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近年來，光脫保護(hù)基團(tuán) (Photoremovable Protecting Groups，PPGs)在化學(xué)生物學(xué)和有機(jī)合成研究領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。利用PPG與生物活性小分子共價鍵結(jié)合后，可使得小分子無法與其靶向的生物大分子（如蛋白質(zhì)）結(jié)合而失去其活性。在光照下，激發(fā)態(tài)的PPGs與小分子間的共價鍵斷裂，從而釋放出具有生物活性的小分子。目前用于被保護(hù)的化學(xué)基團(tuán)大多局限于羧基根等常見離去基團(tuán)，不含這些基團(tuán)的活性分子難以利用光控釋放策略進(jìn)行研究，特別是吡啶類化合物，它們作為芳香性雜環(huán)化合物，大多數(shù)具有生物活性，吡啶結(jié)構(gòu)也廣泛存在于藥物分子中（如抗癌藥Nilotinib等）。然而在水溶液中光控釋放吡啶具有較大的挑戰(zhàn)性。 

圖1 引入重原子提高N-烷基吡啶鹽的光解反應(yīng)效率 

　　在國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)及重大項(xiàng)目的支持下，中科院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室方曉紅研究員課題組近期發(fā)展了通過抑制分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移在水溶液中光解N-烷基吡啶鹽釋放吡啶的新策略。以7-二乙胺基-4-甲基香豆素保護(hù)的吡啶為研究對象，利用溶劑效應(yīng)和TD-DFT理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，因存在香豆素與吡啶鹽的快速分子內(nèi)光致電子轉(zhuǎn)移（Photoinduce Electron Transfer），導(dǎo)致脫去吡啶保護(hù)基團(tuán)的光解反應(yīng)難以進(jìn)行。利用香豆素單線態(tài)S₁與三線態(tài)T₁間的能量差，在保護(hù)基團(tuán)香豆素的3位引入重原子溴或者碘，提高S₁態(tài)隙間穿越至T₁態(tài)的幾率，可抑制分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移，使得光解相應(yīng)N-烷基吡啶鹽的效率分別提高約400或700倍。 

圖2 含有吡啶結(jié)構(gòu)的微管蛋白聚合抑制劑Indibulin在活細(xì)胞內(nèi)光解釋放Indibulin，實(shí)現(xiàn)其調(diào)控功能 

　　該光解反應(yīng)策略具有較好的普適性，適用于大多數(shù)吡啶衍生物以及咪唑和噻唑，化學(xué)產(chǎn)率高，成功用于二十余種吡啶化合物的光控釋放，光解效率與吡啶環(huán)上氮原子的親核能力和吡啶環(huán)的電子云密度相關(guān)。值得指出的是該光解反應(yīng)亦可通過雙光子激發(fā)來實(shí)現(xiàn)，以N-烷基吡啶鹽為例，其在880 nm光照下的雙光子光解吸收截面高達(dá)0.51 GM。該光解反應(yīng)成功應(yīng)用于活細(xì)胞內(nèi)的活性分子釋放。在光毒性較低的488 nm光照下，實(shí)現(xiàn)了含有吡啶結(jié)構(gòu)的微管蛋白聚合抑制劑Indibulin在活細(xì)胞內(nèi)的釋放和對微管蛋白聚合抑制功能的調(diào)控。這是首次報(bào)道的通過高效光解有機(jī)PPG保護(hù)的N-烷基吡啶鹽釋放吡啶的方法，加深了對光脫保護(hù)基團(tuán)物理化學(xué)過程分子機(jī)制的理解，為在活細(xì)胞體系開展基于吡啶結(jié)構(gòu)的生物活性分子的化學(xué)調(diào)控、藥物遞送、超分辨成像等研究提供了新工具。這項(xiàng)工作近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition，DOI: 10.1002/anie.202005310，該論文第一作者是中科院化學(xué)所的唐小軍博士，通訊作者是方曉紅研究員,合作單位為中科院腫瘤與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所。