《Sensors》：Naphthalimide Derivatives with Extended Heterocyclic Systems—Synthesis, Spectral and Sensing Properties
Hristo Manov,
Ivo Grabchev,
Yulian Zagranyarski,
Diana Cheshmedzhieva,
Ivan Atanasov,
Monika Mutovska,
Konstantin Konstantinov and
Stanimir Stoyanov
编辑推荐：
为解决传统荧光分子传感器在灵敏度、选择性及信号调控机制上的局限，研究人员通过异环稠合策略设计并合成了一系列π-扩展1,8-萘酰亚胺（NI）衍生物，系统研究了其作为PET光学传感器对质子与金属离子的检测性能。研究证实苯并呋喃稠合衍生物可高效实现Cu(II)、Sn(II)等离子的“开关型”荧光增强，而异环稠合方式可显著调控分子电子结构，为新型高性能荧光探针的理性设计提供了重要指导。
在分析化学、环境监测与生命科学等领域，实时、高灵敏地检测特定离子（如金属离子、质子）是至关重要的课题。传统检测方法往往操作复杂、耗时较长，且难以实现实时原位监测。荧光分子传感器凭借其高灵敏度、快速响应及可视化的优势，逐渐成为研究热点。其中，基于光诱导电子转移（PET）机制的“开关型”荧光传感器尤为引人关注：这类传感器通常由荧光团与受体单元通过共价键连接，当目标分析物与受体结合后，可阻断或激活PET过程，从而引发荧光强度的显著变化，实现对待测物的高选择性检测。
然而，设计高效的PET传感器并非易事。其核心挑战在于如何精确调控荧光团与受体之间的电子耦合，使得在未结合分析物时PET过程高效发生（荧光猝灭），而结合后PET被有效抑制（荧光恢复）。这就需要研究者深入理解分子结构、电子能级排列与光物理性质之间的构效关系。近年来，1,8-萘酰亚胺（NI）因其优异的光稳定性、良好的吸收发射特性及易于结构修饰的特点，成为构建荧光传感器的理想平台。通过对NI核心进行结构修饰，特别是通过π-共轭体系扩展，可有效调控其电子结构和光物理性能，但不同稠合方式对PET传感性能的具体影响机制仍有待系统阐明。
为此，发表在《Sensors》上的这项研究，聚焦于通过异环稠合策略来精密调控NI衍生物的电子结构，并评估其作为PET传感器检测质子与金属离子的性能。研究团队设计并合成了两类π-扩展的NI衍生物：苯并呋喃稠合NI与苯并二氧杂环庚烷稠合NI，并分别引入了二甲氨基乙基受体单元或非给电子烷基取代基，旨在探究异环稠合模式对分子光谱性质、PET过程效率及最终传感性能的关键影响。
为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用针对性的合成策略（包括一锅法SnAr/C-H活化串联反应、基于二酯中间体的路线以及亲核取代反应等）成功制备了目标NI衍生物，解决了高度共轭酰亚胺化合物的溶解与纯化难题。其次，通过紫外-可见吸收光谱与荧光光谱系统表征了所有化合物的光物理性质。再者，利用荧光滴定实验评估了受体修饰化合物对质子及一系列金属离子的传感性能。最后，结合密度泛函理论（DFT）与含时密度泛函理论（TDDFT）计算，从电子结构层面解释了实验观察到的光谱特征、PET过程效率及不同体系的传感响应差异。
2. 结果与讨论
2.1. 光谱性质
研究显示，两类衍生物的光谱性质存在显著差异。苯并呋喃稠合NI（化合物3a, 3b）在325-400 nm范围内显示出结构化的π-π*吸收带，且荧光较强。其中，带有受体（二甲氨基乙基）的化合物3b相对于其非受体参比物3a，荧光量子产率大幅降低（从27%降至5%以下），表明发生了高效的重组PET过程。而苯并二氧杂环庚烷稠合NI（化合物13a, 13b）则展现出宽而无结构的吸收带，最大吸收波长位于417 nm，归属于分子内电荷转移（ICT）跃迁。该类化合物即使在非受体参比物中也具有较低的荧光量子产率（约5%）和较大的斯托克斯位移（>5000 cm-1），受体引入导致的PET猝灭效应也较弱（荧光猝灭因子FQ=2.5）。
2.2. 分子模拟
理论计算为上述差异提供了电子结构层面的解释。对于苯并呋喃稠合体系，受体单元（二甲氨基乙基）的HOMO能级高于荧光团的HOMO-1能级，这种能级排列有利于激发态下电子从受体向荧光团转移（还原性PET），从而导致荧光猝灭。而对于苯并二氧杂环庚烷稠合体系，受体单元的给体轨道能级低于荧光团的HOMO能级，这种不匹配的能级排列抑制了有效的PET过程，因此传感响应微弱。
2.3. 光学传感
荧光滴定实验验证了理论预测。带有受体的苯并呋喃稠合NI（化合物3b）表现出对质子和特定金属离子的显著“开关型”荧光增强响应。加入盐酸可使荧光增强超过5倍，使其强度恢复至与参比化合物3a相当的水平。在测试的金属离子中，对Cu(II)和Sn(II)的响应最强，荧光增强（FE）因子超过4，对Pb(II)也有一定响应，而对Ag(I)、Co(II)、Mg(II)等则无明显响应。2+(b)后的荧光增强现象。">这种选择性可通过软硬酸碱理论、配位几何和溶剂效应来解释。Job’s plot分析证实3b与Cu(II)形成1:1络合物，结合常数约为1×104M-1，检出限在10-8M量级，显示出良好的灵敏度。
进一步的分子模拟研究了3b与Cu(II)的可能络合模式。优化结构表明，最稳定的络合物涉及Cu(II)同时与受体氮原子和酰亚胺氧原子配位，这种螯合作用有效地占据了受体的孤对电子，从而抑制了PET过程，与观测到的高荧光增强相符。2+离子形成的优化结构，显示了金属离子的配位模式。">相比之下，苯并二氧杂环庚烷稠合衍生物13b对测试的所有金属离子均未表现出传感响应，其不利的受体-荧光团轨道能级排列使其无法实现有效的“开关型”PET传感。
3. 结论
本研究通过系统的合成、光谱表征、传感测试与理论计算，清晰地阐明了异环稠合策略在调控1,8-萘酰亚胺衍生物电子结构及PET传感性能中的关键作用。苯并呋喃稠合由于其有利的给体-受体轨道能级排列，成功构建了高效的重组PET体系，其受体衍生物3b可作为性能良好的“开关型”荧光传感器，对质子、Cu(II)和Sn(II)等表现出高选择性与灵敏度的荧光增强响应。相反，苯并二氧杂环庚烷稠合诱导了ICT特性，并导致了不利的轨道能级匹配，从而无法实现有效的PET传感。
这项工作的意义在于，它超越了简单的分子合成与性能测试，从电子结构根源上揭示了不同异环稠合方式如何通过改变前线分子轨道的空间分布与能级，进而决定PET过程效率与最终传感性能。这为未来理性设计基于萘酰亚胺或其他荧光团的高性能PET光学传感器提供了明确的理论指导与实用的结构设计原则，即精确调控受体与荧光团之间的电子匹配是实现高效传感响应的先决条件。该研究不仅深化了对荧光传感分子构效关系的理解，也为开发用于环境监测、生物成像等领域的新型高选择性化学传感器奠定了坚实基础。
