光催化杂环单原子编辑

杂环是许多药物中发现的分子环，以顽固地抵抗修饰而闻名。也就是说，在杂环中，一种类型的杂原子不容易被另一种类型的杂原子替换。例如，将氧原子替换为氮原子通常极其困难，这让药物化学家非常沮丧。

但现在，多亏了韩国科学技术院(KAIST)的研究人员，我们找到了一种简单的方法，可以对杂环进行单原子编辑。该方法将呋喃(一种含有一个氧原子的五元杂环)中的一个氧原子换成一个氮原子，从而生成吡咯(一种含有一个氮原子的五元杂环)。通常，这种转化需要高温热解或高能紫外线照射。但在KAIST，得益于低能可见光触发的光催化剂，这一过程在温和的条件下就完成了。

“我们提出了一种光催化策略，通过单一分子间反应将呋喃直接转化为吡咯类似物，”文章作者报告说。“观察到与药物研发中常用的各种呋喃衍生物和氮亲核试剂具有高兼容性，后期功能化可以从高分子复杂性的天然呋喃中得到原本难以获得的吡咯。”

许多药物具有复杂的化学结构，但它们的功效通常由单个关键原子决定。氧和氮等原子在增强这些药物的药理作用方面起着核心作用，尤其是对抗病毒。这种现象被称为单原子效应，即在药物分子中引入特定原子会极大地影响其功效。

在药物开发中，通过添加、删除或改变复杂分子中的单个原子来增强药物活性的能力是梦寐以求的。然而，利用单原子效应传统上需要多步、昂贵的合成过程，因为很难选择性地编辑含氧或氮的稳定环结构中的单个原子。

在韩国科学技术研究院，由YoonsuPark博士领导的研究团队通过引入一种光激活催化剂克服了这一挑战，该催化剂充当了“分子剪刀”，可以自由切割和连接五元环，从而实现在室温和大气压下进行单原子编辑。

研究小组发现了一种新的反应机制，其中激发的分子剪刀通过单电子氧化从呋喃中去除氧，然后依次添加一个氮原子。研究人员指出：“机制分析表明，通过单电子转移的极性反转在室温下启动了氧化还原中性原子交换过程。”

这项研究的第一作者、韩国科学技术研究院化学系综合硕士和博士项目的候选人DonghyeonKim和JaehyunYou解释说，这项技术利用光能取代苛刻的条件，具有很高的多功能性。他们进一步指出，即使应用于复杂的天然产品或药物，该技术也能实现选择性编辑。

Park表示：“这项突破性技术可以对五元有机环结构进行选择性编辑，这将为建立候选药物库打开新的大门，而这正是制药业面临的一个关键挑战。我希望这项基础技术将被用于彻底改变药物开发过程。”