第1章典型聚集诱导发光化合物的合成
1.1概述
唐本忠教授课题组在2001年偶然发现化合物1-甲基-1，2，3，4，5-五苯基噻咯在稀溶液中不发光，在聚集态或固态下的发光却明显增强。他们借此机遇，*次提出聚集诱导发光（AIE）的概念，并展开深入研究[1]。历经20多年的发展，唐本忠教授课题组在AIE现象的发光机理、AIE分子的设计理论、AIE材料的应用范畴及技术应用方面进行了深入系统的研究并取得了丰硕的研究成果，尤其是AIE先进功能材料被广泛地应用于光电器件、生物探针、诊疗一体化、化学传感和智能材料等领域[2-6]。唐本忠教授团队开创了一个全新的研究方向，并且引领了整个研究领域的跨学科、多交叉和全方位的发展。AIE现象的本质主要归因于聚集态下分子内运动受限（restriction of intramolecular motion，RIM）：分子运动受到限制后，降低了激发态分子的能量损耗，从而促进激发态分子以辐射跃迁的形式，即发光的形式释放能量[7-9]。分子内运动受限的形式主要有两种：分子内旋转受限（restriction of intramolecular rotation，RIR）和分子内振动受限（restriction of intramolecular vibration，RIV）。RIM发光机理的提出，给新型AIE分子和先进功能材料的开发提供了重要的指导意义。目前已经报道了数以百计的AIE分子，在本书中无法对每个AIE分子的合成方法进行详细介绍。鉴于绝大部分AIE分子都是通过AIE基元构建的，本章将着重介绍三种典型的AIE基元及其常用中间体的合成方法，希望可以给相关的科研工作者，尤其是给不具备有机合成背景的学生、教师和其他科研工作者提供参考。目前最常用的AIE基元主要包括四苯乙烯、噻咯和四苯基吡嗪骨架。本章的主要内容将围绕这三种典型AIE基元及其常用中间体的合成方法、反应机理和实验操作的详细介绍来展开。
1.2四苯乙烯及其衍生物的合成
四苯乙烯（tetraphenyl ethene，TPE）分子的构象类似于一个螺旋桨（图1-1），其中的四个苯环作为转子可围绕双键发生自由旋转运动。2007年，唐本忠教授课题组*次报道了三个具有AIE效应的TPE衍生物，并且可以实现对牛血清白蛋白的定性和定量检测[10]。此后十几年的研究成果表明TPE骨架凭借其*特的螺旋桨结构、简易的合成方法、易调节的分子结构和高效的固态发光成为AIE研究领域最为重要的AIE基元。TPE及其常用衍生物的合成方法主要有三种：麦克默里（McMurry）偶联反应、铃木（Suzuki）偶联反应和加成-消除反应。下面将分别对这三种合成方法的反应条件、反应机理和实验操作进行详细介绍。
如图1-2所示，McMurry偶联反应是一个两分子酮或醛在钛的氯化物和还原剂的作用下发生脱氧偶联生成烯烃的有机人名反应，此反应名称取自发现者之一John E.McMurry[11]。该反应的反应机理涉及两步关键反应：首先，钛的氯化物（如四氯化钛）经还原剂（锌粉、镁粉、硒粉等）还原生成低价钛，低价钛和羰基之间发生单电子转移过程，诱导两分子羰基发生偶联生成1，2-二醇与钛的络合物；然后，1，2-二醇与钛的络合物在高温下发生脱氧反应生成终产物烯烃和二氧化钛。根据上述反应机理不难发现，McMurry偶联反应主要适用于制备对称烯烃。在理论上，非对称烯烃也可通过发生交叉McMurry偶联反应来制备，但是要求其中一种羰基化合物必须过量，尽量降低副反应的反应速率。McMurry偶联反应具有反应条件温和、反应效率高及反应原料廉价易得等优点。大部分TPE衍生物主要是通过二苯甲酮及其衍生物发生对称或交叉McMurry偶联反应来制备的。如果以二苯甲酮及其衍生物作为反应原料，通常采用四氯化钛作为低价钛的来源，锌粉作为还原剂，无水四氢呋喃作为溶剂。交叉McMurry偶联反应可选择性加入吡啶，在某些情况下有助于提高反应效率[12]。下面以TPE分子的合成为例，对McMurry偶联反应的具体实验操作过程进行详细说明。
通过McMurry偶联反应合成TPE分子的反应条件如图1-3所示，以廉价的市售原料二苯甲酮作为反应原料，四氯化钛作为低价钛的来源，锌粉作为还原剂，无水四氢呋喃作为溶剂。具体的实验操作步骤如下[13]：在氮气气氛下，向反应瓶中加入锌粉（7.2g，110.77mmol）和无水四氢呋喃（80mL），并置于冰水浴中搅拌反应10min。向上述反应液中缓慢滴加四氯化钛（6mL，54.50mmol），撤掉冰水浴，加热回流搅拌反应2h。向上述反应液中缓慢滴加二苯甲酮（5.0g，27.47mmol）的四氢呋喃溶液（20mL），继续回流搅拌反应过夜。待反应结束后，向反应瓶中加入稀盐酸溶液猝灭反应，采用乙酸乙酯萃取，有机相用去离子水洗涤，用无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩。所得粗产物用乙醇洗涤，过滤得到白色晶状固体（产率为80%）。
McMurry偶联反应常用的后处理方法有三种：①加入10%的碳酸钾溶液猝灭反应[14]；②加入稀盐酸溶液猝灭反应[13]；③加入5%的氯化铵溶液猝灭反应[15]。加入碳酸钾溶液猝灭反应时，会有沉淀析出，需先过滤，然后再进行萃取。对于含有对碱敏感的官能团的反应底物，可以选择加入稀盐酸或氯化铵溶液猝灭反应；反之，对于含有对酸敏感的官能团的反应底物，可以选择加入碳酸钾或氯化铵溶液猝灭反应。但是，如果反应底物中含有对酸或碱都敏感的官能团，可选择加入氯化铵溶液猝灭反应。
Suzuki偶联反应是指以零价钯配合物作为催化剂，碱金属盐作为碱，芳（烯）基硼试剂与芳（烯）基卤化物之间发生的交叉偶联反应。该反应是一个**的有机人名反应，名称取自发现者AkiraSuzuki教授[16]。如图1-4所示，Suzuki偶联反应的反应机理主要涉及两步关键反应：*先，零价钯与芳（烯）基卤化物R—X发生氧化加成反应生成中间体1，中间体1与碱金属盐NaOR″发生配体交换生成亲电性的中间体2，中间体2与芳（烯）基硼试剂发生配体交换反应生成中间体3，中间体3发生还原消除反应生成偶联产物R—R′，同时再生零价钯，完成催化循环。根据上述反应机理不难发现，Suzuki偶联反应常用于合成多烯烃、苯乙烯和联苯衍生物。Suzuki偶联反应的优势主要包括：对反应底物中各种官能团（醛基、羰基、酯基、氰基、硝基、甲氧基等）的兼容性很好；硼试剂易于合成、稳定性好；反应具有区域和立体专一性。下面以TPE分子的合成为例，对Suzuki偶联反应的具体实验操作过程进行详细说明。
通过Suzuki偶联反应合成TPE分子的反应条件如图1-5所示，以市售的原料1-溴三苯乙烯和苯硼酸作为反应原料，氢氧化钾作为碱，乙酸钯作为零价钯来源，三苯基膦（PPh3）作为配体，体积比为1∶1的甲醇/四氢呋喃混合溶剂作为反应溶剂。具体的实验操作步骤如下[17]：在氮气气氛下，向反应瓶中依次加入1-溴三苯乙烯（335.2mg，1.0mmol）、苯硼酸（146.3mg，1.2mmol）、乙酸钯[0.5mol%（摩尔分数，余同），0.005mmol]、三苯基膦（1mol%，0.01mmol）、氢氧化钾（110.2mg，2.0mmol）和甲醇/四氢呋喃混合溶剂（5mL），在室温下搅拌反应过夜。待反应结束后，向反应瓶中加入适量乙醚稀释反应液，然后加入1mol/L氢氧化钠溶液进行萃取，有机相用饱和食盐水洗涤，用无水硫酸镁干燥，过滤，减压浓缩。所得粗产物采用硅胶柱层析法（洗脱剂：石油醚）进行分离纯化（产率为88%）。
采用上述方法合成TPE骨架的优点是反应底物来源于市售的原料，并且可以通过在反应底物苯硼酸中引入各种官能团（醛基、硝基、氰基、羧基等）来制备单取代TPE衍生物。这些含有活性官能团的单取代TPE衍生物是构建新型AIE分子和先进功能材料常用的反应中间体。但是，该方法的局限性在于起始原料1-溴三苯乙烯的价格比较高，并且不适用于获取多取代TPE衍生物。如果想通过Suzuki偶联反应制备多取代TPE衍生物，可以采用下面这种改进的合成路线[18]。
如图1-6所示，反应原料二苯甲酮、三苯基膦和四溴化碳三者之间发生Corey-Fuchs反应可生成1，1′-二溴-2，2′-二苯乙烯。该烯基溴化物含有两个活性溴原子，因此可以和两倍当量的苯硼酸发生Suzuki偶联反应生成TPE分子。该方法的优点在于通过在反应底物苯硼酸中引入各种官能团（醛基、硝基、氰基、羧基等），可以很方便地合成双取代TPE衍生物，并且通过控制反应底物的投料比，可以选择性地合成含相同或不同取代基的双取代TPE衍生物。此外，进一步在反应底物二苯甲酮中引入取代基，还可以制备含相同或不同取代基的多取代TPE衍生物。该方法的缺点在于反应原料四溴化碳的毒性比较大，受高热会分解产生有毒的溴化物，并且不能和强氧化剂、强碱接触，因此在实验操作过程中需要格外谨慎，并做好防护措施。
加成-消除反应是指加成和消除两步反应依次发生在同一个反应过程中的有机化学反应。加成反应是指两个或多个分子相互作用生成一个加成产物的有机反应，通常发生在含有不饱和键（双键、三键）的底物中。该反应的表现形式是不饱和键打开后在键两端的原子各连接上一个新的基团。最常见的加成反应包括烯烃的亲电加成反应和羰基的亲核加成反应。消除反应是指一种有机分子和其他物质相互作用后，失去部分原子或官能基（称为离去基）的有机反应。该反应的表现形式是在反应底物中引入不饱和键（双键、三键），将其转变为不饱和有机化合物。在此以TPE分子的合成为例对加成-消除反应的反应机理进行说明。如图1-7所示，二苯甲烷和二苯甲酮之间发生加成-消除反应即可生成TPE分子。加成-消除反应的反应机理涉及两步关键反应：*先，二苯甲烷和正丁基锂（n-BuLi）反应生成二苯甲基锂试剂，该活性锂试剂是很强的亲核试剂，可以进攻二苯甲酮的羰基发生亲核加成反应生成锂盐中间体1，中间体1在酸性条件下转变成中间体2，中间体2中的羟基在酸性条件下发生质子化转变成中间体3，中间体3脱掉一分子水生成碳正离子中间体4，中间体4的β-氢发生消除反应即可生成终产物TPE。

目录
总序
前言
第1章 典型聚集诱导发光化合物的合成 1
1.1 概述 1
1.2 四苯乙烯及其衍生物的合成 2
1.3 噻咯及其衍生物的合成 21
1.4 四苯基吡嗪及其衍生物的合成 29
1.5 总结 33
参考文献 33
第2章 聚集诱导发光现象的判定及表征 37
2.1 聚集诱导发光*线的绘制和照片拍摄 37
2.1.1 溶剂的选择 38
2.1.2 溶剂的取用 39
2.1.3 样品池的准备 39
2.1.4 混合溶剂的配制方法 40
2.1.5 荧光光谱的测定 45
2.1.6 照片的拍摄 46
2.1.7 AIE*线的绘制 47
2.2 黏度效应 48
2.3 对分子聚集的判断方法 49
2.3.1 通过动态光散射技术判断聚集体的生成 49
2.3.2 通过紫外吸收光谱“拖尾现象”判断聚集体的生成 50
2.3.3 通过扫描电子显微镜辅助证明聚集体颗粒的形成 50
2.4 通过其他手段判断聚集诱导发光现象 52
2.4.1 通过主客体相互作用判断聚集诱导发光现象 52
2.4.2 通过配位作用判断聚集诱导发光现象 55
2.4.3 通过静电相互作用判断聚集诱导发光现象 57
2.4.4 通过亲疏水相互作用判断聚集诱导发光现象 58
2.4.5 温度效应 59
2.4.6 浓度效应 59
参考文献 61
第3章 聚集诱导发光现象所涉及的光物理、光化学过程判定及光谱表征 63
3.1 概述 63
3.2 扭*分子内电荷转移 64
3.3 激发态分子内质子转移 76
3.4 光化学反应 82
参考文献 87
第4章 聚集诱导发光分子动力学行为的表征手段 91
4.1 时间分辨光谱技术 91
4.1.1 时间分辨光谱技术的分类与原理 91
4.1.2 时间分辨光谱在聚集诱导发光现象中的应用 97
4.2 固体核磁共振技术 119
4.2.1 概述 119
4.2.2 固体核磁共振实验技术简介 121
4.2.3 固体核磁共振研究AIE微观机理 124
4.2.4 总结 136
参考文献 137
第5章 基于聚集诱导发光分子的薄膜材料 143
5.1 概述 143
5.2 薄膜材料的制备方法 144
5.3 薄膜材料的性质表征 146
5.3.1 热稳定分析 146
5.3.2 相分离观测 152
5.4 基于聚集诱导发光分子的薄膜材料的应用实例 156
5.4.1 例一 156
5.4.2 例二 157
5.4.3 例三 160
5.4.4 例四 163
5.5 补充信息 166
参考文献 167
第6章 聚集诱导发光材料在生物成像领域的相关操作及表征 171
6.1 概述 171
6.2 细胞器成像 172
6.2.1 线粒体成像及实例分析 173
6.2.2 溶酶体成像及实例分析 178
6.2.3 脂滴成像及实例分析 180
6.2.4 细胞膜成像及实例分析 182
6.2.5 细胞核成像及实例分析 184
6.3 细菌成像 186
6.3.1 体外细菌成像及实例分析 186
6.3.2 体内细菌成像及实例分析 191
6.4 聚集诱导发光纳米颗粒的制备、表征及实例分析 192
6.4.1 PEG包裹的纳米颗粒 192
6.4.2 BSA包裹的纳米颗粒 196
6.4.3 硅基纳米颗粒 198
参考文献 201
第7章 聚集诱导发光材料在生物及化学传感领域的相关操作及表征 204
7.1 概述 204
7.2 生物酶检测 204
7.2.1 组蛋白去乙酰化酶成像及实例分析 205
7.2.2 碱性磷酸酶成像及实例分析 207
7.2.3 糖苷水解酶活性成像及实例分析 208
7.2.4 脂酶成像及实例分析 210
7.3 生物体内小分子检测 212
7.3.1 过氧化氢检测及实例分析 213
7.3.2 硫醇检测及实例分析 216
7.3.3 超氧阴离子检测及实例分析 219
7.3.4 柠檬酸盐检测及实例分析 221
7.3.5 抗坏血酸检测及实例分析 224
7.4 金属离子检测 227
7.4.1 汞离子检测及实例分析 228
7.4.2 镉离子检测及实例分析 231
7.4.3 钙离子检测及实例分析 234
7.4.4 钾离子检测及实例分析 237
7.5 其他化学物质检测 240
7.5.1 2，4，6-*****检测及实例分析 240
7.5.2 胺蒸气检测及实例分析 242
7.5.3 氰化物检测及实例分析 245
参考文献 248
附录 聚集诱导发光教学实验设计 249
实验一 利用Reimer-Tiemann反应合成水杨醛缩肼AIE分子的综合实验 249
实验二 具有AIE性能的水杨醛席夫碱的合成与性能研究综合实验 254
实验三 一种具有压致荧光变色性能的AIE分子的合成与性能研究综合实验 259
实验四 一种AIE分子的合成、表征及其性能研究 264
实验五 四苯乙烯的合成、表征及其在爆炸物检测中的应用 269
实验六 利用AIE现象观察分子定向运动的综合实验 273
实验七 AIE荧光聚合物RAFT可控合成与表征及光物理性质研究 280
实验八 基于联二萘酚手性AIE分子的合成、表征及性质研究的综合实验 287
参考文献 294
关键词索引 295