取代基对N-亚硝基苯胺衍生物光响应性一氧化氮释放的影响

《Organic & Biomolecular Chemistry》：Substituent effects on photoresponsive nitric oxide release by N-nitrosoaniline derivatives

　　

一氧化氮（NO）是一种短寿命的信号分子，介导血管舒张等生理功能；可精确时空控制NO释放的光控NO供体是研究NO生物活性及潜在心血管疾病治疗药物的有用工具。研究人员此前开发了NORD?2，这是一种光诱导电子转移（photoinduced electron transfer, PeT）触发的NO+释放供体，在生理浓度抗坏酸存在下响应红光（λ 660 nm）释放NO，无抗坏酸时释放NO+。本研究旨在通过考察NO释放部位带不同取代基衍生物的光反应性来探索结构?活性关系。将NORD?2的甲氧基替换为所考察的所有取代基均降低了NO+和NO的释放，其中引入二甲氨基完全抑制了光反应。量子化学计算表明光反应性差异源于向电荷转移（charge transfer, CT）激发态跃迁倾向的差异；此外CT激发态能量过低时易发生非辐射失活回到基态，可能阻碍N–N键断裂。研究结果明确了促进PeT后高效N–N键断裂的适宜结构，可为开发各类光功能分子提供参考。

《Substituent effects on photoresponsive nitric oxide release by N?nitrosoaniline derivatives》论文解读

一氧化氮（nitric oxide, NO）是介导血管舒张、免疫功能及中枢神经系统调控的重要气体信号分子，在生理条件下半衰期仅数秒，因此需借助外源性NO供体进行生物学研究与临床抗高血压、心绞痛治疗。光控（photocontrollable）NO供体能实现NO释放的精确时空调控，其中基于光诱导电子转移（photoinduced electron transfer, PeT）机制的N?亚硝基苯胺（N?nitrosoaniline）类红光响应NO供体NORD?2可在660 nm光照下，于抗坏酸（ascorbic acid）存在时释放NO，无抗坏酸时经均裂N–N键断裂释放NO⁺，并已证实可在离体大鼠主动脉环上光调控张力。然而NORD?2中NO释放部位苯环上对位取代基如何影响PeT效率及后续N–N键断裂尚不明确，制约了此类光功能分子的理性设计。本研究由北海道大学研究生院药学研究院Haruka Tsuchiya、Osuke Yoshikawa、Mei Harada、Mikako Ogawa、Yuhei Ohta、Hidehiko Nakagawa及Naoya Ieda开展，通过在N?亚硝基苯胺的苯环对位引入不同给电子/吸电子基团合成NORD?2衍生物系列，结合光物理/光化学测定与量子化学计算阐明取代基效应对PeT型NO释放的影响，确定最优电子密度区间以实现高效光解，论文发表于《Organic & Biomolecular Chemistry》。

主要关键技术方法

研究人员合成了NORD?2母体及NO释放部位苯环对位分别带?CN、?F、?Cl、?H、?CH₃、?OCH₃（即NORD?2本身）、?N(CH₃)₂的N?亚硝基苯胺衍生物（经还原胺化偶联苯胺与罗丹明类天线片段再亚硝化制得）。采用紫外?可见吸收与荧光光谱测定光物理性质；660 nm LED照射下通过HPLC监测化合物峰面积衰减求光解速率常数；以2,3?二氨基萘（2,3?diaminonaphthalene, DAN）衍生化?HPLC荧光检测NO⁺释放量，抗坏酸存在下比较转化情况；NO电极定量检测抗坏酸存在时光致NO释放并算NO释放量子产率（Φ_NO）；LC?MS鉴定光解产物；对模型自由基阴离子中间体及基态/π–π*激发态/CT激发态/最小能量圆锥交叉点（minimum energy conical intersection, MECI）做密度泛函理论（density functional theory, DFT）与时间依赖DFT（time?dependent DFT, TD?DFT）计算（ωB97X?D/6?31G(d,p)）。

研究结果

Results and discussion

研究人员设计合成了一系列NORD?2衍生物并在NO释放部位苯环对位引入不同电子给/吸电子基团。吸收与荧光光谱显示各衍生物天线部分λ_max与Φ_F基本同于NORD?2，仅?N(CH₃)₂取代衍生物的Φ_F降至约1/40，归因于强给电子促进PeT竞争荧光发射。660 nm照射下光解速率常数以?OCH₃（NORD?2）最大，其余取代基衍生物光解速率无显著Hammett σ_p常数相关性，?N(CH₃)₂取代衍生物几乎不发生光解。DAN法检测表明NORD?2无抗坏酸时NO⁺释放最高，其余衍生物≤17%；抗坏酸存在时NO⁺信号降低说明转化为NO释放，且光解速率在有无抗坏酸条件下不变，提示取代基效应不来自抗坏酸还原步骤。LC?MS在各衍生物光解液中检出预期螺环产物m/z，?OCH₃样品还检出醛型氧化产物。NO电极检测到抗坏酸存在时?OCH₃、?CH₃、?H取代衍生物具光依赖NO释放，最大NO浓度顺序为?OCH₃> ?CH₃> ?H，与光解速率及Φ_NO顺序一致，Φ_NO与无抗坏酸时NO⁺生成量也相符。量子化学计算显示各模型自由基阴离子中间体的N–N键长与氮原子自旋密度无取代基差异，说明取代基对单电子还原后N–N键断裂本身影响小，反应性差异源于PeT倾向不同。计算π–π激发态、CT激发态及CT?MECI（π–π与CT态间）与GS?MECI（CT与基态间）能量发现：?OCH₃与?N(CH₃)₂均易跃迁至CT激发态（CT?MECI低），但?N(CH₃)₂的CT激发态能量过低使其GS?MECI亦低，依能隙定律（energy gap law）更易经非辐射失活回基态而阻碍N–N键断裂；?OCH₃的CT激发态能量适中——足够促进PeT又不过分稳定以避免快速非辐射失活回基态——故光解与NO释放效率最高。

结论（Conclusion）翻译

综上所述，研究人员合成了NO释放部位带多种取代基的NORD?2衍生物并考察了其光反应性。值得注意的是?OCH₃取代的NORD?2表现出最高光反应性，而与此前认为二甲氨基应强力促进PeT的常规预期相反，?N(CH₃)₂取代衍生物几乎无光反应。量子化学计算表明?OCH₃与?N(CH₃)₂均因其强给电子性促进PeT，但?N(CH₃)₂使CT激发态过度稳定化从而促进CT激发态向基态的非辐射失活，抑制光解。NORD?2（?OCH₃）的最高Φ_NO归因于NO释放部位具最优电子密度——即高到足以促进PeT又未低至促使向基态失活。因此研究表明考虑CT激发态能量对准确预测此类PeT型光功能分子的反应性至关重要。