《上海有机所在活细胞内的光催化生物相容反应研究中取得进展》

  • 来源专题:中科院亮点监测
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2019-04-06
  • 实时调控细胞生命活动对研究细胞的生理功能具有重要价值。由于光优异的时空分辨率,生物相容的光引发化学工具可用于原位实时调控动态的生命过程。传统的光去笼方法通过直接光照射底物分子切断化学键从而释放生物活性分子,光去笼方法近年来的新发展希望实现如下重要新特质:一、通过廉价易得的可见光光源实现更好的生物穿透性;二、底物具有光稳定性从而无需当场制备;三、可定位的特异性光去笼。相比于直接光照射方法,光催化氧化还原反应使用能量较低的可见光,底物在不存在光催化剂时对光惰性因而便于贮存。但目前将光催化氧化还原反应应用于细胞存在以下困难:一、常用的过渡金属光催化剂具有潜在的细胞代谢毒性,会使其应用受到限制;二、细胞内广泛存在的氧气及各种抗氧化剂会影响自由基活性物种寿命及光催化氧化还原反应效率。

      中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室陈以昀课题组致力于发展新的生物相容光化学方法用于化学及生物学的研究,主要研究内容包括新型光反应发现及新型光化学生物学工具的发展。课题组前期研究工作中建立了可见光引发氧化及还原反应的生物大分子相容性(J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2280; Chem. Comm. 2015, 51, 5275),并发展了水相条件下生物活性小分子的可见光释放方法(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1881; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7872)。近日与上海交通大学医学院徐天乐课题组合作,首次报道了将常用于荧光成像的有机荧光分子荧光素或罗丹明衍生物作为生物相容的光催化剂,在细胞内利用氧气及抗氧化剂通过光催化氧化还原反应产生过氧化氢,进而进行脱硼羟基化反应去笼释放生物活性分子(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201811261),文章第一作者为上海有机所博士研究生王浩岩。该反应使用家用CFL或低能量蓝色LED灯作为光源,在中性水溶液中可以对含有酚、羟基、氨基的生物活性分子实现高效的光去笼释放。该方法可以通过光释放异丙基-β-D-硫代半乳糖苷分子来光调控大肠杆菌中的蛋白表达,并且可以通过光释放巴氯芬药物分子有效调控GABAB受体功能,进而对小鼠脑片中的神经细胞膜电位进行高时空分辨率的光调控。最后使用线粒体定位罗丹明衍生物染料作为具有定位效应的光催化剂,借助于过氧化氢在细胞内的有限自由扩散,实现了亚细胞定位的选择性小分子可见光去笼。该研究展示了光催化氧化还原反应在细胞及生命体系研究中的广阔应用前景,并提出了有机荧光染料具有示踪与调控生命过程的双重功能,对相关领域的研究具有重要启示。

      上述研究工作得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项(B类)、上海市重点项目、生命有机化学国家重点实验室及中科院的资助。

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  • 《上海硅酸盐所在甲烷光催化转化研究方面取得新进展》

    • 来源专题:中科院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-03-29
    • 作为天然气、页岩气等主要成分的甲烷具有储量相对丰富和价格低廉的优势,在替代石油生产液体燃料和基础化学品领域是学术界和产业界研究和发展的核心之一。甲烷的含氧衍生物,尤其是醇类衍生物,被认为是碳一化学的支柱;而甲烷是最稳定的有机小分子,C-H键活化后却得到高活性的中间物种,容易发生过度活化并彻底矿化。正因为有着广阔的前景和巨大的挑战,甲烷的选择性活化和定向转化是世界性难题,被誉为是催化乃至化学领域的“圣杯”。迄今为止,甲烷的转化通常采用间接法:在高温下通过水蒸气重整将甲烷转化为合成气,再通过费托合成获得多碳的基础化学品;或由合成气制备甲醇,再生产其它化学品。该转化路线冗长,能耗高,过程中排放大量温室气体二氧化碳,不仅带来环境负荷,也使总碳的利用率不到一半。因此,科学家一直在努力探索甲烷直接转化利用的方法。   光催化直接转化可以打破传统热力学平衡的束缚,使甲烷的转化可以在低温常压下进行。近日,中国科学院上海硅酸盐研究所王文中研究员带领的科研团队在甲烷的光催化转化研究方面取得新进展。该团队设计并制备出铜修饰氮化碳材料,实现甲烷向乙醇的光催化直接转化,并对该过程的机制进行了较为深入的研究。相关研究结果以“Direct functionalization of methane into ethanol over copper modified polymeric carbon nitride via photocatalysis”为题,发表于Nature Communications(DOI: 10.1038/s41467-019-08454-0),并申请中国发明专利一项(201811339733.2),第一作者为上海硅酸盐所博士生周沅逸。   针对甲烷容易发生过度活化并彻底矿化的问题,从活性氧物种的生成以及甲烷的吸附活化两个角度出发,研究团队通过在氮化碳材料的有序空腔中进行铜修饰,不仅实现了羟基自由基的原位生成,还促进了材料对甲烷C-H键的活化以及对高活性中间物种的稳定。该材料表现出卓越的光催化甲烷转化性能,乙醇的产率达到106 μmol g-1 h-1,为目前相关领域报道的最优值。深入研究表明,除了自由基机制以外,该材料中的铜物种与邻近碳原子存在协同效应,使得转化过程沿着甲烷-甲醇-乙醇的路径进行。该工作提出了温和条件下甲烷向液体燃料直接转化的新策略,有助于加深对多碳产物的形成机制的认识。   相关研究工作得到了国家自然科学基金的资助和支持。
  • 《上海有机所在催化不对称合成笼手性碳硼烷研究中取得进展》

    • 来源专题:中科院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2018-07-30
    •         过渡金属催化的不对称反应对于大量合成手性化合物以适应医药界对于手性药物日益增长的需要具有重要意义。近几十年来,出现了大量优秀的不对称反应用于合成手性分子,然而目前尚未有有效的方法应用到笼手性碳硼烷领域。十二顶点碳硼烷是由两个CH和十个BH顶点组成的笼状分子,被视为苯的三维类似物,具有σ芳香性及很好的化学稳定性,在生物医药(硼中子俘获疗法试剂)、有机光电材料、金属有机催化剂等领域有着重要的用途。然而由于不对称合成手段的缺乏,在硼笼上实现手性的研究尚处于简单手性拆分的初级阶段,大大限制了其应用于药物化学、材料化学及不对称催化等“手性”在分子设计中占有重要地位的领域。邻-碳硼烷的CH和BH位点分别位于高度对称的二十面体的十二个顶点,而取代基的引入可以降低分子的对称性,从而在硼笼上引进手性要素。例如,在1-位取代的邻碳硼烷4-或5-位再进行官能团化即可构建手性分子(图1)。   中国科学院上海有机化学研究所沪港化学合成联合实验室谢作伟课题组一直致力于发展过渡金属催化选择性碳硼烷BH位点官能团化方法。在前期发展的钯催化分子内B−H键芳基化工作基础上(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3502),通过手性拆分及衍生化确定了一对邻-碳硼烷分子内4/5-位B−H键选择性芳基化产物的绝对立体构型。并利用手性单膦配体(R)-BI-DIME首次实现了碳硼烷笼手性化合物的高效不对称合成,以最高可达96% ee的对映选择性高效构建含有新型手性硼笼骨架的分子内B−H键芳基化-环化产物(J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b01754)(图2)。DFT计算表明在手性催化剂金属中心对邻-碳硼烷不对称B−H亲电取代的关键反应步骤中,S-与R-构型过渡态在能量上有2.0 kcal/mol的差值,在机理上进一步验证了催化过程的立体选择性。以此为基础,关于手性硼笼分子的设计研究将开启碳硼烷化学研究的全新领域。该工作被JACS Spotlights 以Direct Chiral-at-Cage Carborane Construction 为题作了亮点介绍。   上述研究工作在谢作伟和副研究员邱早早共同指导下完成,期间得到了研究员唐勇、游书力和汤文军的大力支持和帮助,是沪、港两地科研人员跨领域积极合作的代表性工作。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院-香港裘槎基金会联合项目和国家自然科学基金委-香港研究资助局联合项目的资助。