注：文末有
研究团队简介
及本文
科研思路分析
偶氮分子光开关具有结构简单、合成便捷、响应迅速以及构型变化显著等特点，已广泛应用于光药理学、智能材料和光热储能等领域。然而，传统偶氮分子通常具有较低的水溶性，尤其对于平面性较高的E异构体，较强的分子间π–π堆积作用会进一步抑制其在水中的溶解。与此同时，高效的E→Z光异构化通常依赖紫外光激发，这两者限制了其在生物和水相环境中的进一步应用。因此，如何在紧凑的分子骨架中同时实现高水溶性和高效的双向可见光异构化，是偶氮光开关领域长期面临的重要挑战。
图1. 高水溶性的可见光响应偶氮分子设计策略。
围绕这一挑战，研究者们已开展了大量探索。较为常见的策略，是在具备可见光响应特性的偶氮骨架上进一步引入磺酸盐、季铵盐等离子型基团或其他亲水取代基，以提升其水相溶解性。然而，这类“外接式”水溶化策略仍存在一定局限：一方面，额外助溶基团的引入可能改变原有分子的电荷分布和分子间相互作用，进而扰动光开关性能，例如降低双向异构化效率或缩短热半衰期；另一方面，离子型基团还可能影响分子在生物体系中的分布与定位。因此，若能在不依赖额外助溶基团的情况下，使偶氮光开关骨架同时兼具高水溶性与可见光响应，将有望为其在复杂水相及生物环境中的应用提供更理想的分子基础。基于上述背景，
上海交通大学李涛
教授团队构建了一类
兼具高水溶性与可见光响应特性的咪唑偶氮吡唑光开关（imidazoleazopyrazole，IAP）
。相关研究成果近期发表于
Journal of the American Chemical Society
，上海交通大学博士生
俞宣驰
为论文第一作者。
研究团队首先结合偶极矩、溶剂化自由能、油水分配系数及激发能等理论参数，对不同杂芳基单元进行系统筛选，最终确定咪唑和吡唑作为理想构筑单元，并将二者整合进偶氮光活性骨架，以协同调控分子的水溶性与可见光响应特性。值得一提的是，实验测得代表性母体分子
4pz
在水中的饱和浓度高达115.0 mM，显著高于传统偶氮苯，并超过多种代表性可见光响应偶氮光开关。进一步的溶剂化模型计算、非共价相互作用分析及单晶结构研究表明，咪唑、吡唑和偶氮单元上的多个氮原子能够与周围水分子形成协同氢键，从而显著增强分子的水合与溶剂化能力。由此，水溶性被直接“编码”进紧凑的光活性骨架中，而无需额外引入传统的离子型或亲水性助溶基团。
图2. 高水溶性及溶剂化机制。
更为重要的是，高水溶性的获得并未以牺牲光开关性能为代价。IAP体系在可见光照射下能够实现高效、可逆的E⇄Z光异构化，水相中E→Z转化率最高可达90%，反向Z→E转化接近定量，同时兼具出色的光异构化量子产率（ΦE→Z: 0.38–0.41，ΦZ→E: 0.54–0.67）。理论分析进一步表明，水相环境会改变Z异构体的分子构象及激发态电子结构，进而影响其吸收特征和光异构化行为。
图3. IAP体系的水相光开关性质。
在此基础上，研究团队进一步考察了该体系在复杂水相环境中的适应性及功能应用潜力。代表性母体分子
4pz
在较宽的pH范围（2–12）和浓度范围内（1.024–102.4 mM）均能保持稳定、高效的光开关行为，并在谷胱甘肽存在的还原环境中表现出良好的循环稳定性。基于此，研究团队进一步开展了生物与材料功能验证：
4pz
的两种异构体对TRPM5离子通道表现出差异化调控作用，说明其构型变化可转化为生物功能差异；同时，通过引入可聚合单元构建光响应水凝胶，实现了可逆光致变色及图案写入/擦除，展示了其在水相光响应材料中的应用潜力。
图4. pH效应、还原稳定性及光药理学。
图5. 光控偶氮水凝胶。
综上所述，本研究构建了一类兼具高水溶性与可见光响应特性的偶氮光开关。代表性分子
4pz
在水中的饱和浓度达到115.0 mM，同时保持高效、可逆的E⇄Z光异构化及出色的光异构化量子产率。理论计算与单晶结构分析表明，多个含氮位点与水分子形成的协同氢键，是其高水溶性的关键结构基础。进一步研究显示，
4pz
在宽pH、高浓度及还原环境下均能保持稳定的光开关性能，并可实现TRPM5离子通道的异构体依赖调控，以及水凝胶中的可逆光致变色和图案写入/擦除。由此，该工作提出了一种新的分子设计策略：无需额外引入助溶基团，即可将水相兼容性直接赋予光活性骨架，为高性能水溶性偶氮光开关的理性构筑提供了新的设计原则，并拓展了其在光药理学和水相光响应材料等领域的应用前景。
Highly Water-Soluble Visible-Light-Responsive Azo Photoswitch
Xuanchi Yu, Junyi Yu, Kecheng Qu, Tao Li*
J. Am. Chem. Soc.,
2026
, DOI: 10.1021/jacs.6c15684
研究团队介绍
李涛
，上海交通大学化学化工学院教授，博士生导师。2005年本科毕业于北京航空航天大学材料科学与工程学院，2010年博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：胡文平院士），同年赴丹麦哥本哈根大学从事博士后研究工作，2013年8月起任哥本哈根大学化学系助理教授。2015年加入上海交通大学开展独立科研工作至今。专注于有机功能材料特别是新型偶氮光开关分子的设计合成及其在分子电子学、分子光储能等领域的应用，迄今在Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. Lett., Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等高水平杂志发表学术论文100余篇，主编英文专著1部，参与编写中英文专著3部，授权PCT美国专利1项和中国发明专利5项。科研工作先后获得2015年高层次人才引进计划、2020年国家自然科学基金委优秀青年科学基金、2023年上海市曙光学者等人才项目支持。
课题组主页：
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：
如上所述，我们的研究兴趣之一是开发能够在水相环境中高效工作的偶氮分子光开关。水溶性对于偶氮光开关进入生物体系及其他水相功能场景十分重要，但传统偶氮分子往往水溶性较差，同时高效光异构化又常依赖紫外光。我们的想法很直接：能否不再把水溶性视为需要额外“补偿”的性质，而是通过重新设计光开关骨架本身，使分子天然具有良好的水相兼容性，同时兼顾优异的可见光响应特性？基于这一思路，我们通过理论计算筛选不同杂芳基单元，最终筛选出咪唑和吡唑这一杂芳环组合，并据此构建了本征高水溶性的可见光响应偶氮光开关。该工作表明，通过“骨架编码水溶化”的方式，可以在紧凑分子结构中同时实现高水溶性与高效光开关性能，为水相偶氮分子的设计提供了一条新的思路。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：
本项研究中最大的挑战，是如何在显著提高偶氮分子水溶性的同时，保持高效的可见光光异构化性能。水溶性与光开关性质均受到分子电子结构、构象及分子间相互作用的共同影响，因此很难通过单一结构参数独立调控。此外，水相环境本身还会显著改变偶氮分子的吸收光谱、激发态性质及热异构化行为，使其设计规律较有机溶剂体系更加复杂。为此，我们结合理论计算、分子合成与系统表征，对结构—溶剂化—光开关性质之间的关系进行了反复验证和优化。
