光響應螺吡喃類衍生物的研究進展*

翁城武，高功敏，朱鴻達，吳蕓蕓，韓 輝

(1 泉州海關綜合技術服務中心，福建 泉州 362000；2山西大學環境科學研究所，山西 太原 030001)

螺吡喃是眾所周知的光致變色化合物，即通過紫外光和可見光(或熱)可以在無色閉環構型與有色開環部花菁構型之間進行可逆的異構化。早在1965年，Phillips等[1]發現部花菁的螯合能力；此后，人們對金屬離子與螺吡喃的相互作用，特別是對其光化學和光物理性質的影響產生了濃厚的興趣[2-5]。一個很重要的原因是能夠被陽離子誘導異構化的螺吡喃衍生物在金屬離子識別方面具有很好的應用前景，且開環的部花菁結構通常可以發射近紅外波長的熒光，同時識別體系前后顏色變化明顯，可肉眼識別。

迄今為止，已報道的可以被金屬離子誘導開環的螺吡喃衍生物結構大都是通過在N原子或7-位修飾可以與金屬離子發生配位作用的官能團。從分子鍵的角度來說，螺吡喃閉環與開環的轉化是C-O鍵的形成與斷裂，因此任何能促進C-O鍵斷裂的方式都應該能促進部花菁結構的形成，而對能夠光致開環的螺吡喃來說，其機理是紫外光照射導致電子躍遷，改變了軌道能量，使得C-O鍵兩個原子間參與成鍵的軌道不再匹配而發生斷裂。

1 在金屬離子識別方面的應用

目前為止，通過在N和7-位修飾配位官能團得到的螺吡喃開環體系可結合的金屬離子包括Na+，Li+，Cu2+，Zn2+，Hg2+，Ni2+，Co2+，Cd2+和Eu3+等。

早期研究中最有代表性的金屬離子誘導的螺吡喃開環體系是大坂府立大學的Inouye等[4]開發的堿金屬誘導的體系，該體系中螺吡喃的結構特點是在N原子引入了冠醚作為修飾基團，而冠醚是常用的堿金屬識別基團，冠醚與堿金屬離子絡合后，螺吡喃的氧原子參與配位，促進了螺吡喃的開環，隨后該課題組開發了一系列以冠醚為修飾基團的堿金屬誘導的螺吡喃開環體系，并系統研究了不同堿金屬離子與該螺吡喃結構結合后的光化學和光物理性質，為后來不同金屬離子誘導的螺吡喃體系的結構設計提供了思路[5]。

隨后的研究主要圍繞在螺吡喃的7-位引入識別基團來設計相關體系。1999年，華盛頓海軍科學實驗的Evans等[6]制備了一類喹啉并螺吡喃結構，該結構可以與Hg2+，Cd2+，Co2+，Cu2+，Zn2+和Ni2+等重金屬離子發生配位，但開環結構與金屬離子形成的絡合物在可見光條件不穩定，在可見光照射下能夠從開環的配位結構變回閉環的螺吡喃構型。

2005年，日本和歌山大學的Sakamoto等[7]將冠醚引入螺吡喃的7-位得到了一類可以與堿金屬誘導開環的螺吡喃化合物，文中作者對不同結構的化合物對堿金屬的選擇性誘導進行了詳細研究，結果表明二氮雜-12-冠-4-雙螺吡喃表現出優異Li+選擇性，并且紫外光和可見光可以加速或者減慢堿金屬離子對該類結構的誘導開環。

北京大學的邵娜及其合作者在螺吡喃的7-位引入了不同的氨基化合物得到了一系列可以選擇性與銅離子(a,b)和鋅離子(c)發生誘導開環作用的結構[8-11]，其中他們還對結構a與銅離子的絡合物用于半胱氨酸和高半胱氨酸的定性與定量分析。類似的研究還有香港浸會大學的朱等在7-位修飾了8-氨基喹啉(d,e)，該類結構可以選擇性與鋅離子發生誘導開環作用[12-13]。

另外也有研究是在N的位置引入非冠醚類結構實現金屬離子對螺吡喃結構的誘導開環，臺灣國立中山大學的Wu等[14]描述了一個螺吡喃功能化的半導體聚合物，可以作為熒光探針的對Cu2 +進行比例檢測，即Cu2+可以誘導該符合結構的螺吡喃開環，其中感應機制是熒光共振能量轉移。

2 在氨基酸、陰離子等小分子識別方面的應用

另外，還有一些是有關利用氨基酸[15]、氟離子[16]、氰基[17]、pH[18]和強力[19]誘導螺吡喃結構開環的研究。

螺吡喃的開環構型和閉環構型呈現出不同的光譜性質，并且容易受到pH、特定離子或者生物分子的誘導，繼而發生SP構型和MC構型的互變異構。基于這個機制，可以作為光學傳感器，對相關離子和生物小分子進行檢測[20-25]。

Shiraishi等[26]制備了一種可以選擇性檢測CN-的香豆素修飾的螺吡喃熒光探針。探針結構沒有熒光，加入CN-后，CN-和與螺吡喃的開環結構發生親核加成反應，進而促進了螺吡喃的開環平衡向右進行，而開環結構顯示強的藍色熒光，繼而實現了對CN-的熒光檢測。

Yin等[27]制備了一種可用于檢測強酸強堿pH 的螺吡喃類熒光探針。當該探針處于pH小于2.0的強酸環境中時，分子開環并發射強的紅色熒光；在中性的環境中，探針不發射熒光；而當探針處于pH大于等于12.0的強堿環境中時，其構型發生改變，主要以閉環的構型為主，同時相關酸性的取代基質子被中和，溶液呈現藍色熒光。這些性質使得探針可應用在強酸或者強堿的環境中。

Sun等[28]設計并制備了一種可以選擇性識別低聚物的探針。該探針的結構由螺吡喃和識別基團氨基萘2-氰基丙烯酸酯(ANCA)兩部分構成，螺吡喃的空間剛性改性了低聚物的性質，同時增強了該復合物的熒光強度。基于該機理，探針可以特異性識別患有阿爾茨海默病模型小鼠大腦中的某類低聚物。

3 在生物成像方面的應用

螺吡喃類衍生物用做熒光探針時，檢測物質引起的螺吡喃異構化的特性可以提高熒光成像的分辨率[29]。

Johnson等[30]開發了一類“開-關”型熒光探針(Tu-SP)。在激發波長是375 nm時，探針結構發生互變異構，并且發射強綠色熒光，借助此性質，該探針具備對HeLa細胞中微管蛋白進行高分辨熒光成像的能力。其原理可能是探針分子與秋水仙堿的復合結構可以選擇性識別隱藏在HeLa細胞中的超痕量微管蛋白。

Zhang等[31]開發了一種“開-關”型螺吡喃類衍生物探針(TPP-CY)。該探針的機理是基于線粒體膜電位的變化，這種變化可以使得螺吡喃發生構型轉化，根據轉變前后譜圖參數的變化能夠比率檢測線粒體膜電位并且實現其高分辨熒光成像。該探針可以用于細胞健康的評估。

4 在藥物載體方面的應用

螺吡喃衍生物在不同條件下呈現出的兩種構型表現出不同的物理性質，其中閉環構型是中性分子，開環構型是雙離子分子。這個性質的不同使其表現出不同不同的潤濕性質。即開環部花青結構呈現出親水性，關環的SP構型呈現疏水性，基于此理論，螺吡喃結構與多孔材料復合后可用于調控藥物分子的釋放[32-35]。

Wen等[36]開發了一種螺吡喃橋鏈介孔二氧化硅的光控緩釋藥物載體。在365 nm的光激發下，螺吡喃發生互變異構，轉變成親水性的部花青構型，表面變為親水性，使得存儲在介孔中的藥物分子游離到溶液中。

Liu等[37]開發了一種長波長紅外光控制的藥物控釋體系，該體系采用上轉化的納米介孔二氧化硅作為載體，以負載在其表面的螺吡喃分子作為控制開關。當用波長980 nm激發光照射時，上轉換材料將其轉化為可使螺吡喃開環的短波長紫外光，螺吡喃開環，藥物從孔道中游離出來。

5 其它方面的應用

螺吡喃及其衍生物通常呈現受到壓力、溫度、光照等刺激而變色的性質，這些性質使其在應力指示、溫度傳感、變色油墨、溫變油墨等領域有廣闊的應用。

Vamvakaki等[38]采用自由基聚合，將2-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯和單體(SPMA)通過聚合反應形成二嵌段共聚物，該材料可以自組裝形成膠束。同時呈現溫度、pH和紫外光的刺激響應，這種響應表現為膠束物理性質的改變，此改變后可以選擇性的釋放包裹的物質。

Boydston等[39]制備了一類壓致變色的螺吡喃材料，將該材料均勻分散于聚己內酯材料(PDL)中，當該材料受到外力時，螺吡喃會發生結構轉變，變成紫色部花青結構，或當拉伸該材料時，材料本身也會變為紫色。研究者還成功將該材料應用于3D打印機。

6 結 語

螺吡喃是眾所周知的光致變色化合物，開環的部花菁結構通常可以發射近紅外波長的熒光，同時識別體系前后顏色變化明顯，可肉眼識別，這個特性使其在多領域具有廣闊的應用前景，近年來已成為研究熱點。根據已報道文獻顯示，僅有日本大阪大學的Shiraishi等在2012年和2013年兩篇文獻報道過在螺吡喃5-位修飾金屬離子識別基團的研究[26,40]，雖然實現了金屬離子誘導螺吡喃開環，但其條件較為苛刻，一個需要在加熱至60 ℃和氧氣的參與下才能實現開環，另一個則需要在紫外燈照射下實現開環，這些限制了此類探針進一步更廣泛的應用。因此能否通過進一步優化修飾基團來實現5-位修飾的螺吡喃分子在溫和條件下對金屬離子的選擇性開環進而實現選擇性識別是該類探針發展的一個令人很感興趣的方向。