Ru(III)-聚吡啶配合物可见光催化氧化S-烷基/芳基-L-半胱氨酸的电子转移机制研究：重组能促进S-芳基-L-半胱氨酸反应活性

本研究针对硫醇类生物分子氧化机制不明确的问题，通过Ru(III)-polypyridyl([Ru(NN)3]3+)配合物可见光催化体系，揭示了S-aryl-L-cysteines比S-alkyl-L-cysteines更快的ET反应动力学。激光闪光光解技术捕获到硫-硫二聚体自由基阳离子(>S-S<)•+，结合DFT计算证实低内层重组能(λi=0.072 eV)是芳基衍生物高活性的关键，为生物硫醇氧化损伤防护提供新见解。

　　

在生物体内，含硫氨基酸如半胱氨酸和蛋氨酸不仅是蛋白质的构建模块，其氧化还原活性在抗氧化、信号传导等生理过程中发挥关键作用。然而，这些硫醇基团易受活性氧物种攻击，与阿尔茨海默病、帕金森病等衰老相关疾病密切相关。尽管已知高价金属离子（如V^V、Cr^VI等）能催化硫醇氧化，但关于Ru(III)配合物光催化氧化的机制研究仍存在空白，特别是S-烷基与S-芳基半胱氨酸的反应活性差异缺乏理论解释。

为探究这一科学问题，国内研究人员通过系统研究[Ru(NN)₃]³⁺配合物（NN=2,2'-联吡啶/1,10-菲啰啉衍生物）在可见光下催化氧化六种S-取代半胱氨酸的反应。研究发现，虽然热力学参数ΔG°有利于S-烷基衍生物（ΔG°=0.39-0.65 eV），但实验测得S-芳基半胱氨酸反应速率常数(k₂)最高达8.9 M^-1s^-1，比烷基类似物快约30倍。这一反常现象通过激光闪光光解技术获得关键证据——检测到480 nm处的硫-硫三电子键二聚体自由基阳离子(>S-S<)^•+，直接证实了电子转移(ET)机制。进一步结合DFT计算揭示，芳基的π共轭体系使重组能(λ)降至0.64 eV（烷基为0.95 eV），显著降低了反应能垒。该成果发表于《Next Materials》，为理解生物硫醇氧化损伤机制及设计光动力疗法提供了新思路。

研究采用三大关键技术：1）光化学转化法通过500 W卤钨灯将[Ru(NN)₃]²⁺氧化为[Ru(NN)₃]³⁺，紫外-可见光谱监测转化率>95%；2）纳秒激光闪光光解（355 nm脉冲）捕获硫自由基中间体；3）B3LYP/LANL2DZ水平的DFT计算分析配合物电子结构。

主要研究结果

1. 光催化动力学特征
   在60%水/40%甲醇体系中，[Ru(phen)₃]³⁺氧化S-苯基半胱氨酸的二级速率常数达6.3 M^-1s^-1，比S-甲基半胱氨酸快3倍。Arrhenius曲线显示S-芳基衍生物的活化焓(ΔH^?)低至32.4 kJ mol^-1，负熵值(ΔS^?=-197 J K^-1 mol^-1)表明过渡态结构紧凑。

2. 中间体捕获与机制验证
   激光闪光光解在480 nm处观察到(>S-S<)^•+特征峰，其衰减动力学符合二级反应。控制实验证实该信号依赖O₂存在，支持*[Ru(NN)₃]²⁺→Ru³⁺+O₂^•-的ET路径。

3. DFT理论解析
   前沿分子轨道分析显示Ru[(dsphen)₃]³⁺的能隙(ΔE_gap=0.14 eV)最小，软度(S=6.71)最高，与其实验最高活性一致。MEP图谱显示芳基半胱氨酸的硫原子电荷密度更高，利于电子转移。

4. 产物分析与医学意义
   FT-IR在1027 cm^-1处检出亚砜(S=O)特征峰，¹H NMR证实生成苯基亚砜衍生物（δ=7.94, 2.50）。该产物可缓解氧化应激，与Ru配合物的抗癌活性形成协同效应。

结论与展望
本研究首次阐明Ru(III)-polypyridyl配合物光催化氧化半胱氨酸的ET机制，发现芳基取代通过π-共轭稳定硫自由基阳离子，将重组能降低48%，突破性地解释了动力学与热力学参数的"背离"现象。这不仅为开发新型光敏抗癌药物（如克服顺铂耐药）提供理论依据，其建立的λ_i调控策略还可拓展至其他硫醇相关疾病治疗领域。未来工作可聚焦于体内氧化损伤模型的验证，以及利用芳基半胱氨酸低λ特性设计靶向抗氧化剂。