JACS: 可见/近红外响应的BODIPY形光笼分子

光笼分子（Photocage）也被称作“光可以去除的保护基团”，是一类含有光敏基团的分子，其可以在特定时间特定位置通过光刺激释放出特定的化合物，以实现特殊的功能。当光笼分子被修饰到底物上，底物的活性会被保护起来，因此在被激活前，底物不会与活性分子反应。而当光笼分子被激活后（通过光照使得光笼分子与底物间的共价键断裂），底物便失去了保护因此可以回复到之前的特性。

因为这种独特的性质，光笼分子被广泛地应用于蛋白质、核苷酸、离子、神经传递素 、药物、荧光分子等底物的光激活中。然而，现有的光笼分子主要依靠紫外光进行共价键的断裂，而紫外光不仅在组织层面的穿透力低，而且高强度的紫外照射会照成不同程度的细胞损伤甚至死亡，而且组织在高强度的紫外照射下也有可能受到损伤。因此，发展可见及近红外光激活的光笼分子具有极为重要的意义。

图1. 基于BODIPY的光笼分子及其紫外、荧光光谱

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

近日，爱荷华州立大学化学系的Emily A. Smith和 Arthur H. Winter两位学者联手，合成了一系列基于BODIPY的光笼分子，这些分子具有特定的结构，可以在可见-近红外范围内的光照下发生共价键的断裂。该课题组在之前报道过的两种BODIPY型光笼分子基础上扩大其共轭结构，使得它们的发射波长进一步红移，达到了600-750 nm（图1）。该成果以“Family of BODIPY Photocages Cleaved by Single Photons of Visible Near-Infrared Light” 为题发表于《美国化学会志》（DOI: 10.1021/jacs.8b04040）。

表1. 基于BODIPY的光笼分子的光物理性质

（数据来源：J. Am. Chem. Soc.）

光笼分子可以在光照射下发生断键，但是这种反应也有可能在其他条件下发生。为了测试这种反应的专一性，作者在不同条件下对分子的稳定性进行了测试。结果表明这类分子在加热条件下未发生羧酸酯键断裂，而在光照下会发生羧酸酯键断裂。这说明光笼分子具有较好的热稳定性并且具有光响应性。之后，作者研究了它们的光物理性质，结果发现延长共轭链会使得分子的荧光量子产率降低一个数量级（表1. Entry 1, 3-6）。而在中位引入硼烷基链则会大幅度增加分子的荧光量子产率。以化合物6为例，硼烷化以后其荧光量子产率从0.0041%提升到0.084% （表1. Entry 6, 7）。

图2. 光笼分子10的结构、荧光光谱及细胞成像

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

接着，作者以4-硝基苯甲酸为离去基团，合成了一种可以用于细胞成像的分子（10，图2）。因为4-硝基苯甲酸是一种荧光猝灭基团，所以通过引入4-硝基苯甲酸可以猝灭化合物10的荧光，不论是在甲醇溶液还是在细胞中，照射后的化合物10都可以表现出较强的荧光（图2）。然而，作者通过核磁发现， 化合物10在光照后也出现少量的三(乙二醇)取代的对甲氧基苯甲醛。这说明光照不仅能使酯键断裂，还能使共轭链上的苯乙烯发生断裂。

最后，为了证实光笼分子10用于细胞成像的可行性，作者在HeLa细胞、Bovine GM07373细胞及Drosophila S2细胞中进行了试验。结果表明化合物10并没有细胞毒性，并且细胞在635±15 nm的光照下出现了605 nm的荧光发射，这表明这类化合物可以用于细胞成像。

全文作者：Julie A. Peterson, Chamari Wijesooriya, Elizabeth J. Gehrmann, Kaitlyn M. Mahoney, Pratik P. Goswami, Toshia R. Albright, Aleem Syed, Andrew S. Dutton, Emily A. Smith, and Arthur H. Winter

原文链接：https://www.chembeango.com/zixun/22809

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