发展新的可见光及近红外光引发的生物相容反应

Recently, biocompatible reactions such as Staudinger ligation, copper-catalyzed click reaction, and strain-promoted cycloaddition reactions have revolutionized the research on site-specific labeling and modification of biomolecules. Currently, the wish list of newly developed biocompatible reactions includes fast kinetics, bio-safe reagents, stable substrates and possible external modulation. Light effectively modulates chemical reactions. Traditional photochemical reactions activate substrate molecules with UV light, which also inactivates biomolecules. We propose developing new visible-light and near-infrared-light induced biocompatible reaction via photocatalysis. By electron transfer or energy transfer from the photocatalyst to the substrate molecule, we aim to develop new bond-forming or bond-cleavage reactions under oxidative, reductive and redox-neutral conditions. We will further develop biocompatible reactions in live cells and achieve photo-control using different wavelengths. Such biocompatible photocatalytic reactions will provide new approach studying complicated biological processes.

施陶丁格偶联反应、铜催化的点击化学和环张力促进的点击化学是代表性的生物相容反应，对生物分子的化学修饰和定点标记研究起到了革命性的推动作用。然而，这些反应受到反应速率慢，试剂生物毒性及反应物不稳定的局限，并且无法通过外部调控。光是调控化学反应的有效方式，传统光化学使用紫外光直接活化底物但容易引起生物分子的失活，我们计划使用光催化剂发展新的可见光或近红外光引发的生物相容反应。光催化剂可以吸收可见光或近红外光，随后通过电子转移或能量转移活化底物。我们计划在氧化条件、还原条件及氧化还原中性条件下发展相应的成键或断键反应。在生物大分子相容的基础上，我们还计划发展在活细胞内进行的生物相容反应，并希望通过不同波长的光在复杂生物体系中实现外源精确光调控。以上可见光或近红外光引发的生物相容反应将为复杂动态生命过程的研究提供全新的视角和高效的工具。

本项目致力于发展新的可见光或近红外光引发的生物相容反应，并在氧化条件、还原条件及氧化还原中性条件下发展相应的成键或断键反应，项目结题时在这些方面均取得重要突破与进展，并原创性的发展了基于电子给受体复合物的生物相容反应，可以在无光催化剂的可见光条件下进行。项目产生了可见光引发的生物相容反应用于活性小分子释放，可见光引发的烷氧自由基用于惰性键活化反应，可见光引发的基于电子给受体复合物的无金属的惰性键选择性官能化反应，活细胞内的光催化生物相容反应等一系列研究成果。本项目资助工作在国际学术期刊发表17篇论文（其中8篇为JACS与ACIE，4篇入选ESI Top1% 高被引论文），许多研究成果处于国际领先并引领国外内相关研究的方向。