重温C4N4荧光团：理论阐明2,5-二氨基嘧啶类化合物荧光起源及在钯检测中的策略应用

《Chemistry – A European Journal》：Revisiting C4N4 Fluorophore: Theoretical Elucidation of the Origin of Fluorescent Properties of 2,5-Diaminopyrimidines and Strategic Applications to Pd Detection

这篇研究论文深入探讨了一种超小型C4N4荧光团（基于2,5-二氨基嘧啶）的结构与性能关系。作者通过系统的合成、光谱测试（如荧光量子产率ΦFL）和理论计算（包括TDDFT和ES/SC-AFIR方法），揭示了其取代基（烷基、烯基、炔基）依赖的荧光特性及非辐射弛豫路径（如涉及圆锥相交CI的机理）。尤为重要的是，研究创造性地利用5-位氮原子作为独立的开关，成功设计出一种对Pd2+具有高选择性的“Turn-on”型荧光探针，为药物生产中痕量钯残留的快速、低成本筛查提供了一种新策略。

　　

在当今分析化学与材料科学领域，开发结构紧凑、性能优异的小分子荧光染料是备受关注的前沿方向。这类“小型”荧光染料因其在生物标记过程中对生物过程干扰小、抗荧光淬灭和光漂白能力强等优势，在生物成像和传感领域展现出巨大潜力。本研究聚焦于一种名为C₄N₄的独特且异常紧凑的荧光团平台，其核心是基于2,5-二氨基嘧啶的单环结构，仅包含四个碳原子和四个氮原子。尽管结构极其简单，缺乏传统上认为必需的延伸π共轭体系，C₄N₄却展现出高荧光量子产率、大斯托克斯位移和固态发光等一系列优异的光物理性质，使其成为设计定制荧光探针和功能光材料的通用平台。

为了深入理解并操控C₄N₄的荧光行为，研究人员系统地合成了一系列在4位和6位带有不同取代基的衍生物，将研究范围从先前报道的芳香族基团扩展至脂肪族官能团，包括烷基、烯基和炔基。实验结果表明，取代基的性质对荧光效率有着戏剧性的影响。例如，未取代的母体化合物1d（4,6-位为氢原子）本身即具有荧光（在THF中Φ_FL= 0.26），这证明了延伸π体系并非该骨架高效发光的先决条件，并且1d可能是目前已知最小的荧光分子之一。烷基取代（如乙基衍生物1e，Φ_FL= 0.57）和炔基取代（如乙炔基衍生物1h，Φ_FL= 0.56）均能保持强荧光。然而，烯基取代的结果呈现出有趣的“双峰性”：乙烯基衍生物1f具有较高的量子产率（0.37），而其结构仅多一个甲基的2-丙烯基衍生物1g的荧光则很弱（0.08）。此外，对5-位氨基的修饰也显著影响发光：将高荧光的苯基衍生物1a的5-NH₂转化为亚胺后，化合物2的荧光几乎完全淬灭（Φ_FL< 0.01）。

为了从机理上阐明这些实验观察到的取代基依赖性，研究团队采用了时间相关密度泛函理论（TDDFT）结合能量移动/单分量人工力诱导反应（ES/SC-AFIR）方法，系统地探索了从第一单重激发态（S₁）到基态（S₀）的非辐射弛豫路径，重点分析了连接S₁极小值（S_1MIN）与S₁/S₀圆锥相交（CI）区域的路径及能垒。计算揭示，对于氢取代（1d）和烷基取代（如甲基模型1e′）的衍生物，涉及嘧啶环扭曲（CI-pR）的CI路径能垒相对较高（分别为58.2和45.0 kJ·mol^-1），这抑制了非辐射失活，从而支持了其高荧光量子产率。对于具有sp²或sp杂化取代基的体系（1f, 1g, 1h），计算发现存在一条涉及从5-NH₂到C=C或C≡C键的分子内氢原子转移（CI-H）的CI路径。其中，荧光较强的炔基衍生物1h通往CI-H的能垒（58.7 kJ·mol^-1）高于荧光较弱的烯基衍生物1g（36.7 kJ·mol^-1），这与实验观测一致。更重要的是，对烯基取代体系的研究揭示，其荧光强弱与4,6-位烯烃取代基的构象密切相关。当C=C双键朝向内侧（靠近5-NH₂，即Rotamer B）的构象在基态下更稳定或可及时，CI-H通道易于打开，导致荧光淬灭（如1g）；而当C=C双键朝向外侧（Rotamer A）更稳定时，则荧光较强（如1f）。这一发现为理解烯基取代C₄N₄的“双峰”荧光行为提供了关键机理依据——构象控制的分子内氢转移是调节其荧光的关键因素。

对5-位亚胺衍生物（2′）的计算提供了一个清晰的“关”态机理：从弗兰克-康登区域到涉及亚胺单元旋转的CI区域（CI-rIm）不存在能垒，这解释了亚胺形成导致荧光几乎完全淬灭的原因。反过来，将亚胺的C=N键还原为饱和的5-位氨基（3）则能显著恢复荧光。这一机理洞察为设计可切换的荧光探针奠定了理论基础。

基于上述“正交设计”理念——即以4,6-位取代的C₄N₄核心作为荧光团平台，而以5-位氮操作作为独立的“开/关”闸门——研究人员成功开发了一种用于检测钯离子（Pd²⁺）的“Turn-on”型荧光探针。探针分子（9a-d）设计为在5-位含有亚胺结构，且该亚胺的氮原子通过一个醚键与邻位的烯丙氧基苄基相连。初始状态下，由于5-亚胺淬灭机理，探针本身不发光或发光极弱。当存在Pd^{2+时，在还原剂（如肼）存在下，Pd催化剂促使烯丙基脱保护，释放出酚羟基，后者随即与邻近的亚胺发生分子内环化，形成环状的N,O-缩醛（10a-d）。这一结构转变有效地“关闭”了由亚胺旋转主导的非辐射通道，从而使C₄N₄核心的荧光恢复，“开启”信号。实验表明，以氟化探针9c为基础的检测体系对Pd2+具有高选择性和灵敏度，可在甲醇溶液中检测到低至10 ppm的Pd2+浓度，且响应时间依赖。该体系对其他常见金属离子干扰小，凸显了其作为药物活性成分（APIs）中痕量钯残留的、低成本、用户友好型荧光预筛查工具的实际应用价值。}

综上所述，本研究通过实验与计算的紧密结合，不仅深入阐明了超小型C₄N₄荧光团其取代基依赖及构象控制的荧光机理，更将基础机理认知转化为创新的功能材料设计。所开发的基于C₄N₄的Pd^{2+探针，是机理导向的理性设计策略的一个成功范例，为针对各种分析物的定制荧光探针开发提供了一个极具前景的紧凑、模块化且机理明确的平台。}