荧光探针是生物学的重要研究邻域。利用化学的手段调节荧光团的性质可将染料基于特定的应用场景进行微调。其中荧光素和罗丹明染料作为生物探针具有优异的性能1-2。氧杂蒽荧光探针被应用主要基于其两个特性：高荧光的两性离子形式和无荧光的内酯形式之间的平衡；通过拓宽共轭或氧原子的取代对光谱特性进行微调的能力。
其中硅取代的氧杂蒽类染料（SiFl, SiRh）被认为具有生物成像的潜力。与氧罗丹明相比，其光谱红移了~100 nm。基于硅罗丹明优异的性能制备的荧光探针已经被用于显微成像的前沿领域，如荧光标记、染色等。发展新型的SiFl和SiRh衍生物的一个显著问题为现存的合成策略效率较低。
基于此，我们研发了一种新型的SiFl和SiRh的合成策略。在该策略中富电子的双芳基金属中间体与酸酐/酯进行反应生成中心C-C键（图1）。所用的化合物6可以由相应的二溴化合物制备，较硅蒽酮的中间体更易获得。
图1 Si-荧光素和Si-罗丹明合成策略
Si-荧光素的合成
首先合成了SiFl，在碱性条件下，其光谱出现了明显的红移（λmax = 579 nm, λem = 599），摩尔消光系数（ε = 93 000 M−1 cm−1）和量子产率高（Φ = 0.53）。该染料同样显示出了pH敏感型，pKa = 8.27。但该值较生理pH值高，限制了其在成像方面的应用。作者用该策略高效的拓展了一系列的氟取代硅基荧光素。该合成路线从化合物1出发，经过了5步，总收率为48%，与之前的合成方法相比，产率提高了8倍，反应减少了4步（图2a）。
由于氟原子的存在，化合物24-26的光谱红移了15-20 nm，全氟取代的化合物27的光谱进一步红移了20 nm（图2b）。重要的是，氟取代对SiFl的pH敏感性具有显著的影响，氟取代越多，pKa降低的幅度越大（图2c-d）。
图2 Si-荧光素的合成及特性
Si-罗丹明的合成及特性
我们探讨了该合成策略是否可以应用于SiRh的合成中。与之前合成硅罗丹明的方法相比（11步，产率4.6 %），该方法仅需4步，收率提高了近10倍。为了研究该反应的普适性，作者选择了一些含氨基的底物。每种二溴化物与邻苯二甲酸酐或四氟邻苯二甲酸酐结合时均具有良好的耐受性（图3）。
由于在水溶液中SiRh染料的内酯-两性离子平衡向闭环无色的形式移动，SiRh显示出了较低的可见光吸收。为了进一步比较各种Si-罗丹明的摩尔消光系数，我们在酸性介质中进一步测试。四氟衍生物35的显示出了20 nm的光谱红移以及低的量子产率。但其在水介质中具有较大的摩尔消光系数(εwater = 112 000 M−1 cm−1)，与εmax (116 000 M−1 cm−1)相当。而四氯衍生物39显示出了对内酯-两性离子平衡更小的影响，其在光谱上有更大的红移，但量子产率更小。JF646的2’，7’-二氟取代物32和36溶解性极差，分子在大多数溶液中以闭环的形式存在，导致了极低的摩尔消光系数。总之，用磺化作用、较小的杂环或氟修饰苯环可以稳定两性离子以拓展硅罗丹明在细胞染色、标记等方面的应用。
图3 用双（5-氨基-2-溴苯）硅合成硅罗丹明
SiR-alkyne
SiR-azide
SiR-BCN
SiR-COOH；SI-TAMRA-6-COOH
SiR-Maleimide
SiR-NHS ester
SiR-tetrazine
SiR-Me-tetrazine
SiR-DBCO
SiR650-BG
SiR700-BG
SiR-PEG3-TCO
SiR-PEG4-alkyne
SiR-PEG4-azide
SiR-PEG4-BCN
SiR-PEG4-COOH
SiR-PEG4-Maleimide
SiR-PEG4-NHS ester
SiR-PEG4-tetrazine
SiR-PEG4-DBCO
SiR-PEG4-Me-tetrazine
Hochest-SiR
5-HMSiR-Hochest