英文原题：Dibenzononazethrene Isomers: Stable Singlet Diradicaloids with Efficient Photothermal Conversion

通讯作者：孙哲，马骁楠，天津大学；马岚，清华大学

作者：Xiaoqi Tian† (田小祺), Mingzhe Wang† (王明哲，共同一作), Lei Ye (叶雷), Yixuan Gao (高艺瑄), Guo Yu (于果), Menglan Lv (吕梦岚), Xiaonan Ma* (马骁楠), Lan Ma* (马岚), and Zhe Sun* (孙哲)

研究背景：

具有中等或较大双自由基系数的有机双自由基的基态可以被描述为双自由基构型（共价型）和闭壳构型（离子型）的混合，其第一激发态（S₁）由于保留了基态（S₀）的对称性，使得S₀到S₁的跃迁为单光子吸收禁阻。同时，S₀到S₂的跃迁具有较大的振子强度。因此，这类双自由基通常具有较强的近红外吸收且无荧光发射（光热效率较高）。这种性质很适合应用于肿瘤光热治疗领域，因为由于长波长的光在组织中具有更深的穿透性和更小的创伤性。然而目前关于有机双自由基在光热治疗中的应用还很少，主要原因在于双自由基系数越大，有机双自由基的稳定性越差，难以实现其潜在的应用。

因此，设计合成具有良好稳定性的有机双自由基是拓展其潜在应用的基础。Z型并苯是一类典型的有机双自由基，已经被广泛研究。目前报道的最大的Z型并苯为Z型并九苯，由于其较差的稳定性，还无法通过单晶衍射对其进行表征，更无法研究其潜在的应用。针对上述问题，作者提出通过在分子结构的轴向和斜向引入全苯结构的策略提升有机双自由基的热力学稳定性，并基于此策略合成了两个二苯并Z型并九苯衍生物（DBNZ1和DBNZ2）。得益于优异的稳定性，DBNZ1和DBNZ2可以利用单晶X射线衍射进行表征。进一步发现DBNZ1纳米颗粒（DBNZ1-NPs）的光热转换率达到了72.9%，可以媲美已报道的大部分有机光热剂。

图1. 并九苯和Z型并九苯的结构 (a), 本文中合成的两个二苯并Z型并九苯衍生物的共振式 (b).

内容介绍：

1. 作者设计了通过引入芳香苯环来提高Z型并苯的热力学稳定性的策略，并基于此策略高效合成了两个二苯并Z型并九苯衍生物（DBNZ1和DBNZ2）。由于共轭体系的延展以及大位阻取代基的引入，所合成的二苯并Z型并九苯衍生物展现出了良好的稳定性，使得作者成功获得了其单晶结构（图二）。这是目前可以获得单晶结构的最长的Z型并苯衍生物。

图2. 二苯并Z型并九苯衍生物的合成路线和单晶结构

2. 作者对DBNZ1和DBNZ2的磁性以及光物理性质进行了表征（图3）。变温ERP以及理论计算证实这两个分子的基态为单线态双自由基，其双自由基系数分别为0.67和0.69，DBNZ1的单三线态能垒为−6.20 kcal mol⁻¹，DBNZ2的单三线态能垒为−4.98 kcal mol⁻¹。吸收光谱显示DBNZ1和DBNZ2分别在687纳米和672纳米处展现出很强的吸收峰，其摩尔吸光系数可达到8.78 × 10⁴ M⁻¹ cm⁻¹。飞秒瞬态吸收（fs-TA）光谱显示激发态主要为高能的S₂态，定量拟合结果显示激发态呈双指数衰减。这两个化合物优异的光吸收特性以及高效的非辐射跃迁表明其具有良好的光热转换能力，具有进一步探索其作为光热治疗剂的潜在应用价值。

图3. 二苯并Z型并九苯衍生物的EPR谱图以及光物理性质

3. 作者将DBNZ1和DBNZ2制备成了具有水溶性的纳米颗粒，并利用动态光散射和透射电子显微镜对制备的纳米粒子进行了表征。其中包被DBNZ1的纳米颗粒在808nm的激光照射下，具有明显的光热效应（图4）。在1W/cm²的光照强度下，浓度为200 μg/mL的DBNZ1-NPs的温度迅速升高，4min后可即达到66.7℃，且光热转换效率值（PCE）达到72.9%。同时，DBNZ1-NPs表现出很高的光稳定性，在4个激光照射周期内能保持一致的光热性能。在体外细胞实验中，DBNZ1-NPs本身对细胞无毒性，在激光照射下显示出肿瘤细胞杀伤效果。这些发现证明了DBNZ1-NPs在肿瘤光热治疗中的巨大潜力。

图4. DBNZ1的光热测试

总结/展望：

该文章通过引入芳香苯环来提高Z型并苯的热力学稳定性的策略，合成了具有优异稳定性的二苯并Z型并九苯衍生物，其结构由单晶衍射确认。变温EPR以及理论计算证实所合成的二苯并Z型并九苯衍生物的基态为单线态双自由基。光物理测试证实其具有优异的光吸收特性以及高效的非辐射跃迁。此外，由DBNZ1制备的纳米粒子的光热转换效率达到了72.9%，进一步的体外实验显示DBNZ1-NPs在激光的照射下可以有效的杀死肿瘤细胞。这一成果揭示了共轭苯环的引入对双自由基的稳定性的提升具有重要作用。文章揭示了稳定的双自由基在生物领域的潜在应用，为稳定的双自由基的合成与应用提供了新的设计思路。

Cite this: Tian, X.; Wang, M.; Ye, L.; Gao, Y.; Yu, G.; Menglan Lv; Ma, X.; Ma, L.; Sun, Z. Dibenzononazethrene Isomers: Stable Singlet Diradicaloids with Efficient Photothermal Conversion. Precision Chemistry 2025. https://doi.org/10.1021/prechem.5c00026.