基于氮杂环骨架结构调控的功能分子构建及性能研究

Nitrogen-containing heterocyclic compounds show rich activity in the construction of functional molecules and the property modulation due to the specificity of N. In this project, the high-performance bionic SOD enzyme mimics and the targetable fluorescence probes that can detect the specific biological molecule analytes, are rationally designed based on N-heterocyclic skeleton and utilize the strategy of multilayer functional control, metal induced and structure changes driven by introducing nitrogen atom into the N-heterocyclic skeleton. Then based on the structure-activity relationship investigated by computational approach, the bifunctional enzyme mimics, exhibiting both SOD activity and catecholase activity, and the targetable fluorescence probes, showing higher sensitive and selective for these particles in subcellular, such as Cu2+、Zn2+、ClO-、H2S、NO, will be explored respectively. Furthermore, this present project plans to develop the targetable-fluorescent SOD enzyme mimics to integrate the SOD activity and fluorescence labeling in one N-heterocyclic compounds. Therefore, the present study will provide new strategy for developing multifunctional bionic materials, and can broaden the application of molecular probes in life science.

氮杂环骨架结构因N的特异性而呈现丰富的活性，活跃在功能分子构建和性能调控中。本项目在前期研究工作基础上，以氮杂环骨架为核心，通过合理的分子设计及分层功能调控策略，金属诱导和氮嵌入骨架环体变构驱动，拟仿生物SOD酶结构构建高性能仿生酶模拟物，并依据光敏探针检测对象的理化性质合成具有目标生物分子特定分析靶点的光敏荧光探针。辅助计算模拟的构效相关性分析，在研究兼具SOD酶和儿茶酚酶活性的双功能酶模拟物以及对亚细胞器中生理信息表达的粒子（如Cu2+、Zn2+、ClO-、H2S、NO等）具有特异选择性检测的荧光探针的基础上，进而通过合理的分子设计关联，获得具有定向荧光标记的SOD酶模拟物，实现氮杂环骨架两类功能的融合。本研究对于在复杂生命体系中，研发多功能化仿生物的设计提供了新思路，拓展了功能分子探针在生命科学领域的应用。

氮杂环结构骨架蕴含着丰富的功能化信息，衍化结构以拓展性能，发展了系列新型光功能分子探针及其多因素干扰复杂体系下的应用研究，进而探究其构效规律以期在计算模拟导引下的功能化分子构建新模式。项目研究提出了以基元反应设计及分层功能调控策略，①开创性构建了86类氮杂环结构单元嵌入的功能光敏荧光探针，实现了在复杂生命与环境体系中，金属离子、阴离子、活性小分子、微环境标志物等靶标的特异性识别，进而示踪生理及病理过程的微观分子事件表达，揭示疾病诊疗多因素协同调控规律；②发展金属诱导、酶模拟和氮嵌入骨架环体变构驱动策略，构建具有多功能复合型金属-氮杂框架材料，实现环境因子及污染物监测与治理；③构筑计算模拟的结构与功能拟合模型，探索氮杂骨架调控光敏功能分子的构效信息，以指导氮杂骨架功能探针的合成新方法与拓展应用。本项目发表理论研究成果论文26篇（其中1区9篇，2区12篇，影响因子总合126.81），学术会议报告交流17场次，申请国家发明专利5项（其中授权2项），形成了系列具有自主知识产权的专利技术应用推广；培养博硕士毕业研究生20人（其中博士毕业生8人），博士后研究人员3人。项目超预期完成研究任务，为进一步功能化分子构建探索与应用拓展积累了丰富的研究基础。.本项目研究涉及合成化学、理论化学、材料化学及生物医学等多学科交叉领域，项目顺利完成不但为多功能组合分子探针设计合成提供了新思路，且为多学科交叉协同及重大生理与环境问题提供解决新方案。