方晓红课题组发展了一种光控释放吡啶化合物的新策略

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近年来，光脱保护基团 (Photoremovable Protecting Groups，PPGs)在化学生物学和有机合成研究领域得到了越来越广泛的应用。利用PPG与生物活性小分子共价键结合后，可使得小分子无法与其靶向的生物大分子（如蛋白质）结合而失去其活性。在光照下，激发态的PPGs与小分子间的共价键断裂，从而释放出具有生物活性的小分子。目前用于被保护的化学基团大多局限于羧基根等常见离去基团，不含这些基团的活性分子难以利用光控释放策略进行研究，特别是吡啶类化合物，它们作为芳香性杂环化合物，大多数具有生物活性，吡啶结构也广泛存在于药物分子中（如抗癌药Nilotinib等）。然而在水溶液中光控释放吡啶具有较大的挑战性。
　　在国家自然科学基金委重点及重大项目的支持下，中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室方晓红研究员课题组近期发展了通过抑制分子内电子转移在水溶液中光解N-烷基吡啶盐释放吡啶的新策略。以7-二乙胺基-4-甲基香豆素保护的吡啶为研究对象，利用溶剂效应和TD-DFT理论计算发现，因存在香豆素与吡啶盐的快速分子内光致电子转移（Photoinduce Electron Transfer），导致脱去吡啶保护基团的光解反应难以进行。利用香豆素单线态S1与三线态T1间的能量差，在保护基团香豆素的3位引入重原子溴或者碘，提高S1态隙间穿越至T1态的几率，可抑制分子内电子转移，使得光解相应N-烷基吡啶盐的效率分别提高约400或700倍。

图1 引入重原子提高的光解反应效率

　　该光解反应策略具有较好的普适性，适用于大多数吡啶衍生物以及咪唑和噻唑，化学产率高，成功用于二十余种吡啶化合物的光控释放，光解效率与吡啶环上氮原子的亲核能力和吡啶环的电子云密度相关。值得指出的是该光解反应亦可通过双光子激发来实现，以N-烷基吡啶盐为例，其在880 nm光照下的双光子光解吸收截面高达0.51 GM。该光解反应成功应用于活细胞内的活性分子释放。在光毒性较低的488 nm光照下，实现了含有吡啶结构的微管蛋白聚合抑制剂Indibulin在活细胞内的释放和对微管蛋白聚合抑制功能的调控。这是首次报道的通过高效光解有机PPG保护的N-烷基吡啶盐释放吡啶的方法，加深了对光脱保护基团物理化学过程分子机制的理解，为在活细胞体系开展基于吡啶结构的生物活性分子的化学调控、药物递送、超分辨成像等研究提供了新工具。这项工作近期发表在Angewandte Chemie International Edition，DOI: 10.1002/anie.202005310，该论文第一作者是中科院化学所的唐小军博士，通讯作者是方晓红研究员,合作单位为中科院肿瘤与基础医学研究所。

图2 含有吡啶结构的微管蛋白聚合抑制剂Indibulin在活细胞内光解释放Indibulin，实现其调控功能

　　分子纳米结构与纳米技术院重点实验室

　　2020年8月20日

文章来源：化学所

方晓红，中国科学院化学研究所研究员,博士生导师。1990年毕业于武汉大学化学系，获学士学位。1993年和1996年分别于北京大学化学系获硕士学位和博士学位。1997年4月至1998年3月在加拿大滑铁卢大学化学系做博士后。1998年4月至2001年12月先后在美国佛罗里达大学化学系、生物技术中心及生物/纳米技术交叉研究中心做博士后、研究助理。2001年4月入选中科院百人计划，2001年12月回国工作，任中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室研究员，博士生导师，兼中科院研究生院教授。

       在发展高灵敏度的生物医学分析新方法、单分子水平研究DNA/蛋白质相互作用力和对蛋白质等生物大分子表征、细胞信号转导相关蛋白的活细胞单分子研究等方面取得了高水平的研究成果。已在PNAS、Acc. Chem. Res.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett. Nucl.Acid. Res.、Anal. Chem.、J. Phy. Chem. 等国际学术期刊上发表论文140多篇。主持和作为主要成员承担和完成了国家自然科学基金委杰出青年基金、重大、重点基金和国家科技部、卫生部等多项科研项目, 2007年任科技部纳米重大科学研究计划项目首席科学家， 2012年获得持续支持，再次任纳米重大科学研究计划项目首席科学家。