内容提要
我们提出了一种通过骨架功能化构建多功能大环的策略，并成功合成了一类新的[2]三联苯扩展柱[6]芳烃（[2]terphenyl-extended pillar[6]arenes）。在加入苯并噻二唑后，获得了具有聚集诱导发射增强特性的高荧光大环，即[2]三联苯-苯并噻二唑二唑-扩展性[6]芳烃（[2]terphenyl-benzothiadiazole-extension pillar[6]arenes）。随后对调节侧链修饰的研究揭示了不同的单线态氧（¹O₂）生成能力。值得注意的是，与乙烯基修饰的对偶物和无环构建块相比，季铵功能化的大环在光照射下显示出更低的量子产率，但更优越的¹O₂生成效率，同时保留了靶向荧光成像能力。
结果与讨论
分子设计、合成和光物理性质
本工作中提出的新合成大环的合成方法被认为是必不可少且具有创新性的方法，它允许在大环骨架上引入不同的官能团，同时提供了一种通用的结构修饰手段，且保持核心框架的完整性。以TEt为例，第一步是通过1,4-二溴苯和（4-甲酰苯基）硼酸之间的铃木偶联合成双醛化合物1，然后用NaBH₄还原，将醛基定量转化为苯甲醇。随后，以SOCl₂为试剂，将羟甲基转化为氯甲基，形成化合物2。无环构建块M-E通过Friedel-Crafts烷基化反应合成，其中化合物2在AlCl₃作为催化剂的存在下与过量的1,4-二氧基苯反应，产物收率为40%。然后，以BF₃·Et₂O为催化剂，以多聚甲醛和M-E为反应物，进行常规的一锅大环化反应，产率为38%的TEt。TMe、TBMe和TBEt的合成路线与TEt的合成策略相同，证明了该方法在容纳不同亚基方面的通用性。我们也用1,4-双（2-溴乙氧基）苯单元合成了MBr。通过合成后改性得到相应的水溶性季铵化合物BN。或者，MBr可以首先通过Friedel-Crafts反应进行环化，得到TBBr，然后使用相同的后修饰方法进一步修饰，得到水溶性大环TBN。
在TBEt中，苯并噻唑单位作为缺电子基团，与相邻的苯环形成经典的供体-受体-供体（D-A-D）结构。与TEt相比，TBEt的苯并噻唑区电负性更强。将苯并噻唑引入[2]Tp-ExP6后，荧光发生了明显的红移，发射光谱从[2]Tp-ExP6中的357 nm移至[2]TpB-ExP6中的506 nm。Stokes位移从TEt中的70 nm显著增加到TBEt中的220 nm。值得注意的是，经过修饰的TBN保持了这种增强的Stokes位移特性。基于[2]TpB-ExP6大环所表现出的优越性质，我们对其光物理特性进行了更深入的研究。与各自的无环构建块相比，TBMe和TBEt在CHCl₃中都表现出显著增强的荧光发射，这是在大环化后常见的现象。这些大环的荧光发射对溶剂极性的变化仍然相对不敏感。以TBEt为例，对其在DMF/水混合体系中的发光特性进行了分析。随着水的加入，TBEt的发射强度成比例地增加，水是一种较差的化合物溶剂。在80%的水中进行的Tyndall效应具有明显的光散射路径，表明聚集体形成。不同含水量下的互补SEM分析揭示了明显的形态转变：在低聚集水平下，材料作为具有相对较大尺寸的离散实体存在，而渐进聚集导致更紧凑的空间排列，并伴有粒径的显著减小。在丙酮/水混合物中也观察到类似的荧光增强，进一步证明了AIEE效应。这强烈地表明了大环的AIEE特性。此外，无环构建块BM-E和大环TBEt分别表现出蓝色和绿色的荧光发射，在固体状态下峰值波长分别约为488和507 nm，在固体状态下其发射光谱表现出明显的红移。测量了苯并噻二唑修饰的大环和无环构建块的荧光寿命和量子效率。值得注意的是，与BM-E的52%的量子产率相比，大环TBEt的发射光谱出现了红移，但仍保持了61%的高量子产率。同样，BM和大环TBMe也表现出相当的光物理性质。这一结果强调了大环化的光物理稳定性，进一步验证了苯并噻唑修饰的大环在高级光物理应用方面的潜力。
ROS生成能力的评价
我们探索了水溶性大环的合成，并评估了它的ROS生产能力。在526 nm处观察到水溶性TBN的荧光发射，与TBEt（506 nm）相比，表现出20 nm的红移，与无环构建块BN相似。进一步研究其在水/丙酮体系中的发光行为表明，随着丙酮（一种较差的溶剂）含量的增加，荧光强度增强。这一结果证实，即使在水溶性后，大环仍保持其AIEE性质。此外，在固态下，TBN的量子产率为13%，荧光寿命为4.16 ns。然后，我们选择9,10-蒽二基-双（亚甲基）二丙二酸（ABDA）作为探针，检测¹O₂在白光照射下的生产能力。在TBN存在的情况下，ABDA的吸光度随着时间的推移而下降，因为¹O₂的生成诱导了ABDA中蒽基部分的[4+2]环加成，在中心环形成内过氧化物，而ABDA（空白对照）的吸光度几乎没有变化。BN存在时吸光度降低小于20%，说明TBN的¹O₂生成能力明显强于BN。TBEt不能生成¹O₂。我们还使用二氯二氢荧光素（DCFH）作为探针来检测ROS的生产能力。更重要的是，主客体复合物仍然具有出色的¹O₂生成能力。为了进一步比较大环与无环构建块的抗菌优势，我们测量了它们的zeta电位。大环带更多正电，使其更容易通过静电相互作用吸附到带负电的细菌细胞膜，这一特性使其有望用作抗生素。
为了阐明与无环构建块相比，大环的ROS生成能力增强，我们首先对大环化合物TBN及其无环构建块BN进行了几何优化。随后，计算两种物质的前沿分子轨道（HOMO和LUMO）的能量。计算结果表明，TBN的LUMO能级为−13.32 eV，HOMO能级为−16.49 eV，对应的HOMO-LUMO能隙（ΔE）为3.17 eV。相比之下，BN的LUMO能量为−7.33 eV，HOMO能量为−10.71 eV，间隙为3.38 eV。与它们的紫外吸收相对应，大环的吸收峰在392 nm处，无环构建块的吸收峰在386 nm处。观察到的电子结构有力地证实了通过大环化实现的显著性能增强。总的来说，这些计算结果表明，大环结构有助于降低分子的激发能，使其电子更容易被激发。从能级图中可以明显看出，与BN相比，TBN具有更强的¹O₂生成能力。这一优势源于TBN（0.86 eV）与BN（1.04 eV）相比，单线态和三重态之间的能隙更小（ΔEₛ₁₋ₜ₁）。这是一个关键因素，表明更有效的系统间交叉——形成¹O₂所需的关键过程。因此，这些因素的结合清楚地表明，TBN比BN更有效地生成¹O₂。
光动力抗菌性能
基于TBN的光物理性质，我们进行了流式细胞术实验，验证其对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的靶向能力。对照组（橙色峰）表现出较低的荧光强度，而实验组（蓝色峰）则明显向较高的荧光强度转变。这两个峰的明显分离表明TBN可以有效地与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌结合，在实验条件下证实了其较强的靶向能力。两种细菌与TBN共孵育后，使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）进行细菌成像实验。两株细菌均表现出亮绿色荧光，证实了TBN在细菌内的有效相互作用和内化。这些结果为TBN中的季铵基团促进细菌结合提供了强有力的证据，为进一步的抗菌研究奠定了基础。为了解决第三代头孢菌素CZX对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的有限疗效，我们开发了一种使用TBN大环的混合系统。该系统利用CZX的互补特性——对革兰氏阴性大肠杆菌有效，但对革兰氏阳性细菌的作用较弱，以及大环独特的杀菌能力（包括其¹O₂生成），以增强广谱抗菌活性。通过多种光谱技术证实了TBN与CZX之间的1:1结合化学计量。1D ²H₂O的¹H NMR研究揭示了CZX的前场偏移络合后的质子，表明包涵诱导的屏蔽效应。荧光光谱的Job plot分析进一步验证了1:1的结合比。HRMS光谱也证实了复合物的形成。荧光滴定和等温滴定量热法得到的关联常数（Kₐ=(6.02±0.02)×10³ M⁻¹），显示出良好的主客体亲和力。为了评估主-客体结合对抗菌活性的贡献，我们使用比CZX对TBN具有更强亲和力的蒽醌-2,6-二磺酸二钠盐作为竞争客体（G1）。随后测定了大环TBN、客体CZX和G1（MIC >1000 μM）的最大抑制浓度（MIC）实验。在金黄色葡萄球菌中，竞争客体释放CZX，使TBN和CZX独立作用，抗菌效果略低于主客体复合物。在独立抗菌试验中验证了主-客体相互作用后，引入光照射作为一个额外的因素来增强抗菌效果并减少所需的药物剂量。通过将CZX的内在活性与细菌靶向TBN和¹O₂介导的杀菌作用相结合，该系统克服了CZX单药治疗的局限性。与黑暗条件相比，TBN/CZX复合物在白光下的抗菌活性显著增强，MIC实验和细胞菌落证明了这一点。对大肠杆菌，MIC值从6.25 μM（暗）下降到1.5 μM（亮），而金黄色葡萄球菌和MRSA从250 μM降低到31.25 μM。这种光激活增强与¹O₂生成相关，与BN相比，大环的¹O₂生成更优证实了这一点。值得注意的是，该系统对革兰氏阴性大肠杆菌比革兰氏阳性金黄色葡萄球菌表现出更强的效力，大肠杆菌的最小生物膜根除浓度（MBEC）值为1.5 μM，金黄色葡萄球菌和MRSA的最小生物膜根除浓度（MBEC）值为62.5 μM。扫描电镜形态学分析显示，处理组中存在大量细菌膜损伤，证明了双重机制：通过季铵盐基团破坏生物膜和¹O₂介导的细胞破坏。对照实验证实，单独的TBN在黑暗条件下的抗菌活性最小，而光暴露的大环由于¹O₂的产生而表现出中等的杀菌作用。这些结果表明，复合物作为一种结合物理生物膜破坏和光动力治疗机制的有前景的光响应抗菌平台具有协同效应。
TBN对哺乳动物细胞（L929）在0-250 μM的不同浓度下的细胞毒性进行了评估。结果表明，在所有测试浓度下，细胞存活率均保持在90%以上，显示出较低的细胞毒性和良好的生物相容性。TBN的溶血活性在非辐照条件下用PBS存在的羊红细胞作为阴性对照，Triton X-100（1%）作为阳性对照，以及不同浓度的复合物进行评估。在所有测试浓度下，TBN的溶血活性都可以忽略不计，溶血率保持在5%以下。相比之下，Triton X-100引起近100%的溶血，验证其作为阳性对照的使用。这些结果表明，TBN具有良好的血液相容性，支持其进一步的生物和抗菌应用的安全性。
结论
我们设计并合成了一类新的[2]Tp-ExP6大环，实现了精确的骨架功能化，拓宽了超分子体系的设计灵活性。结构表征表明，这些扩展的大环表现出特有的倾斜堆叠排列，同时提供了优越的功能适应性。值得注意的是，D-A-D结构的[2]TpB-ExP6表现出增强的光物理性质，系统侧链工程揭示了关键的结构-功能关系：季铵改性诱导了降低量子效率和大幅提高¹O₂生成效率之间的权衡，从而实现了有效的细菌靶向成像。大环与CZX具有协同抑菌作用。对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和MRSA的综合抗菌评价表明，光活化TBN/CZX复合物比单独CZX具有更好的杀菌效果，有效克服了传统抗生素治疗的固有局限性。这项工作展示了一种强大的策略，通过修改侧链，建立一个多功能平台，通过合理的大环设计，集成了成像和抗菌能力，从而生成¹O₂。
参考文献
Macrocycle formation-mediated augmentation in reactive oxygen species production，Ao Liu, Youtao Xin, Yong-Kang Zhu,Yuan-Hang Jin,Yue Yang, Hongzhu Chen,Meng-Hao Li,Xin-Yue Lou, Xin Wang*， Hui Gao* and Ying-Wei Yang *，Chem Sci., DOI: 10.1039/d5sc06637a
