复旦大学胡可课题组JACS：受自然启发的红光催化裂解偶氮键

光催化氧化还原反应为调节细胞内多种多样的生理过程提供了一类强有力的工具。偶氮键作为一种独特、稳定的N=N双键，其选择性裂解在前药激活、乏氧检测及响应、适体及抗体识别以及基因调控等领域有着重要应用。此外，由于偶氮键固有的可双侧连接的特性，即可以作为识别保护基团连接两个不同功能的分子，其在生物正交断键反应中也有着巨大潜力。然而，由于偶氮键键能较大（418 kJ/mol），且完全断裂需要4电子/质子协同，理论上直接裂解偶氮键需要波长小于563 nm的高能量光子。实际上，由于偶氮化合物激发态通常具有较快的非辐射跃迁途径，即便是在能量更高的蓝光甚至紫外光激发下也很难直接打断偶氮键。因此，如何在生物光学窗口（650-900 nm）内利用穿透深度高、光损伤小的低能量长波长光子对细胞内稳定的偶氮键进行选择性裂解仍是一项巨大的挑战。

图1. 天然光酶启发的红光催化偶氮键裂解及光催化剂结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

近日，复旦大学胡可（点击查看介绍）课题组受自然界中天然光酶（DNA光裂合酶）修复受损伤DNA机制的启发，即FADH通过吸收并累积多个光子能量打断稳定的C-C键的光催化方式，利用常见的有机红光光敏剂亚甲基蓝（MB）或其衍生分子新亚甲基蓝（NMB）作为光催化剂，实现了溶液相及乏氧细胞环境下的红光激发光催化偶氮键裂解及前药激活（图1）。研究人员发现红光催化剂MB或NMB具有和天然光酶催化单元类似的氧化还原结构。并且NMB在被第一个红光光子激发后被还原经歧化反应可形成一个闭壳层两电子还原态（LNMB），LNMB可进一步与偶氮底物形成一个具有红光吸收的电荷转移复合物，结合常数达到10⁴ M^-1。

图2. 红光催化偶氮键裂解及前药激活。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

如图2所示，在655 nm红光激发下，以NADH作为电子给体，NMB对三种FDA批准市售的偶氮前药以及一种偶氮前药荧光探针（SA-Azo-C）均表现出可观的光催化激活效率。

图3. 溶液相及乏氧细胞内红光催化偶氮前药激活及荧光示踪。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

SA-azo-C的细胞内光催化断键共聚焦荧光成像结果表明，该体系也成功应用于乏氧细胞内的红光生物正交偶氮前药激活（图3）。如图4所示，DFT结果证实LNMB可与偶氮底物形成一个电荷转移复合物，且计算所得的电荷转移复合物HOMO-LUMO能级差与实验观测的吸收光谱结果保持一致。纳秒瞬态吸收光谱进一步证实该红光吸收电荷转移复合物的再次光激发诱导了电荷转移复合物内的氧化还原反应，为连续红光光子激发诱导电子转移引发偶氮键断裂的机理提供了直接的实验证据。

图4. 基于电荷转移复合物的连续红光催化偶氮键裂解机理及能级图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

这种基于连续光激发以及电荷转移复合物的光催化电子转移断键机理，不同于传统的双光子吸收。该研究不仅将连续光致电子转移（Con-PET）的应用范围拓展至了生物领域，也为传统光敏剂的光催化电子转移机理提供了新的思路，同时也为光催化生物正交断键反应提供了一类新型的工具。

该研究成果在线发表于J. Am. Chem. Soc.。复旦大学化学系2019级直博生赵子建为论文第一作者，胡可青年研究员为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等项目的大力支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Nature-Inspired Photocatalytic Azo Bond Cleavage with Red Light

Zijian Zhao, Jili Li, Wei Yuan, Dajiao Cheng, Suze Ma, Ye-Fei Li, Zhang-Jie Shi, and Ke Hu*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c09837

胡可博士简介

复旦大学青年研究员，博士生导师。2010年本科毕业于复旦大学化学系，2014年在美国约翰霍普金斯大学获得博士学位，随后赴美国北卡罗莱纳大学教堂山分校化学系、美国能源部能源前沿研究中心：太阳能燃料中心从事博士后研究。2017年获得国家人才项目资助并回复旦大学化学系任职。主要从事高需能反应的光催化、光电催化以及电子转移动力学机制研究工作，目前以第一或通讯作者身份在Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc. 等国际重要学术期刊上发表论文五十余篇。参与撰写复旦大学本科生《物理化学》第三版教材光化学与光电化学内容。

课题组网站：

http://faculty.fudan.edu.cn/huke/zh_CN/index.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/62684