分享一篇近期发表在J. Am. Chem. Soc.上的研究进展，题为： Photoswitchable Cascades for Allosteric and Bidirectional Control over Covalent Bonds and Assemblies。该工作的通讯作者是来自中国科学院大学的尤磊。
生理过程中信号的级联通常包括了反应网络中生物大分子、小分子和外部触发因素的复杂相互作用。此外，生物变构调节通过操纵与活性位点不同的位点来调节蛋白质活性，从而实现对蛋白质-配体相互作用的控制（图1A）。为了模拟生物系统的结构和功能，包括复杂的动态级联反应的系统化学在过去的十年里得到了蓬勃发展。通过将光开关连接到蛋白质上，光触发的配体结合和跨膜受体的变构控制已经实现。（图1B）目前精确控制变构系统中的共价连接和断开仍是比较困难的，作者在此开发了一种光开关的多级级联反应，实现共价键的变构和可逆连接（图1C），进一步实现了对组件的调控，合成了动态聚合物和机械联锁分子。
为了建立光触发可逆的多步级联，需要一种独特的机制使光响应平衡与动态共价反应(DCRs)以连续的方式相互关联。作者通过光控的烯醇互变反应，将其与分子内生成缩醛的反应串联，形成了光控的变构可逆动态的循环体系（图1C）。 首先是对光控反应本身的研究。作者设计并合成了1o-1的结构并通过核磁氢谱验证了其光控化学平衡反应（图2B），在313 nm下作用1.5 h时，甲酰基峰消失，在6.8 PPM时出现新的半缩醛氢，之后在650 nm下光照射1.5 h，即还原为初始结构。作者通过DFT计算阐述了光照异构的现象（图2A），紫外光照有利于烯醇1C-2的生成，随后异构成产物。作者进一步验证了产物1C-3的晶体结构，几乎呈平面几何构型（图2C）。 接着作者通过小分子开展了结合-释放实验。乙醇和甲基磺酸(MA)的混合物未检测到反应。然而，紫外光照后在5分钟内发现缩醛2c的定量形成，并且在正常光照1.5 h后可完全回到1o。此外，产生2c 和1o的动力学谱与光化学环本身的闭合/打开是基本重叠的（图3D，E）。作者还通过在正常光照下加入DBU，使反应停在了缩醛2O的结构，并且表明再加入MA后2O可在1 min内回到1O。因此，该体系可以操纵两种类型的刺激(光和pH)来打开/关闭DCRs和动态捕获不稳定半缩醛。 接着作者将醇替换为硫醇实验。结果表明，硫醇和醇的整体化学反应基本一致（图4），不同的是硫醇本身活性较高，可以和未紫外光激发的1O直接形成缩硫醛结构，这种结构在紫外光照下会掉下一分钟硫醇形成分子内缩醛4C。 最后作者设计了光调控的动态组件体系（图5）。作者先是通过双臂的5o与四臂的PEG-OH反应，可在313 nm、MA的条件下交联成固体状态，并且在650 nm光照下回到液态。作者还通过单臂的1O与四臂PEG-SH在MA条件下可通过缩硫醛生成交联体系，而313 nm光照时则会变为非交联体系成为溶液。最后作者可通过双臂的5o与四臂的PEG-SH反应，光照调控其交联状态，在313 nm光照时体系的交联度降低，因此模量明显降低。 综上，作者开发了一种光开关的多级级联反应，实现共价键的变构和可逆连接，进一步实现了对组件的调控。DOI: 10.1021/jacs.4c01240Link: https://doi.org/10.1021/jacs.4c01240
