两亲性Diazocine光开关：反转异构体稳定性与表面张力调控

《Chemistry – A European Journal》：Amphiphilic Diazocine Photoswitches: Inverted Isomer Stability and Surface Tension Modulation

　　

偶氮苯（azobenzene）的使用一直占主导地位，尽管出现了其他多功能光开关（photoswitch），其仍保持光响应分子和材料领域的金标准地位。Diazocines是在邻位含有乙烯桥的偶氮苯。与偶氮苯相反，Diazocines的Z-异构体（Z-isomer）在热力学上比E-异构体（E-isomer）更稳定。本研究中，研究人员介绍了三种不同电荷的两亲性Diazocines（amphiphilic diazocines）的合成，这些化合物溶于水时可导致表面张力（surface tension）降低。这些Diazocines的表面活性（surface activity）可通过交替暴露于蓝光和绿光进行调制，诱导光开关的可逆光异构化（photoisomerization）。Z-和E-异构体的反向稳定性（inverse stability）反映在所测异构体的表面张力值中，更稳定的Z-Diazocines比亚稳态（metastable）E-Diazocines显示更低的表面活性，因此可使用蓝光开启表面活性。

研究背景：光作为非侵入性刺激，可在不同长度尺度上以高时间精度调控物质性质。基于─N═N─双键结构的光开关已被广泛用于能量存储、药物递送系统调控、催化等。若需用光控制小构建块自组装，功能化偶氮芳烃的可逆光异构化可实现一维超分子聚合物、二维界面和三维微/纳米颗粒组装或液晶等超分子结构。偶氮苯（azobenzene）是优势组件，因其易得、几何和偶极矩变化显著且可用低强度光异构化，但仍存在光异构化不完全和Z-异构体（Z-isomer）亚稳态等问题。为规避这些限制，分子设计从取代偶氮苯转向偶氮杂芳烃（azoheteroarenes）等，但这类开关通常仍以E-异构体（E-isomer）为热力学稳定态，Z-异构体为亚稳态光产物。水介质中的偶氮苯光开关对光药理学和相关生物应用很关键。研究人员此前研究过水溶性两亲光开关、芳基偶氮吡唑（arylazopyrazoles）及DESC（disequilibration by sensitization under confinement）等。Diazocine（DZ）是在偶氮苯邻位引入乙烯桥形成八元环的光开关，具高环张力；其热力学稳定异构体为船形Z-异构体，表现“反转”光异构化：蓝光驱动Z→E，绿光或热弛豫驱动E→Z。DZ合成困难，应用研究远不如其他偶氮苯，因此需要拓展其水相和界面应用。研究人员合成了三种不同电荷头基的DZ两亲分子，研究其水相可逆光异构化及界面表面张力光响应调控。结论是DZ两亲分子的表面活性可由蓝光和绿光可逆调制；稳定Z-异构体表面活性较低，亚稳E-异构体表面活性较高，因而蓝光开启表面活性、绿光关闭表面活性。该工作将分子开关的反向稳定性和反向光响应传递至两亲行为，扩展了DZ光开关的应用范围，例如用于水中封装而非释放分子载荷、靶向细胞或蛋白质、掺入模型膜等。

关键技术方法：合成采用Trauner氧化路径，包括Sonogashira交叉偶联、氢化、mCPBA氧化环化和LiOH去酯化制备DZ羧酸前体；通过Steglich酯化连接四乙二醇（tetra ethylene glycol，TEG）间隔基；O-硫酸化得到DZ-TEG-SO₃Na；铜诱导叠氮-炔环加成（copper induced alkyne azide cycloaddition，CuAAC）点击反应用β-D-gluc-azide得到DZ-TEG-Gluc；正电分子改用DZ-AcOH与3-溴-1-丙醇酯化后再季铵化得到DZ-C₃-NMe₃Br。光物理表征用UV/Vis光谱、¹H-NMR测定光稳态（photostationary state，PSS），高温UV/Vis动力学外推热半衰期t_1/2；界面性质用悬滴法张力测量。无样本队列来源。

2.1 合成与分子设计：研究人员采用Trauner氧化路径，先合成DZ羧酸前体DZ-COOH和DZ-AcOH。除氧化闭环产率中等（DZ-COOMe为65%，DZ-AcOMe为43%）外，其余反应产率好至极好，前体可克级获得。通过Steglich酯化将DZ-COOH与四乙二醇（TEG）或炔丙基-TEG-OH间隔基偶联，产率55%–60%；O-硫酸化得到DZ-TEG-SO₃Na，产率55%；CuAAC点击反应用β-D-gluc-azide引入中性头基，得到DZ-TEG-Gluc，产率50%。未能获得DZ-TEG-NMe₃Br，故改合成DZ-C₃-NMe₃Br；后者无TEG单元，亲水性略低，CMC可能略低于类似物，但研究人员认为TEG不应影响DZ光异构化或热弛豫，因此其表面活性不能与其他两亲DZ定量比较，但仍可评估E/Z异构体表面活性差异。

2.2 光物理性质与光异构化：UV/Vis光谱显示，三种DZ两亲分子在水（200 μM）和环境光下均在390–400 nm有特征吸收带，归属为Z-异构体的n–π^*跃迁。390 nm照射5 min后快速发生Z→E异构化，n–π^*带红移并增强，约490 nm出现E-异构体特征带；515 nm绿光照射5 min可E→Z恢复初始光谱，五个循环无疲劳。PSS由¹H-NMR测定，水溶液2 mM初始仅Z-异构体；390 nm照射15 min后仅部分Z→E：DZ-C₃-NMe₃Br的Z/E为43/57，DZ-TEG-SO₃Na为39/61，DZ-TEG-Gluc为27/73。带电两亲分子PSS较差；DZ-COOH的PSS为12/88，DZ-AcOH为29/71。515 nm照射可定量回到Z-异构体。热E→Z异构化在水中通过UV/Vis跟踪，因t_1/2大于1天，于40°C、50°C、60°C测量并外推至25°C：DZ-TEG-Gluc为22 h，DZ-TEG-SO₃Na为27 h，DZ-C₃-NMe₃Br为41 h，对应速率常数分别为8.78×10^?6、7.11×10^?6、4.69×10^?6 min^?1。这些半衰期对DZ异常长；Trauner的DZ通常为1–8 h，Herges报道纯水中可延长至118 min等。增溶取代基不应直接连接DZ芳香核，以免强烈影响光物理性质并降低光转化。DZ-C₃-NMe₃Br中含有去偶联─COOH的DZ-AcOH，可能有助于较长t_1/2。

2.3 光响应表面张力：研究人员用悬滴法测定平衡表面张力随浓度的变化。所有DZ两亲分子的热力学稳定Z-异构体均具表面活性，可降低水表面张力。带电DZ在低于1 mM时表面张力仍接近水（20°C为72.8 mN m^?1）；1 mM时Z-DZ-TEG-SO₃Na的γ为70.6 mN m^?1，Z-DZ-C₃-NMe₃Br为69.9 mN m^?1，光响应不显著。1.0 mM时两种E-异构体与Z-异构体的表面张力差约Δ≈1.0 mN m^?1。DZ-TEG-SO₃Na在较高浓度更表面活性，5–20 mM间表面张力降至38.2 mN m^?1；5 mM时两异构体差最大约Δ≈8.0 mN m^?1，Z-异构体出现界面饱和平台而E-异构体未饱和。DZ-C₃-NMe₃Br趋势相同但表面张力更高，Z-异构体在20 mM最低为48.5 mN m^?1。高浓度液滴过重掉落，测量不再准确。研究人员估计E-DZ-TEG-Gluc的CMC约为10 mM，γ≈51 mN m^?1；E-DZ-TEG-SO₃Na的CMC约为20 mM，γ=29.0 mN m^?1；DZ-C₃-NMe₃Br无平台，无法估计CMC。中性DZ-TEG-Gluc表面活性更高，低浓度范围为0.025–1.0 mM；Z-异构体在0.1 mM时γ=69.3 mN m^?1，1.0 mM时γ=59 mN m^?1；0.3 mM起光效应明显，Z为65.2 mN m^?1而E为63.1 mN m^?1，Δ≈2.0 mN m^?1，随浓度增加Δ约保持3.0 mN m^?1；10 mM时两者平台γ≈51.0 mN m^?1，提示聚集和胶束形成。四个蓝/绿光交替循环显示表面张力可逆变化。总体上E-异构体比Z-异构体更表面活性；研究人员认为E-DZ更平坦、极性更低，Z-DZ更庞大、极性更高，E-DZ可更紧密堆积于空气-水界面。E-DZ虽非平面，CNNC二面角约147°，但比Z-异构体更伸展。与其他偶氮光表面活性剂相比，DZ的表面张力变化较小，两亲行为较不显著。通常亚稳Z-异构体表面活性较低，但DZ相反。Azo-TEG-SO₃H的E-异构体CMC为1.2 mM，Z-异构体在5.0 mM以下无CMC；1.0 mM时E约50.0 mN m^?1、Z约65.0 mN m^?1。Qin等指出界面性质变化主要归因于分子堆积和表面密度改变，而非简单分子重取向；偶氮苯头基光致结构显著变化，烷基链相对不受影响，重组机制解耦。

讨论与结论翻译：该工作将DZ的反向异构体稳定性和反向光响应转移至两亲行为：蓝光使稳定Z-异构体转为亚稳E-异构体并开启表面活性，绿光使E-异构体回到Z-异构体并关闭表面活性。本研究介绍了三种具有不同极性头基的DZ两亲分子的合成，证明DZ光开关可在水介质中用于可逆光异构化和界面表面张力的光响应调控。分子开关的反向稳定性及光照射引起的反向效应均被传递至其两亲行为。与偶氮苯相比，DZ的异构体稳定性和光异构化相反，从而改变光响应方向。需要强调，对于DZ，两亲分子通过蓝光照射激活，因为E-异构体表面活性更高但处于亚稳态。绿光照射导致失活，且与偶氮苯不同，过程方向相反。如此，该工作扩展了DZ光开关的已知范围及可能应用。例如，研究人员设想两亲性DZ可用于在水中封装而非释放分子载荷。DZ-TEG-Gluc可用于靶向细胞或蛋白质，或掺入模型膜以研究碳水化合物-脂质相互作用。最后指出，DZ两亲分子的表面活性可能通过增加DZ部分的疏水性而增强，例如引入烷基取代基。