Yang Cheng, Shu-Lin Zhang, Jessika Lammert, Le Yu, Yinjiao Zhao, Armido Studer,* Jiani Ma,* and Yu Fang. JACS Au, 2025, DOI: 10.1021/jacsau.5c01342

光敏保护基因其“光触发、可时空精准控制”的特点，在药物递送、光控合成、光遗传学等领域具有广泛应用。传统基于碳酸酯的光保护策略存在合成繁琐、光解后仍需热脱羧、时空控制精度有限等问题。苯甲酰二异丙基硅烷（BDIPS）作为新型可见光响应的硅基PPG，然而研究人员发现，不同结构的BDIPS醚在光照后得到不同的产物：部分分子可顺利释放醇，但含苄基或烯丙基结构的BDIPS醚却只能生成酮衍生物。该现象缺乏统一的机制解释，制约了BDIPS的进一步应用。

图1. (A) 羰基化合物、(B) 酰基硅烷、(C) 烷氧基芳基硅烷的光化学反应示例，以及 (D) 本研究示意图

针对这一问题，本研究通过结合飞秒瞬态吸收光谱与密度泛函理论计算，深入探究了三种模型化合物（1a、1b、1c）的光反应路径。研究表明，对于不含活化α-H的BDIPS醚，如1a和1c-1f（图1），光激发后最优反应路径是1,2-硅迁移。该路径几乎无势垒即可发生，可迅速生成高度活泼的硅氧卡宾中间体。随后卡宾会与溶剂甲醇的O–H键发生插入反应，随后高效实现醇的脱保护。对于含有苄基或烯丙基等具有活化α-H结构的BDIPS醚（如1b、1g和1h，图1），研究显示其主要经历1,5-氢原子转移（1,5-HAT）。α-H的存在显著降低 HAT能垒，使其竞争优势明显。一旦形成双自由基中间体，体系将进一步经历环化、质子化与开环，最终生成稳定的重排酮。

最具代表性的重要发现为1c的反应机制研究，该分子在甲醇中生成醇，而在乙腈中的产物为酮衍生物。势能面分析表明，1c的硅迁移与氢转移能垒接近，是典型的“双通道竞争体系”。甲醇具有良好的给氢能力与氢键作用，从而加速卡宾插入，使硅转移反应成为优势通道；而乙腈难以为卡宾提供稳定环境，使HAT路径更易进行，因此生成酮为主要路径。该结果从根本上揭示了溶剂在光控反应路径选择中的调控机制。

该研究不仅阐明了了BDIPS光化学反应机制，更提出了基于“结构–溶剂协同调控”的全新设计理念。在光激发条件保持不变的情况下，通过精准调整分子结构与溶剂环境，即可精准调控硅迁移与氢转移两条路径，从而选择性地生成醇或酮产物。这一发现将光化学反应从常见的“被动结果”转变为可根据需求进行调控，为光控药物递送、智能响应材料、光驱动聚合等领域的分子设计提供了重要理论基础与实践指导。

第一作者：陕西师范大学博士研究生程洋

通讯作者：陕西师范大学马佳妮教授，明斯特大学Armido Studer教授

全文链接：https://doi.org/10.1021/jacsau.5c01342