基于香兰素的罗丹明染料：适用于蒸汽、溶液和固态环境的多参数刺激响应型染料

《Dyes and Pigments》：Vanillin-based merocyanine dyes: Multiparametric stimuli-responsive dyes for vapor, solution, and solid-state environments

该研究合成了新型蒽环型染料，通过香草醛与含活化甲基的杂环化合物在碱性条件下的缩合实现低成本制备，产率54-66%。光物理研究表明其具有显著溶剂正色散效应（Δλ≈70 nm），发射源自内禀电荷转移激发态，验证了Lippert-Mataga理论。实验证实染料掺杂的二氧化硅基质可快速检测酸性、碱性气体及过氧化氢。

　　

毛罗·萨菲尔·菲尔霍（Mauro Safir Filho）|法比安诺·塞韦罗·罗登布施（Fabiano Severo Rodembusch）

应用有机光化学研究小组，南里奥格兰德联邦大学（Universidade Federal do Rio Grande do Sul/UFRGS） 地址：Bento Gon?alves大街9500号，邮编91501-970，阿雷格里港（Porto Alegre），巴西

摘要

通过一种简单高效的方法，使用低成本的起始材料合成了新的亚甲蓝类染料。该过程涉及在碱性条件下，含有活性甲基的阳离子杂环化合物与3-甲氧基-4-羟基苯甲醛（香草醛）的缩合，产率良好（54-66%）。光物理研究表明，这些染料表现出明显的溶剂致变色现象（Δλ ≈ 70 nm，λ_abs=484-560 nm），这与基态电子结构的溶剂依赖性调制有关，反映了醌类和类似花青素的极限形式之间的电荷分布变化。类似花青素的描述对应于一种共振杂化态，其特征是电子密度离域，而不是离散的价结构。这些染料的发光源自分子内电荷转移（ICT）激发态，这一点得到了Lippert-Mataga相关性的支持。使用模型染料5b及其共轭酸5bH进行了定性概念验证实验，以展示其作为光学探针的潜力，而不仅仅是完全优化的传感器。此外，还制备了基于5b的染料掺杂二氧化硅基质，在受控实验室条件下能够快速肉眼识别酸性和碱性蒸汽以及过氧化氢。

引言

亚甲蓝是一类多甲基染料，其特征是包含一个供电子的（D）N-杂环部分和一个受电子的（A）部分，两者通过多甲基链（π-连接体）相连[1]。尽管亚甲蓝通常含有偶数个甲基单元，但这并非严格要求。更根本的是，这些发色团的特点是在共轭系统中含有奇数个π中心（sp²杂化原子），类似于离子型花青素[2]。这些侧基的电子性质变化显著影响其整体电子结构、非极性聚烯烃、类似花青素的离域形式以及偶极（两性）形式的相对贡献，以及它们的光谱特性[3],[4]。需要强调的是，这些描述对应于极限共振结构（在花青素极限情况下为共振杂化态），而不是单一的价结构。这些系统的电子结构更适当地通过π共轭程度和电荷离域来描述，而不是通过固定的结构表示[5],[6]。与离子型多甲基染料不同，亚甲蓝发色团在电学上是中性的。这种特定的D-π-A排列使得这些染料可以根据周围环境的极性、供体和受体基团的固有特性以及多甲基链的长度，从非带电的中间体结构（类型I）到完全离域的类似花青素结构（类型II）再到偶极结构（类型III）进行描述（图1）[2],[7]。在这些系统中，羟基苯乙烯衍生物是一类特别重要的亚甲蓝染料。它们在水溶液中的酸碱平衡和光物理性质已被系统研究，显示出明确的质子化/去质子化过程，pKa值通常处于中性pH范围内，并且在强碱性条件下会发生额外的转化[8]。

由于其独特的结构，亚甲蓝染料具有强烈的溶剂致变色现象[2],[9]和较大的摩尔消光系数。这是由于强烈的1ππ*吸收带，通过修改发色团核心，可以很容易地将吸收带从可见光区域调谐到近红外（NIR）区域。此外，由于顺反异构化机制，亚甲蓝染料在水溶液中通常表现出较低的荧光发射[10],[11]，这为激发态的失活提供了额外的非辐射途径[10],[11]。然而，当与各种分析物结合时，它们的荧光量子产率可以显著提高[12],[13],[14]。亚甲蓝染料已在多个领域得到应用，包括光学传感器[15],[16]、生物研究中的荧光探针[17],[18],[19]，以及光电设备的活性层[20]。它们的D-π-A结构也使它们成为未来非线性光学和纳米技术应用的有希望的材料[21]。亚甲蓝染料的著名例子包括Brooker's merocyanine和MC₅₄₀，分别用作极性指示剂[22],[23],[24]和生物应用[17]（图1）。

在更广泛的多甲基家族中，半花青素是一个重要的子类，其特征是极性的D-π-A结构，其中带正电的氮基杂环作为电子吸引端，而供电子的基团（通常是羟基、烷氧基或氨基取代基）则固定在发色团的另一端。这种结构使得分子内的强电荷转移（ICT）成为可能，从而实现可调的光学性质和对环境变化的敏感性[25],[26],[27]。这种模块化布局还允许进行多种化学修饰，如与肽、重原子、螺环开关、酶可切割基团的结合，以及将基本骨架转化为选择性探针，用于检测ROS/RNS/RSS物种、pH值、金属离子、粘度、核酸、酶活性和膜电位[25],[27],[28],[29]。总的来说，半花青素代表了多甲基家族中一个特别适应性强的分支，能够将基本的D-π-A光物理特性转化为多种实际应用，从深层组织的NIR生物成像到现实世界的化学传感，通过平衡分子极性、光学可调性和功能基团多样性的结构基元。

在本研究中，合成的化合物更适当地被称为亚甲蓝类（羟基苯乙烯）染料，而它们的质子化（阳离子羟基苯乙烯）形式在结构上与半花青素相关。因此，我们报告了通过使用低成本前体香草醛（一种能够进行多种化学转化的多功能芳香框架[36]）通过简单高效的方法合成了一系列香草醛衍生的亚甲蓝类染料。为了评估它们的实际应用价值，在溶液和固态条件下进行了一系列概念验证实验。当这些染料固定在二氧化硅基质或纸条上时，能够快速肉眼识别酸性和碱性蒸汽；而在溶液中，它们在碱性条件下对过氧化氢表现出明显的光物理响应。总体而言，这些结果突显了香草醛衍生亚甲蓝类染料作为低成本且适应性强的光学传感平台的潜力。这种行为源于它们的分子设计，结合了pH响应性的酚氧基团、疏水烷基化的季铵氮和共轭的多甲基框架。尽管烷基取代基不会显著改变发色团的固有电子结构，但它们在调节溶解度、聚集行为和与固体载体的相互作用方面起着重要作用，这对传感应用至关重要。这些结构特征导致了可重复的光物理响应，包括正向的溶剂致变色现象（Δλ ≈ 70 nm）、明确的可逆基态酸碱平衡（pKa = 7.14）和较大的斯托克斯位移（高达约3800 cm^-1），从而能够在重复的pH循环下实现可靠的光学调制。在这项研究中，我们专注于使用中间体5b及其共轭酸5bH进行定性演示，作为该系列的代表性模型，而分析优化和面向设备的开发将留待未来的研究。

材料与方法

试剂2,3,3-三甲基吲哚啉、碘甲烷、1-碘丁烷、1-碘己烷、1-碘辛烷和3-甲氧基-4-羟基苯甲醛从Aldrich公司购买，无需进一步纯化即可使用。反应通过薄层色谱法（TLC Silica gel 60 F254）进行监测。¹H和¹³C NMR数据在CDCl₃、DMSO-d₆或CD₃OD溶液中记录，使用NMR光谱仪在500 MHz、400 MHz或300 MHz下测量¹H，在125 MHz、100 MHz和75 MHz下测量¹³C，具体取决于仪器配置

合成

N-季铵化化合物3a-3d是通过2,3,3-三甲基吲哚啉与相应的烷基碘化物在标准条件下进行烷基化得到的。目标亚甲蓝类染料（5a-5d）是通过与香草醛（4）在碱性条件下进行缩合合成的（图2）。

光物理表征

光物理研究在溶液中进行（浓度约为10^-6 M），使用了具有不同介电常数的多种有机溶剂，包括环己烷、1,4-二氧烷、乙酸乙酯、丙酮、乙腈、二甲胺等

结论

在这项研究中，我们设计、合成并全面表征了一系列基于香草醛的亚甲蓝染料，采用了一种简单高效的合成方法。尽管亚甲蓝的整体结构是传统的，但使用香草醛这一丰富、低成本且可再生的芳香族构建块，为这些发色团提供了可持续的基础。通过将一种可获得的生物来源前体转化为高价值的功能性化合物

CRediT作者贡献声明

法比安诺·罗登布施（Fabiano Rodembusch）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、资源获取、概念构思。毛罗·萨菲尔·菲尔霍（Mauro Safir Filho）：撰写——初稿、形式分析、概念构思

未引用的参考文献

[43]; [50]

利益冲突声明

作者声明没有需要声明的任何利益冲突。

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢FAPERGS、CNPq（304368/2023-7）和巴西高级人才发展协调委员会（CAPES）——财务代码001提供的财政支持。