞胺衍生物結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Scheme of the structure of N-perylene imide derivatives
苝酰亞胺及其衍生物作為典型的稠環(huán)芳香分子,分子之間存在較強(qiáng)π-π的相互作用。并且通過(guò)引入不同的官能團(tuán)對(duì)苝酰亞胺分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾,就可以很好地協(xié)調(diào)各種非共價(jià)鍵作用力,包括氫鍵、π-π相互作用、配位鍵、親水/疏水作用、靜電作用力、范德華力等,獲得結(jié)構(gòu)和功能較好的超分子組裝材料[6]。PDI官能化的衍生物在溶液中可以很容易地自組裝成超分子納米結(jié)構(gòu)。在不同自組裝條件下,聚集體形貌有所不同。自組裝過(guò)程和聚集體的形貌與衍生物的側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)、測(cè)試溶劑、溶液的pH等因素有關(guān)。
通過(guò)各種光譜技術(shù)收集的結(jié)果顯示所考察的苝酰亞胺衍生物的側(cè)鏈取代基對(duì)其結(jié)構(gòu)形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)有影響。如圖2所示,化合物1(DP-PDI),結(jié)構(gòu)中具有短的線性側(cè)鏈取代基均表現(xiàn)出在有機(jī)溶劑(乙腈、己烷和甲醇)中聚集的趨勢(shì),并且由于疏水性而形成一維(1D)自組裝(納米線),線性側(cè)鏈之間的相互作用與苝酐平面之間的π-π相互作用高度協(xié)作。在化合物2(DT-PDI),具有長(zhǎng)的線性側(cè)鏈取代基的情況下,觀察到相似的聚集行為,并形成塊狀聚集體。與線性鏈取代基相反,化合物3(DH-PDI)(具有分支的側(cè)鏈)則形成了零維(0D)自組裝(納米球),這是由于分支鏈的空間位阻而無(wú)法沿一個(gè)方向生長(zhǎng)[7]。
圖2 化合物1,2,3結(jié)構(gòu)示意圖及掃描電鏡照片(a) DP-PDI自組裝環(huán)境:化合物1的氯仿溶液注入到過(guò)量的乙醇溶劑中 (b) DT-PDI自組裝環(huán)境:化合物2的氯仿溶液注入到過(guò)量的乙醇溶劑中(c) DH-PDI 自組裝環(huán)境:化合物3的氯仿溶液注入到水/甲醇(體積比 35/65)混合溶液中 (d) DH-PDI放大倍數(shù)的圖片F(xiàn)ig. 2 Scheme of compounds 1, 2, 3 and scanning electron micrographs (a) DP-PDI self-assembly: the chloroform solution of 1 was injected into an excess of ethanol solvent; (b) DT-PDI self-assembly: the chloroform solution of 2 was injected into the excess ethanol solvent; (c) DH-PDI self-assembly: the chloroform solution of 3 was injected into the mixed solution of water/methanol (v/v∶35/65) (d) the magnified image of DH-PDI
這樣的聚集體的形貌與我們研究有機(jī)-多金屬氧簇化合物的自組裝形態(tài)有相似之處[8-10]:連有疏水基團(tuán)的衍生物在溶液中自組裝,疏水基團(tuán)較短時(shí)分子之間較強(qiáng)π-π作用力,使得化合物在有機(jī)溶劑中自組裝成具有一定長(zhǎng)度的一維形貌;如果疏水基團(tuán)相對(duì)較大,在疏水作用、范德華力作用下,化合物在混合溶劑中(含有水)容易形成具有納米尺寸的球形形貌,同時(shí)體積較大的基團(tuán)也妨礙了一維形貌的形成。
N-取代苝酰亞胺衍射物在溶液中的自組裝過(guò)程及形貌還受到溶劑的影響。在溶液中衍生物的自組裝除了π-π相互作用力外還與氫鍵、親水/疏水作用、靜電作用力等這些重要的非共價(jià)鍵力有關(guān)。
早期的文獻(xiàn)[11]報(bào)道了丁基取代的苝酰亞胺衍生物4。在氯仿/甲醇溶劑,由于母核的強(qiáng)π-π作用以及側(cè)鏈的疏水作用,形成了結(jié)構(gòu)清晰的一維納米帶狀結(jié)構(gòu)(圖3)。
圖3 丁基取代的苝酰亞胺4的納米帶狀結(jié)構(gòu)Fig.3 TEM image of nano ribbons for compound 4 with butyl-substituted peryleneimide
PDI衍生物5[12]是同時(shí)具有氨基和羧基結(jié)構(gòu)的衍生物,在相對(duì)非極性的溶劑(THF和CHCl3)中由于π-π緊密堆積成形成較長(zhǎng)的纖維的形態(tài),而在極性更大的溶劑(六氟異丙醇、甲醇、乙腈和丙酮)中,形成了球形形貌,自組裝過(guò)程和聚集體形貌都顯示了出對(duì)溶劑極性的明顯依賴性。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在極性溶劑中,衍生物5中的氨基和羧基更容易與極性溶劑相互作用,在主要的疏水作用下能更有效地聚集,并且隨著溶劑極性的增加,納米結(jié)構(gòu)的尺寸有顯著增加。由于5結(jié)構(gòu)中存在手性基團(tuán),在四氫呋喃溶劑中獲得的長(zhǎng)3~10 μm的右旋螺旋纖維,在相同的條件下的氯仿溶劑中卻只觀察到了沒(méi)有螺旋的細(xì)(~2 μm)的纖維,除此之外的其它測(cè)試溶劑中,5只得到了納米球狀形貌(圖4)。作者推測(cè)在四氫呋喃溶劑中5與溶劑間的氫鍵作用力形成了具有手性結(jié)構(gòu)的形貌。
圖4 化合物5(10 μmol/L)在不同溶劑中的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.4 SEM images of compound 5 (10 μmol/L) in different solvents
在苝環(huán)的海灣處進(jìn)行取代基修飾的結(jié)構(gòu),使得分子自組裝過(guò)程中依賴苝酐核π-π堆積變得困難。文獻(xiàn)報(bào)道的碳酸烯丙酯官能化的苝二酰亞胺衍生物6[13],可以很容易地在CH3CN中π-π相互作用,自組裝成數(shù)十毫米長(zhǎng)的納米棒;在30% H2O、DMSO混合物中,氫鍵、親水作用下自組裝成長(zhǎng)度為數(shù)十毫米的納米線;而僅在乙酸乙酯中,由于疏水作用形成納米球。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:碳酸烯丙酯的引入增加了分子的水溶性,使6可以在含有水的混合溶劑中伸展形成纖維,而在有機(jī)溶劑中形成納米球形貌(圖5)。
圖5 化合物6在不同溶劑中的自組裝形貌Fig.5 Self-assembly morphology of compound 6 in different solvents
文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)構(gòu)中引入有兩個(gè)二茂鐵(Fc)單元的苝酰亞胺母核組成的電子供體-受體分子(D-A)7(PDI-Fc)[14],是通過(guò)基于溶液的自組裝制備的。在制備的過(guò)程中通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)分子的初始濃度來(lái)形成定義明確的PDI-Fc納米棒,納米線和微米線。圖6顯示了調(diào)節(jié)溶劑CH2Cl2中PDI-Fc的初始濃度可以得到不同大小和形態(tài)的PDI-Fc自組裝形貌。
圖6 不同初始濃度的PDI-Fc在CH2Cl2溶劑中的自組裝掃描電鏡圖片: (a) 0.2 mM; (b) 1.0 mM; (c) 1.5 mMFig.6 SEM pictures of PDI-Fc Self-assembly in CH2Cl2 solvent with different initial concentrations (a) 0.2; (b) 1.0; (c) 1.5 mM
一種新型的兩親性苝酰亞胺衍生物8:七氟丁基取代的苝酰亞胺二聚體被報(bào)道。文獻(xiàn)研究了該二聚體在不同體積比的四氫呋喃/水(THF-H2O)混合溶劑中的自組裝性能[15]。該二聚體在75/25、50/50和25/75(THF/H2O,體積比)混合溶劑中分別自組裝形成微米級(jí)的“花”狀聚集體,微米級(jí)“蝴蝶結(jié)”聚集體和 “空心球”型納米結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)顯示混合溶劑系統(tǒng)中的水含量對(duì)兩親性的聚集微觀結(jié)構(gòu)(形態(tài))的變化有很大影響。具有兩親性結(jié)構(gòu)的N-取代苝酰亞胺衍生物在含水的混合溶劑中一般不會(huì)得到一維形態(tài),自組裝過(guò)程中受到親水/疏水作用力、范德華力等因素的影響形成三維形貌的聚集體,符合兩親性化合物在溶液中的聚集特征[16]。如果在苝酰亞胺母核上引入具有手性結(jié)構(gòu)的基團(tuán),自組裝形貌還會(huì)具有手性特征。
圖7 化合物8在THF/H2O不同比例(體積比)的混合溶劑中的自組裝掃描電鏡圖片:(a) 75/25 (b) 50/50 (c) 25/75Fig.7 SEM images of compound 8 self-assembly in mixed solvents with different ratios of THF/H2O (a) 75/25 (b) 50/50 (c) 25/75
基于糖基設(shè)計(jì)的兩親性苝酰亞胺衍生物9[14],能夠和溶劑以氫鍵相互作用。苝環(huán)一端是親脂性的烷基鏈,另外一端是具有手性的親水性的多羥基集團(tuán)。在極性-非極性混合溶劑(氯仿/正辛烷)中,從純氯仿溶劑到混合溶劑體積比為50/50變化中,形成了旋光性左旋螺旋聚集體。在溶解性好/溶解性差的溶劑中該化合物展現(xiàn)了相反的手性聚集行為。從純四氫呋喃溶劑到混合溶劑(四氫呋喃/水)體積比為20/80,形成旋光性右旋螺旋聚集體。透射電鏡的結(jié)果和圓二色光譜測(cè)試結(jié)果相吻合(圖8)。
圖8 化合物9手性螺旋納米線的透射電鏡照片,測(cè)試溶劑為:(a) 氯仿/正辛烷 (80/20, 體積比); (b) 四氫呋喃/水 (80/20, 體積比);(c) 氯仿/正辛烷(50/50, 體積比);(d) 四氫呋喃/水(50/50, 體積比)Fig.8 TEM images of compound 9 with chiral spiral nanowire obtained in the test solvent (a) chloroform/n-octane (80/20, v/v); (b) Tetrahydrofuran/water (80/20, v/v); (c) chloroform/n-octane (50/50, v/v); (d) Tetrahydrofuran/water (50/50, v/v)
利用分子間非極性共價(jià)鍵相互作用設(shè)計(jì)的手性不對(duì)稱苝酰亞胺衍生物10[15],一端為非極性的C12烷基鏈,另一端連接3,5-二甲氧基芐基作為手性極性側(cè)鏈。透射電鏡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了早期自組裝聚集體的形成。由(S)-構(gòu)型的10在氯仿/乙醇混合溶劑自組裝形成左旋納米管,(R)-構(gòu)型的10在乙腈純?nèi)軇┲械淖越M裝聚集形成右旋納米管,這樣的單手性納米管具有較高的熒光量子產(chǎn)率(> 46%)。實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:利用在分子結(jié)構(gòu)中引入手性集團(tuán)可以得到具有單一手性的自組裝聚集體。
苝酰亞胺的N端連接兩個(gè)臂狀離子化的氨基咪唑基團(tuán)是新型的衍生物11[16],其結(jié)構(gòu)中的咪唑集團(tuán)改善了苝酐類(lèi)衍生物在水中的溶解度,同時(shí)也保留了苝環(huán)母核在溶液中的超分子自組裝的能力。在pH調(diào)節(jié)循環(huán)中,衍生物11水溶液在低pH(4.0)沒(méi)有出現(xiàn)聚集,溶液澄清透明,而在高pH(8.0)時(shí)產(chǎn)生了聚集體。透射電鏡圖顯示在pH 4.0下只觀察到短的納米帶,在pH 8.0下觀察到長(zhǎng)的雜交的納米帶。通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH(從pH 4.0到pH 8.0),短納米帶可以自組裝形成長(zhǎng)的支鏈納米帶。文獻(xiàn)報(bào)道這個(gè)分子自組裝過(guò)程是可逆的,通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH(從pH 8.0到pH 4.0)長(zhǎng)的雜支納米帶又可以分解成短的納米帶(圖10)。 不同pH的測(cè)試環(huán)境中,親水/疏水作用、靜電作用力、范德華力等形成自組裝聚集體的主要因素不同,出現(xiàn)了在pH調(diào)節(jié)循環(huán)中可逆的聚集過(guò)程現(xiàn)象。
圖9 化合物10的結(jié)構(gòu)示意圖(左圖) (a) (S)-構(gòu)型CD圖;(b)(R)-構(gòu)型CD圖, 測(cè)試濃度:0.1 mmol/L,測(cè)試溶劑:氯仿/乙醇(c)(S)-構(gòu)型透射電鏡圖(d)(R)-構(gòu)型透射電鏡圖Fig.9 Scheme of compound 10 (left); right: (a) (S)-CD spectra (b) (R) -CD spectra, measured in a mixed solvent of 0.1 mL of chloroform/ethanol mixed solvent (c) TEM image of nanotubes of (S)-10 (d) TEM image of the and (R)-10
圖10 化合物11的結(jié)構(gòu)示意圖以及在不同pH環(huán)境中的自組裝形貌Fig.10 Scheme of compound 11 and its self-assembly morphology in different pH environments
兩種全甲基化的環(huán)糊精連接在苝酰亞胺母核氮原子上形成了新的水溶性衍生物12[17]。該衍生物在水溶液中具有很強(qiáng)的π-π聚集特點(diǎn),顯示出pH依賴的聚集行為和熒光性質(zhì)(圖11)。12在堿性環(huán)境下的結(jié)構(gòu)為中性形式的12-1,相對(duì)于有機(jī)溶劑其在水中的更強(qiáng)π-π堆積作用。酸性環(huán)境下質(zhì)子化形式的12-1H2,因?yàn)橘|(zhì)子化亞氨基之間的靜電排斥作用在苝酰亞胺母核的π-π堆疊中起到不利的作用,分子呈現(xiàn)單體和少量的低聚物存在形式。盡管如此,單體和12-1H2的低聚物顯示出熒光性能優(yōu)于中性形式,這是由于有效抑制了亞氨基的分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程所造成的。
圖11 化合物12在不同pH環(huán)境下的結(jié)構(gòu)示意圖(左圖) (a),(b)均為12中性形式的透射電鏡和掃描電鏡照片 (c) 12質(zhì)子化形式的透射電鏡照片 (d) 12的pH依賴的聚集行為和熒光性質(zhì)示意圖,以上測(cè)試環(huán)境為水溶液Fig.11 Scheme of compound 12 in different pH environments (left); (a) and (b) are TEM and SEM pictures of compound 12 with the neutral form; (c) TEM pictures of compound 12 with the protonated form; (d) A schematic diagram of the pH-dependent aggregation behavior and fluorescence properties of 12, all measured in aqueous solution
苝酰亞胺被認(rèn)為是一個(gè)封閉的發(fā)色團(tuán),存在S0→S1的躍遷,熒光量子產(chǎn)率幾乎是定量的,且產(chǎn)率與壽命也不受氧的影響。人們?cè)贜端進(jìn)行著各種嘗試,引入對(duì)物質(zhì)有識(shí)別作用的基團(tuán),利用苝類(lèi)衍生物具有的熒光性質(zhì)[18]產(chǎn)生具有特定結(jié)構(gòu)的金屬離子識(shí)別探針、熒光分子開(kāi)關(guān)等[19-21]。PDI衍生物特有的熒光性質(zhì)可以應(yīng)用于細(xì)胞熒光成像、熒光標(biāo)記和熒光載體等生物學(xué)檢測(cè)方面[22]。然而由于苝核在溶液中的堆積作用,溶液中形成分子聚集體的同時(shí)常常伴隨著熒光淬滅。有學(xué)者研究表明: 苝酰亞胺的熒光發(fā)射峰與取代基的位置有關(guān)[23]。 在酰亞胺結(jié)構(gòu)中的N原子上引入不同的取代基,并不會(huì)影響苝酰亞胺的紫外吸收和熒光發(fā)射峰的位置,但是可能會(huì)影響到該類(lèi)衍生物的熒光量子產(chǎn)率。
文獻(xiàn)報(bào)道由單甘露糖修飾的含有雙甲基取代的環(huán)糊精結(jié)構(gòu)的苝酰亞胺衍生物13[24]表現(xiàn)出有效的光動(dòng)力治療活性[25](圖12)。研究了其對(duì)人乳腺癌細(xì)胞(MCF-7),宮頸癌細(xì)胞(Hela),肺癌細(xì)胞(A549)和肝癌細(xì)胞(HepG2)細(xì)胞的光動(dòng)力療法活性?;衔锉憩F(xiàn)出強(qiáng)大的光動(dòng)力療法活性,其半數(shù)最大抑制濃度(IC50)分別為3.96、16.79、6.62和5.14 mmol/L,作為一種新型PDI分子表現(xiàn)出很高的光細(xì)胞毒性和活細(xì)胞成像應(yīng)用。
圖12 化合物13的結(jié)構(gòu)示意圖以及細(xì)胞成像Fig.12 Scheme of compound 13 and cell imaging
用烷氧基硅烷基團(tuán)改性的兩種苝酰亞胺衍生物14和15與二氧化硅形成的納米粒子[26],可有效地內(nèi)化到HEK293細(xì)胞中,且毒性低,并且具有很高的光穩(wěn)定性,在表達(dá)高水平熒光蛋白和/或與不同熒光染料共染的細(xì)胞中,兩種蛋白通常在光譜的可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)發(fā)射(圖13)。
圖13 烷氧基硅烷基團(tuán)改性的兩種苝酰亞胺衍生物14、15結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Scheme of t two perylene imide derivatives 14, 15 modified by alkoxysilane groups
水溶性的苝酰亞胺陽(yáng)離子有很強(qiáng)的單體熒光性,如果在水溶液中自組裝聚集后,則熒光強(qiáng)度顯著下降(圖14)。文章中作者以含有苝酰亞胺骨架的季銨鹽16構(gòu)建了PDI-DNA絡(luò)合物[27],通過(guò)DAN鏈斷裂檢測(cè)博來(lái)霉素(BLM)的方法。PDI基團(tuán)對(duì)熒光團(tuán)修飾的DNA片段具有較高的熒光淬滅效率,該方法顯示了低背景熒光和高靈敏度,BLM檢出限為0.2 nmol/L。
圖14 PDI-DNA絡(luò)合物通過(guò)DNA鏈斷裂檢測(cè)BLM的示意圖Fig.14 Scheme of PDI-DNA complex detecting BLM by DNA strand breaks
在苝核的“海灣”位置引入取代基,可以減少苝核在溶液中的進(jìn)一步堆積,引起紫外吸收峰和熒光發(fā)射峰位置的紅移,因此能有效避開(kāi)細(xì)胞的熒光背景,進(jìn)而提高其在生物學(xué)檢測(cè)方面的應(yīng)用。近幾年,合成的基于苝酰亞胺核的樹(shù)狀大分子結(jié)構(gòu)中,由內(nèi)向外引入疏水基團(tuán),最外層為親水基團(tuán)。這些衍生物顯示出強(qiáng)烈的紅色熒光,具有較高的水溶性、較好的光穩(wěn)定性、較低的細(xì)胞毒性和高的熒光量子產(chǎn)率。這部分在“海灣”位置改造苝酰亞胺和的樹(shù)狀苝核分子化合物的熒光性質(zhì)及其應(yīng)用將另外撰文討論。
文章介紹了基于苝酰亞胺骨架,通過(guò)共價(jià)鍵形成的具有特殊結(jié)構(gòu)的衍生物。聚集體在溶液中通過(guò)非共價(jià)鍵作用力形成了各種超分子組裝材料。調(diào)控衍生物分子結(jié)構(gòu)中側(cè)鏈或手性基團(tuán)可以得到具有特定形貌的聚集結(jié)構(gòu),在有機(jī)溶劑、混合溶劑、水溶液中還需要充分考慮到溶劑和pH環(huán)境的影響。通過(guò)協(xié)調(diào)好這幾種作用力和因素從而獲得結(jié)構(gòu)致密、功能優(yōu)良的超分子材料。各種連接在苝酰亞胺發(fā)色團(tuán)骨架上的衍生物可以調(diào)節(jié)母核的熒光性質(zhì),進(jìn)而獲得多功能的熒光材料。水溶性的苝酰亞胺衍生物改變了該類(lèi)染料難溶于水的缺陷,能夠?qū)⒛负颂赜械臒晒庑再|(zhì)用于生物學(xué)性質(zhì)測(cè)試。綜上所述,基于苝酰亞胺結(jié)構(gòu),通過(guò)修飾母核上連接的取代基的結(jié)構(gòu)或是設(shè)計(jì)連接特定基團(tuán),可以增強(qiáng)其生物兼容性基團(tuán),得到更多的結(jié)構(gòu)豐富、性能優(yōu)越的納米分子材料,將其特有的熒光性質(zhì)應(yīng)用于生物體檢測(cè)和成像、以及藥物載體等方面。但是,仍然存在一些問(wèn)題,例如水溶液中PDI的熒光量子產(chǎn)率低,未來(lái)將探索更簡(jiǎn)單,更具選擇性和更具體的合成策略。 最終樹(shù)狀聚合物的無(wú)毒和多功能化仍是生物應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。 如何在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用熒光性能并探索以PDI為核心的樹(shù)枝狀聚合物的巨大潛力,將成為未來(lái)的熱門(mén)研究領(lǐng)域。