在本文中，作者利用吡啶-2-甲胺（L1'）與8-羥基喹啉-2-甲醛（HL1）在FeCl3配位催化下發生串聯反應，得到新的氮雜環HL3(HL3 = 2-（咪唑並[1,5-a [吡啶] -3-基）喹啉-8-醇])及其Fe(III)絡合物[Fe(L3)Cl 2](Fe1)。 電噴霧質譜（ESI-MS）揭示了串聯反應過程涉及三個步驟：（1）HL1和L1'與鐵配位；（2）醛-胺縮合；以及（3）閉環。 電子吸收光譜法、循環伏安法和密度泛函理論（DFT）的計算結果表明，配合物光躍遷能與3O2到1O 2的激發能接近，提示其作為光敏劑用於光動力療法（PDT）的潛力。光毒性實驗表明，Fe1光照射下在人乳腺癌MDA-MB-231細胞中表現出最高的抗增殖效率。此外，乳腺癌原位模型的研究進一步闡明了Fe1的抗腫瘤活性，且對其他器官沒有明顯的毒性，在體內的保留率也比較低。
作者首先利用吡啶-2-甲胺（L1'）與8-羥基喹啉-2-甲醛（HL1）在FeCl3配位催化下發生串聯反應，得到新的氮雜環HL3(HL3 = 2-（咪唑並[1,5-a[吡啶] -3-基）喹啉-8-醇])及其Fe(III)絡合物[Fe(L3)Cl 2] (Fe1)。
路線1. Fe1的串聯合成
圖1. Structures of Fe1 (a) and HL3 (b). H atoms are omitted for clarity. Note the favored configuration for optimum coordination of the ligand in Fe1 which is different to the more relaxed configuration in crystal of the free ligand of HL3 (color online).
Fe1屬於P-1空間群，不對稱單元由一個Fe3 +、一個L3-和兩個Cl-組成。金屬中心採用五配位的幾何形狀，兩個末端Cl原子，和平面配體通過兩個N和一個O原子的經向配位（圖1）。有機配體位於與Cl原子相對的一側，沒有任何位阻，這使得Cl位點的容易反應。通過使用SHAPE軟體，Fe（III）離子採取球狀正方金字塔形的五配位模式。HL3的晶體結構顯示出與其配位形式不同的構象-兩個環部分（吡啶和喹啉）彼此旋轉180°，然而π系統保持其平面性，這可能是由於分子間相互作用導致的。
為了研究該配位催化串聯反應的過程，作者採用ESI-MS對反應進行了跟蹤，ESI-MS表明分子實體是穩定的（圖2）。在室溫下起始配體與Fe絡合，得到包括[FeIII(L1)（CH3O）(CH3OH)4(H2O)NaCl]+（1，計算值463.04），[FeIII（L1'）Cl2]+（2，計算值233.94），和[FeIII2(L1)5(CH3OH)2+H]+。加熱後，沉澱物中的[FeIII2（L1）5（CH3OH）2+H]+轉化為1，而母液中主要含有2。4小時後L1和L1'偶聯成L2得到固體配合物[FeIII(L2)Cl(CH3OH)]+（3，calc.385.03）。在100 ℃反應至12小時，L2到L3的閉環反應完成，得到最終的化合物4（即Fe1）
作者接下來對配合物光物理性質進行了表徵。在這項工作中，使用醛與胺的偶聯反應來產生N2O1環境，以獲得一些新的鐵絡合物，其作為PDT的光敏劑是有效的，這種新型Fe（III）配合物隨著磷酸鹽（PBS）體積比的增加而增強了對可見光和紅外光（500-600 nm）的吸收，突破了傳統Fe（III）應用的極限，是複雜的PDT光敏劑。Fe1在純的DMSO中，用紫外燈照射可以觀察到強烈的螢光，而在PBS溶液中螢光會淬滅掉。另外，在DMSO/PBS的混合物中，Fe1在320和400 nm處顯示出兩個強吸收帶。令人驚訝的是，隨著混合溶劑中PBS體積的增加，其在557 nm處的紫外吸收逐漸增強。Fe1的循環伏安法（CV）顯示出相對於Ag / AgCl為-0.83 V的電位的單電子還原波。使用單線態氧傳感器（SOSG）試劑作為指示劑在PBS中的光動力學活性進一步證實了這一點（圖3）。DFT吉布斯自由能計算模擬了所提出的過程。Fe1在PBS溶液中吸收了可見-紅外光（400-600 nm），證明了Fe1-PDT是一種有潛力的低毒有效的腫瘤治療方法。 Fe1不僅降低了人乳腺癌細胞系MDA-MB-231的體外活力，而且通過產生1O2而在體內腫瘤異種移植實驗中可以顯著地促進乳腺癌消退。Fe1在體外和體內對MDA-MB-231細胞系具有突出的PDT作用。另一方面，鐵（III）配合物很少被報導為PDT的光敏劑。
圖3.(a) UV-visible spectra of Fe1 in mixing DMSO and PBS in different proportions at room temperature. (b) SOSG detected 1O2 relativeproduction (Test/Control) after light exposure for different times (back-ground: cellular generation of 1O2 in MDA-MB-231 cells. Scale bars:20 μm). (c) Orbital energies and map of selected orbitals of FeL3ClO2 III5as well as excitation energy of absorption bands causing charge transferfrom Fe to O (MOCT) (color online).由光譜學和計算表明Fe1具有觸發1O2釋放的特徵，因此使用MTT法(圖4) 評價Fe1作為PDT劑在一系列癌細胞系和正常細胞系293T中的效能。這些實驗表明，乳腺癌細胞系MDA-MB-231對於Fe1 PDT治療最具敏感性，且對正常細胞系293T具有非常低的毒性。
圖4.(a) MDA-MB-231 cells growth inhibition by MTT assay in different concentrations of Fe1 with or without light irradiation. (b) The relative tumor volumes of MDA-MB-231 xenografts on different groups after various treatments indicated. (c) Representative photographs of tu-mors from different groups taken on day 16. Average weights of tumors are on day 16. (d) The body weight of MDA-MB-231 tumor-bearing mice following various treatments (color online).
同時，注射Fe1後不同時間拍攝的離體組織/器官的螢光圖像證實（圖5）Fe1以非常低的分散比積聚到腫瘤部位。如蘇木精和曙紅（H＆E）染色所示，經過Fe1-PDT處理的腫瘤組織形態被破壞，而其他對照組的組織則保持正常形態，其他器官中也沒有發現明顯的損傷。總而言之，實驗結果證明了Fe1-PDT有潛力成為一種低毒有效的癌症治療方法。
圖5. In vivo bio-distribution and bio-safety analyses on nude mice bearing MDA-MB-231 xenograft, after intratumoral injection of Fe1. (a)Fluorescence images of excised major organs and tumors after injection with Fe1 at 4, 24, and 72 h. (b) H&E-stained excised major organs and tumors from survived Fe1-PDT treated mice and untreated mice (control). No noticeable abnormality was observed in major organs including heart, liver, spleen, lung, and kidney. Scale bars: 100 μm (color online).
結論：
本文通過溶劑熱串聯反應合成了新型Fe(III)-2-咪唑並-[1,5-a [吡啶] -3-基喹啉-8-醇配合物Fe1。ESI-MS揭示了串聯反應經歷了三個主要步驟：（1）配位，（2）醛胺縮合和（3）閉環，通過DFT理論計算驗證了以上反應機理。溶劑熱高溫高壓條件促進了閉環反應的發生，而這一關環反應在常規回流反應條件下卻難以實現。Fe1其關鍵結構特徵是具有N2O1的強螯合環境，以及兩個弱結合的氯化物。相比於氯原子配位不穩定性，有機配體的強配位有利於氧與和鐵緊密結合。電子吸收光譜法、循環伏安法和DFT計算顯示能量的高度匹配性，以及在可見光近紅外（Vis/NIR）輻射條件下產生單線態氧的可能性。有趣的是，Fe1在PBS溶液中顯示了對Vis/NIR（400–600 nm）光的吸收，確保了Fe1在PDT中的應用可能性。更有趣的是，Fe1作為光敏劑用於PDT，不僅降低了人乳腺癌細胞系MDA-MB-231的體外存活率，還可以通過產生1O2促進體內腫瘤異種移植實驗中的乳腺癌消退，且沒有明顯毒性。據我們所知，Fe1在體外和體內對MDA-MB-231細胞系均顯示出優良的PDT效果。此外，合理設計串聯反應以獲得新型氮雜環配合物是開發高效光敏劑的有效途徑。另一方面，鐵（III）絡合物雖然具有相當好的生物相容性以及作為易獲得的營養成分，但很少有報導其可作為PDT的光敏劑。考慮到這些配合物的合成多功能性，可能會為系統研究大量相關配合物用於癌症治療打開大門。
原文詳見：
Zhu ZH, Hu Q, Pan HL, Zhang Y, Xu H, Kurmoo M, Huang J, Zeng MH. Tracking the multiple-step formation of an iron(III) complex and its application in photodynamic therapy for breast cancer. Sci China Chem, 2019, 62: 719-726, https://doi.org/10.1007/s11426-019-9464-1