锂/镁基光化学硝化平台用于抗癌药物发现

《Advanced Science》：Unlocking Li/Mg-Based Photochemical Nitration Platforms for Anticancer Drug Discovery

　　

轻主族金属光化学体系因低毒性和成本效益而非常适合药物开发，但轻主族金属的红外交惰性显著阻碍该目标。研究人员通过易得硝酸锂、甲氧基乙酸与苯胺底物的原位组装，建立了一种前所未有的、温和的锂基光化学体系，能够产生高价值硝基自由基（nitro radical）。该体系可实现苯胺的选择性C(sp2)–H（二）硝化，用于合成作为潜在抗肿瘤候选分子的硝基芳烃化合物。进一步用硝酸镁替代硝酸锂可使反应条件更温和，允许更低能量的绿光辐照进行（二）硝化。这两类主族金属光化学体系还可对复杂药物分子进行直接晚期官能团化（late-stage functionalization, LSF），消除过渡金属残留风险并大幅简化制药工艺后处理流程。

研究背景方面，药物开发中有毒金属残留是质量控制与安全评估的核心问题，即便以毒性较低的3d过渡金属替代贵金属，仍可能不满足药物安全标准。主族金属因人体可接受暴露限值较高、地壳丰度高、环境毒性低，在制药废液处理成本上具明显优势。然而主族金属缺乏低能d轨道来容纳光激发电子或发生氧化还原变化，构建温和主族金属光化学体系通常依赖非无辜配体（non-innocent ligand，指可在光激发中参与电子转移而不只是配位的配体）实现分子内或配体间电荷转移以生成活性自由基。自然界中含镁叶绿素吸光驱动光合作用是无毒主族金属光化学范例。当前硝基芳烃药物多用于感染疾病，抗癌同类药物仍待开发，因此研究人员希望利用无毒轻主族金属光化学合成潜在抗癌药物。该研究发表于《Advanced Science》。

主要关键技术方法上，研究人员采用原位组装策略，将金属盐、弱酸与酰胺芳烃底物混合形成光活性物种；用紫外可见吸收与电子顺磁共振（EPR）证明可见光区吸收及NO₂自由基生成；以自由基捕获剂与加合物分离、高分辨质谱（HRMS）佐证自由基与芳烃自由基阳离子参与；用密度泛函理论（DFT）计算前沿分子轨道与电荷转移机制；以CCK-8、伤口愈合、克隆形成、Transwell侵袭实验评估二硝化产物抗肝癌细胞功能；并以连续流、自然光、强酸传统硝化作应用对照。

研究结果部分，1 Introduction介绍主族金属光化学药物合成背景、自然镁光化学启示及抗癌硝基芳烃需求，指出需解锁轻主族金属光化学。2 Results and Discussion中，首先Establishment of the Li or Mg-based photochemical nitration systems，通过-ground-state相互作用观察、UV–vis与EPR实验证明Li/Mg与甲氧基乙酸及含完整N?H酰胺底物形成有色光活性混合物并可经蓝光454 nm或绿光512 nm产生NO₂自由基；自由基捕获实验分离出BHT-NO₂加合物6，HRMS检测到TEMPO-1与TEMPO-NO₂加合物，证实NO₂自由基与芳烃自由基阳离子参与；酰胺完整N?H为光活性物种形成必需；DFT显示Li物种吸蓝光、Mg物种吸绿光，最高占据分子轨道（HOMO）位于芳烃、最低未占分子轨道（LUMO）位于质子化NO₃^?，符合配体到配体电荷转移（LLCT）机制。Substrate scope of anilines表明Li与Mg体系互补，兼容萘、8-氨基喹啉、苯系酰胺底物及供电子/吸电子基团；Mg体系对缺电子底物敏感，Li体系可高效硝化酮基、氰基取代苯胺；位阻与取代模式影响单/二硝化选择性。Synthetic expansion中，Late-stage functionalization对商品药与天然产物 scaffold 酰胺芳烃耐受良好；Our methods versus traditional strong acid conditions以浓HNO₃/H₂SO₄热硝化作对照，传统强酸仅痕量产物，光化学体系具更高化学选择性与官能团耐受性；Gram-scale synthesis using continuous flow and solar irradiation实现5.0 mmol规模72%收率，自然光下50%收率；Nitration of arylboronic acid将底物拓展至芳基硼酸；Reduction of the nitro group将硝基还原为苯胺；One-pot synthesis由简单苯胺经酰胺偶联后直接硝化，总收率54%。Antineoplastic assessment of 26 derived from the Li or Mg-based photochemical platform中，CCK-8显示二硝化产物26对Hep3B与HepG2细胞随时间与浓度抑制增强，48 h的IC₅₀分别为14.41 μmol/L与18.66 μmol/L；伤口愈合显示细胞迁移受抑；克隆形成显示长期增殖受损；Transwell侵袭显示侵入细胞数显著减少；另对KYSE30食管癌细胞测试显示产物16与18使癌细胞存活约1%而对正常HET-1A细胞相对友好。

讨论与结论部分，研究人员认为该工作通过原位组装策略解锁了前所未有的锂基可见光化学硝化体系，由生物相容硝酸锂、甲氧基乙酸与苯胺底物生成光活性组装体吸收可见光高效产硝基自由基；模块化替换硝酸锂为硝酸镁得到更温和镁基体系，在绿光下产硝基自由基。两类平台实现苯胺C(sp²)–H键选择性单硝化与二硝化，二硝化产物具抗癌候选价值。结论原文意为：总之，研究人员开发了原位组装策略以解锁前所未有的轻锂基光化学硝化体系；该催化组装体由生物相容LiNO₃、甲氧基乙酸与苯胺底物生成，吸收可见光高效生成硝基自由基；体系模块化可通过将LiNO₃替换为Mg(NO₃)₂拓展至镁基平台，得到在绿光下生成硝基自由基的更温和镁基光化学体系；两类光化学平台均可实现苯胺C(sp²)–H键选择性单硝化与二硝化；二硝化产物可作为抗肿瘤候选分子；关于生物相容轻主族金属基光化学体系的开发与应用仍在持续研究中。