BODIPY 染料及其衍生物

——Academic adviser : Professor ChenSpeaker: Fan Gang

BODIPY Dyes

每年出版的文献数（ BODIPYs, SCI 引文报告）

<BODIPY Dyes and Their Derivatives>

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BODIPY Dyes and Their Derivatives• Chemical Reviews, 2007, Vol. 107,

No. 11

• Kevin Burgess is a professor whose research interest focuses on fluorescent dyes for multiplexing in biotechnology. It involves much chemistry that centers around the BODIPY dyes.

• They choose to write this review to organize the literature in that field for themselves and others in the field.

介绍• BODIPY 染料有如下特点：• 1) 小分子强吸光并发出相对锐利的荧光峰

，具有较高的量子产率。• 2)BODIPY 染料分子主体对于溶剂的极性和

PH 不敏感；• 3) 在分子上稍作修饰就可改变它的荧光性

能。• 综上所述，染料具有较好的应用前景。

介绍• 缺点：• 这种 BODIPY 染料往往在小于 600nm 波长就

发射荧光。（ 800nm 以上生物应用前景更大，因为活组织大多不会吸收 800nm 或以上波长的光。）

• 只有少量的水溶性的衍生物，大多数不溶于水溶液。

基本性质• 左边未取代的 BODIPY

结构从来没在文献上报道过（ 2007 年）；

• 这是因为这种结构非常难以用合适的方法合成，吡咯上的碳原子易与亲电试剂反应。

• 中间位， α ， β 位取代

由酰氯或酸酐和吡咯合成

具有中间位取代基的BODIPY 染料比较容易通过酰氯与吡咯制得。（反应1 ）

这样的反应过程中包含一个不稳定的二吡咯亚甲基盐酸盐的中间产物。

酸酐和吡咯合成法

反应 2 描述了一个用戊二酸酐合成 BODIPY 衍生物 15 的方法。这个反应最突出的地方就是引入了一个自由的羧酸，将这个分子连接到目标分子上去。

由醛与吡咯合成

α,β 未取代的 BODIPYs 17 可以在无水的环境中利用醛制得。首先在室温下，将醛溶入过量的吡咯中，二吡咯亚甲基中间体形成，之后利用二氯二氰基苯醌（ DDQ ）氧化并与硼络合反应制得。特点：对于没有取代基的吡咯来说，使用比较活泼的酰氯不合适。

由醛与吡咯合成

• 利用不同的醛类反应制备中间取代的 BODIPY 衍生物，使得引入一些特殊功能的复杂基团带来了方便。

• 比如，右图的 8- 羟基喹啉化合物（ 8-hydroxyquinoline-2-carboxaldehyde ）是具有二价汞离子选择性的荧光团。

BODIPY 核心的中间基修饰• BODIPY 的核心部分十分稳定，难以发生化

学反应。可以在它的中间位上引入一些芳香族基，获得不同功能的 BODIPY 染料。

• 例如，一些具有氧化还原活泼分子选择性的传感器（ selective sensors of particular redox active molecules ）， pH 探针，金属螯合剂，以及生物分子共轭体（ biomolecule conjugating groups ）。

BODIPY 核心的中间基修饰

毋庸置疑，以上这些化学传感器利用了中间取代基还原电势的扰动。接下来。我们要说明这些电子效应的扰动对于荧光的影响。

光致电子传递的荧光控制

由于荧光分子的电子传递效应，其荧光强度会相应改变。这早就被人们所发现，但是Nagano, Ueno 和他们的同事们巧妙地应用轨道能级的计算数据结合电化学实验数据去研究BODIPY 染料的量子产率。

一些荧光分子可以认为是一个荧光基团和一个非荧光（或几乎没有荧光）基团的结合的分子。

光致电子传递的荧光控制

Nagano 和他的同事们应用一定的规则开发了一种 NO 探针。

二元胺取代的 BODIPY 46 具有较低的荧光性能，可以认为是 a-PeT 的结果。但是，当一氧化氮将二元氨基转化为苯并三唑 BODIPY 后，上述的 a-PeT现象消失，荧光性显现。

缺点• 首先，上述理论只是求得了两个孤立的体系性质：但是事实上，二个基团相互连接必然会相互影响。

• 由于分析过程需要计算激发态的能量，然而它的计算是相当复杂的，往往难以实现。

BODIPYs 的杂原子取代• 1. 亲电取代• 2. 卤代 BODIPYs 的亲核取代• 3. 利用 Pd元素催化的取代（增大共轭体系

的直接方式）• 4. 中间位的亲核取代

亲电取代• 由于考虑到 BODIPY 主体的中介结构

（ mesomeric structures ），可以发现 2- 及6- 位的 BODIPY 具有最少的正电荷，所以很容易发生亲电取代反应。

亲电取代• 1. 硫化

• 2. 硝化

• 3. 卤化

卤代 BODIPYs 的亲核取代

特点：这是一种合成非对称 BODIPYs 的重要手段。

芳基，炔基，烯基取代 BODIPYs

• 1. 由芳基吡咯合成• 2. 3,5- 二甲基衍生物与苯甲醛衍生物的反应

由芳基吡咯合成

芳基取代 BODIPY 染料可以通过相应的吡咯和酰氯合成。

2- 芳基吡咯可以通过反应 12 合成，其中 N 使用二碳酸二叔丁酯（ BOC ）试剂保护，在合成后可用碱脱去保护基，，从而获得芳基取代吡咯。

3,5 二芳基 BODIPY 利用上述的产物和对碘苯甲酰氯通过两步反应获得。

由芳基吡咯合成• BODIPYs 的荧光性能随着浓度的提高强度相应降低，这是由于分子间 π-堆叠形成二聚物所致。

• 为了防止生成二聚物，化合物 90 得以合成，其在空间上易于非共面难以形成二聚物。

3,5- 二甲基衍生物与苯甲醛衍生物的反应

• 过去的研究中发现， 3,5- 二甲基衍生物可以参加 Knoevenagel reactions.

Knoevenagel 反应• Knoevenagel 反应是活泼氢化合物与羰基化

合物的亲核加成反应，反应获得一分子的水。获得产物是 α ， β 不饱和羰基化合物。

出处： http://en.wikipedia.org/wiki/Knoevenagel_condensation

3,5- 二甲基衍生物与苯甲醛衍生物的反应

• 从而，苯乙烯基BODIPY 衍生物可以通过 3,5- 二甲基衍生物与芳族醛反应获得。

• 分子逻辑门

分子逻辑门• 分子逻辑门指的是分子表现出逻辑运算的

功能，输入一个或多个数据，可以获得一个单一的逻辑输出。

能量传递带• 非键（ Through-Space ）能量传递带• 一个分子中包含两个荧光基团，其中一个

基团高效吸收激发波长，将能量传递给第二个基团。它再发出长波长荧光。

• 非键能量传递带主要用于人工增强探针的Stokes’ shift.

Stokes Shift

斯托克斯位移指的是相同电子跃迁下最大吸收波长与最大发射波长的差值。

能量传递带• 非键能量传递带的效率决定于：• 1 ）供体的发射峰与受体的吸收峰的光谱交叠情况。

• 2 ）供体与受体的距离• ……

通过点击化学制作的 4 个 BODIPY 分子与二酰亚胺二萘嵌苯受体的树枝状光收集化合物。《 BODIPY Dyes and Their Derivatives 》 Chemical Reviews, 2007, Vol. 107, No. 11 。

人工光电转换三元基

《 BODIPY Dyes and Their Derivatives 》 Chemical Reviews, 2007, Vol. 107, No. 11

一种分子开关《 BODIPY Dyes and Their Derivatives 》Chemical Reviews, 2007, Vol. 107, No. 11