光学成像和光治疗在生物医学基础研究和癌症诊疗等领域得到广泛应用。与传统的可见光区（< 650 nm）成像和治疗相比，近红外（650–1700 nm）光学成像和治疗具有更深的组织穿透能力和更弱的组织吸收，表现出更好的成像信噪比和治疗效果。而近红外有机染料因其相对分子量较小、生物相容性好等优势，具有更大的转化潜力，近年来受到了研究者的高度关注。
延长氧杂蒽类荧光染料的波长主要有两种途径：一种是通过扩展传统染料的π共轭体系，另一种是采用杂原子替代氧杂蒽染料中的氧桥。尽管这些策略在一定程度上有效，但引入大π体系会降低染料的生物相容性和稳定性，增加其分子量和空间结构的复杂性，并可能影响染料在活体内的代谢速度，进而引发器官毒性。另一方面，杂原子取代的氧杂蒽类染料具有较好的生物相容性和光稳定性，但其化学稳定性显著下降。
近日，湖南大学袁林教授和任天兵副教授等通过在氧杂蒽了染料中引入模块化助色基团-二氢吡啶并吡嗪，通过强化染料分子内电荷分离，构建了高稳定的近红外吸收和发射的氧杂蒽类染料。
首先，利用逆向合成分析，作者优化了目标染料NIR-Rs的制备路线；随后，通过引入吡啶环，作者合成了稳定的关键中间体；最后，基于前期高产率中间体的制备，作者成功合成了目标染料NIR-R1N，并可以放大到克级规模的制备。
相比于母体染料罗丹明B（553/578 nm），NIR-R1N的吸收和发射波长显著红移，分别红移至705和772 nm。然而，相比NIR-R1N，通过削弱助色团供电子能力构建的参比染料NIR-R2N，NIR-R3 和 NIR-R4的波长明显发生蓝移。DFT计算表明，引入二氢吡啶并吡嗪环助色团强化了染料NIR-R1N的分子内电荷转移程度，进而导致其波长显著红移（> 150 nm）。
最后，为了证明该策略的通用性，作者将二氢吡啶并吡嗪基团修饰到其他氧杂蒽染料骨架上（以罗丹荧和恶嗪染料为例）。实验结果表明，相比于母体染料，重构后的罗丹荧和恶嗪染料（NIR-Rho & NIR-OX）均具有显著红移的波长，同时维持优良的稳定性和生物相容性以及小的分子量。尤其是，恶嗪染料NIR-OX（386.2 Da），其分子量只有少许的增加，但其发射波长红移至近红外二区（尾峰可至1200 nm）。得益于以上优良特性，NIR-OX染料表现出比商业化ICG染料更好的活体代谢能力，具有优良的活体应用潜力。
论文信息
Dihydropyridopyrazine Functionalized Xanthene: Generating Stable NIR Dyes with Small-Molecular Weight by Enhanced Charge Separation
Dr. Xing-Xing Zhang, Feiyu Yang, Xinyu Zhao, Dr. Qian Wu, Dr. Long He, Dr. Zhe Li, Prof. Zhixuan Zhou, Dr. Tian-Bing Ren, Prof. Xiao-Bing Zhang, Prof. Lin Yuan
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202410666
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