Development of benzo[d]imidazole-pyrrolo[1,2- a]pyrazine and benzofuro[2,3-c]isoquinoline scaffolds with unique optical properties

Abstract

An innovative approach to the development of novel fluorophores have shown great importance, especially those with unique photophysical features which are of great significance in practical applications. Here, we introduce a new benzo[d]imidazole-pyrrolo[1,2-a]pyrazine hybrid structure via one-pot double cyclodehydration and aromatization. Through optical characterization, the compounds exhibited unique emission properties with deep blue emission in the aggregated and solid states due to dramatic substituent effect. Extending an additional benzene ring to the benzo[4,5]imidazo[1,2-a]pyrrolo[2,1-c]pyrazine scaffold significantly increases the intensity of the blue fluorescence in the solution state. We also developed a novel blue AIE luminogen (AIEgen) with a benzofuro[2,3-c]isoquinoline scaffold that can induce a significant increase in the aggregate and solid states with a single methoxy substituent that modulates specific intermolecular interactions. Based on our single crystal X-ray diffraction (XRD) analysis, the presence of the methoxy group to the C4 position regulates the rotation of the phenyl group attached to the C5 position. This specific configuration rigidifies the intermolecular network and packing geometry, leading to the population of the radiative channel in the aggregated and solid states. These novel scaffolds show promise to contribute to future strategic AIEgen research and various bioimaging and optoelectric applications.

다중 헤테로 고리화합물 기반 형광체는 센서, 바이오이미징, 그리고 광전소자와 같은 분야에 널리 응용된다. 이러한 형광체의 광학적 특성은 주로 화합물의 다중 고리 골격에서 유래하므로, 다른 물질과 구분되는 특별한 광학적 특성을 나타내는 형광체의 개발을 위해서는 새로운 구조의 형광체 골격 탐색이 필요하다. 본 연구에서는 one-pot double cyclohydration 및 aromatization을 통하여 benzo[d]imidazole-pyrrolo[1,2-a]pyrazine 골격 기반 화합물을 개발하였다. 해당 화합물의 광학적 특성을 조사한 결과, BP 유도체들은 골격에 도입한 치환기의 효과로 응집 및 고체 상태에서 deep blue 형광을 나타냈다. BP 골격에 포함된 phenyl 고리를 naphthalene으로 확장하여 용액 상태에서의 형광 세기가 현저히 증가함을 관찰하였다. Aggregation induced emission (AIE) 특성을 가진 형광체는 통상적인 형광체에 수반되는 aggregation caused quenching (ACQ) 효과로 인하여 형광이 감소하는 대신, 오히려 응집 또는 고체 상태에서 형광 세기가 증가하므로 많은 관심을 끌고 있다. 본 연구에서는 methoxy 치환기 효과로 분자 간 상호 작용을 조율하고, 이를 통하여 AIE 특성을 부여할 수 있는 benzofuro[2,3-c]isoquinoline 골격 기반 유도체들을 연구하였다. 단결정 X선 회절 분석 결과에 따르면, C4 위치에 methoxy 치환기를 도입함으로서 C5 위치에 도입된 aryl 부분의 회전을 조절하고 edge-to-face interaction을 유도할 수 있다. 이러한 특이적인 입체 구조는 분자 간 상호 작용 네트워크를 강화하고, 결과적으로 응집 및 고체 상태에서의 radiative channel을 확대하여 형광 세기를 증가시킨다. 본 연구에서 조사한 benzofuro[2,3-c]isoquinoline 골격 기반의 화합물은 향후 새로운 AIE 형광체로서 바이오센서, 광전소자 등을 포함한 다양한 응용 연구에 기여할 것으로 기대된다.