合成Securingine B实现光响应材料设计

2025-05-03 Sat
研究背景天然产物（natural products）长期以来在药物发现中扮演着重要角色，提供了许多具有生物活性的化合物和药物开发的基本原则。然而，天然产物的合成研究不仅仅局限于药物领域，其在材料科学中的应用也逐渐受到关注。尤其是具有光响应特性的天然产物，因其在光开关材料（photoswitching materials）和光响应液晶（photoresponsive liquid crystals）等领域的潜在应用而备受关注。
securingine B是一种反热力学稳定的天然产物，其合成一直是一个具有挑战性的课题。与热力学更稳定的异构体secu’amamine D相比，securingine B的合成需要克服热力学偏向性。此前的研究表明，secu’amamine D可以通过光化学转化生成securingine B，但这一过程的详细机制和应用潜力尚未得到充分探索。因此，韩国科学技术院（KAIST）的研究团队致力于通过光化学方法合成securingine B，并基于此开发新型光响应材料。
研究来源这篇论文由韩国科学技术院（KAIST）的Sangbin Park、Gyumin Kang、Wantae Kim等研究人员共同完成，通讯作者为Dong Ki Yoon和Sunkyu Han。论文于2025年3月13日发表在《Chem》期刊上，题目为“Synthesis of Securingine B Enables Photoresponsive Materials Design”。该研究得到了韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea）的支持。
研究流程与结果1. 光化学合成securingine B研究团队首先通过光化学方法将secu’amamine D转化为securingine B。他们发现，使用427 nm的蓝光照射secu’amamine D溶液，并在光敏剂thioxanthone的存在下，securingine B的产率高达90%。此外，在370 nm的紫外光照射下，即使没有光敏剂，securingine B的产率也能达到80%。这一结果表明，光化学方法能够有效地实现secu’amamine D向securingine B的转化。
为了进一步验证这一反应的普适性，研究团队还对phyllantidine进行了类似的光化学实验，并成功实现了其向反热力学产物的转化。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究团队揭示了该光化学反应的机制：光激发后，secu’amamine D生成三线态中间体，随后通过C-O键均裂形成双自由基中间体，最终通过自由基重组生成securingine B。
2. 热力学逆向反应研究团队还发现，securingine B在加热条件下可以重新转化为secu’amamine D。当将securingine B溶液加热至130°C时，secu’amamine D的产率高达93%。这一结果表明，secu’amamine D和securingine B之间可以通过光和热两种外部刺激实现可逆转化，这为开发新型光响应材料提供了理论基础。
3. 开发光致变色材料基于上述光化学反应的发现，研究团队设计了一种新型的光致变色材料（photochromic material）。他们通过在phyllantidine的共轭酯基团中引入电子给体基团，构建了一个推-拉系统（push-pull system）。这种材料在蓝光照射下能够迅速从黄色变为无色，并且在310 nm的紫外光照射下可以重新变为黄色。该材料的光致变色转换时间短，量子产率高，表现出优异的光响应性能。
4. 光响应液晶手性掺杂剂研究团队还开发了一种基于securingine B的光响应液晶手性掺杂剂（chiral dopant）。他们通过在phyllantidine中引入芘基团（pyrene moiety），设计了一种能够在光和热刺激下发生结构重组的分子。这种手性掺杂剂能够显著改变液晶的螺旋结构，并且在蓝光照射下能够可逆地调节液晶的光学性质。这一发现为动态控制液晶的光学特性提供了新的工具。
研究结论与意义该研究成功实现了securingine B的首次合成，并揭示了其与secu’amamine D之间的光化学和热力学可逆转化机制。基于这一发现，研究团队开发了新型光致变色材料和光响应液晶手性掺杂剂，展示了天然产物在材料科学中的广泛应用潜力。
这项研究的科学价值在于，它不仅为天然产物的合成提供了新的方法，还为光响应材料的设计开辟了新的方向。特别是，通过光化学方法实现反热力学产物的合成，为开发具有特定功能的光开关材料提供了新的思路。此外，研究团队开发的光响应液晶手性掺杂剂在液晶显示技术中具有潜在的应用价值，能够通过外部刺激动态调节液晶的光学性质。
研究亮点首次合成securingine B：通过光化学方法成功合成了反热力学稳定的securingine B，填补了该领域的研究空白。
光化学与热力学可逆转化：揭示了secu’amamine D和securingine B之间的可逆转化机制，为开发光响应材料提供了理论基础。
新型光致变色材料：基于天然产物框架设计了一种具有优异光响应性能的光致变色材料，展示了其在光开关材料中的应用潜力。
光响应液晶手性掺杂剂：开发了一种能够在光和热刺激下动态调节液晶光学性质的手性掺杂剂，为液晶显示技术提供了新的工具。
这项研究不仅推动了天然产物合成领域的发展，还为材料科学中的光响应材料设计提供了新的思路和工具，具有重要的科学和应用价值。