过去十年，防晒领域的研究焦点从对单一紫外线波段的有效吸收，转向了开发具备广谱保护、高光稳定性、低渗透性及环境友好等多重优势的新一代有机紫外线（UV）过滤剂。传统有机紫外线过滤剂虽然在UVB（280–320 nm）和UVA（320–400 nm）防护上被证明有效，但其在光稳定性、长波UVA覆盖、潜在毒理学风险及环境影响方面的局限，限制了新分子的批准。针对这些挑战，近年来大量的研究工作通过结构修饰、天然产物启发和计算设计，产出了一系列前景广阔的候选化合物。
基于已批准有机紫外线过滤剂化学骨架开发的紫外线过滤剂
研究人员对现有几类重要紫外线过滤剂骨架进行了系统的结构优化，旨在突破其性能瓶颈。
苯甲酮类 是应用广泛的芳香族化合物，其核心是两个苯环通过羰基连接。为了改善其性能，研究者探索了多种结构改造策略。例如，将苯甲酮的酮基转化为席夫碱，所得的亚胺衍生物能显著改善在UVA I、UVA II和UVB范围内的吸收，某些复杂亚胺的吸收甚至扩展到了UV–Vis范围（>400 nm）。这些亚胺类似物还表现出更强的耐水性和更低的皮肤渗透性。另一种策略是用胺基取代氧苯酮中的羟基，所得的胺衍生物（如苯胺、甲氧基苯胺和咔唑衍生物）相对于母体表现出红移，增强了在长波段的吸收，特别是甲氧基苯胺衍生物在UVA I范围吸收最强。这些衍生物在UVB区的摩尔消光系数（ε）超过 20,000 M-1cm-1，且光稳定性与氧苯酮相当。然而，对酚羟基的保护（如转化为氨基甲酸酯）则会削弱其UVA阻挡性能，凸显了特定修饰位点对保持光防护功效的重要性。
二苯甲酰甲烷类 以阿伏苯宗为代表，是高效的UVA吸收剂，但其光稳定性不足是其最大短板。近年的研究聚焦于通过骨架修饰来稳定其分子内氢键结合的烯醇式，这是其主要吸收形式。例如，在羰基附近引入-OH基团可增强烯醇式的稳定性，从而提高光降解抗性。用–COOH或–COOMe取代给电子的甲氧基也能显著提高光稳定性，其中酸衍生物在乙醇中的半衰期超过6小时，优于阿伏苯宗（≈3.5小时）。引入甘油基团的衍生物在非质子溶剂中表现出非凡的光稳定性，这归因于羟基在烯醇化过程中发挥了酸碱催化作用，防止了光诱导酮式的积累。此外，还开发了“封闭烯醇”衍生物，如嘧啶衍生物，它模拟了阿伏苯宗的刚性烯醇形式，将光谱移至较短波长（λmax≈ 313 nm），使其可作为UVA II/UVB过滤器，并显示出前所未有的日光下光稳定性和更低的皮肤渗透性。计算分析表明，在阿伏苯宗的–OMe位引入磺酸、硫酸二酰胺和磺酰胺等基团，可增强其UVA过滤性能并显著降低膜渗透性。
肉桂酸衍生物 是高效的UVB过滤器，其核心是不饱和键连接的芳香环和羧酸酯基团。辛基甲氧基肉桂酸酯是广泛应用的代表。研究显示，酯基的性质对吸收强度和光稳定性有显著影响，支链较少的烷基链有利于更高效的能量耗散和减少光化学降解。源自芥子酸、绿原酸和异绿原酸A等天然酚酸的酯类也表现出强而宽的紫外吸收，覆盖UVB并延伸至UVA范围。它们通过超快的反式–顺式光异构化途径高效耗散能量。将肉桂酸酯与碳水化合物偶联，其吸收光谱几乎完全由肉桂酸酯生色团决定，芳香环上的修饰可调控λmax。含有4-甲氧基取代基的衍生物光谱与辛基甲氧基肉桂酸酯非常相似，且SPF效率略优。基于L-酒石酸盐的二聚体化合物显著增加了紫外吸收并部分扩展至UVA范围，其光稳定性优于辛基甲氧基肉桂酸酯，且不具有内分泌干扰活性，使其成为极具前景的候选者。然而，某些结构更复杂的二聚体在延长照射下会发生显著光降解，表明增加共轭以拓宽光谱范围可能会损害该骨架的长期光稳定性。
苯并唑类 包括苯并咪唑、苯并噻唑和苯并恶唑衍生物，其杂环融合结构赋予其优异的发色性质和光化学稳定性。依茨舒是一种苯并咪唑衍生物。研究表明，在2-芳基环上增加–OH基团数量并引入邻位取代，可促进更宽的吸收光谱和λmax的红移。2-芳基环上存在叔氨基也会产生显著的红移，赋予其宽吸收谱。尽管大多数苯并咪唑化合物的吸收普遍优于依茨舒，但达到广谱标准（λc≥ 370 nm）的是那些在苯并咪唑5位带有磺酸官能团的衍生物。在苯并咪唑C-2位用五元杂环（呋喃、吡咯、噻吩）取代可优化UVB吸收，其UVB效率遵循呋喃 > 吡咯 > 噻吩的顺序，但增强的UVB功效与光稳定性呈负相关。扩展共轭体系，如2-苯乙烯基-苯并咪唑衍生物，因烯键延伸了共轭，产生强红移并将吸收移至UVA范围。
苯并噻唑衍生物中，硫原子的存在增强了杂环的共振稳定性，有利于快速能量耗散和更高的光降解抗性。2-呋喃衍生物显示出最高的UVB相关SPF值，但光稳定性较低；而2-噻吩衍生物光稳定性最佳。2-芳基苯并噻唑衍生物的研究表明，在苯并噻唑6位引入吸电子基团可通过稳定LUMO轨道引起λmax的红移。2-苯乙烯基-苯并噻唑框架是一种有效的广谱UV过滤器策略，高度共轭的烯烃系统确保所有衍生物的λmax值都在UVA范围内。增加苯乙烯苯环上的取代基（特别是OH和OMe）数量可将吸收从UVB移至UVA。含有2'-羟基苯基的苯并恶唑衍生物能有效吸收UVA和UVB辐射，2-芳基上氨基的存在是增强该类光稳定性的关键因素。
三嗪类 是最现代的有机紫外线过滤剂类别之一，以其强紫外吸收和高光稳定性著称。1,3,5-三嗪核心允许引入共轭芳香基团，从而产生高摩尔消光系数。三个氮原子赋予电子稳定性并减少光降解，而其衍生物通常较高的分子量（>500 g/mol）限制了皮肤渗透。一个通过绿色化学合成的创新三嗪化合物在氧化和高温条件下表现出稳定性，具有广谱紫外功效，覆盖260–340 nm（UVA和UVB区），且显示出低至中度急性口服全身毒性，无刺激或光毒性潜力。结构相似的三重取代三嗪框架也增加了摩尔吸光系数，其SPF和UVA保护因子（UVA-PF）普遍优于商业紫外线过滤剂乙基己基三嗪酮。从腰果壳液酚类化合物出发合成的三嗪也表现出良好的UVA和UVB波段吸收，表明其作为广谱紫外线过滤剂的潜力。
受天然产物启发或衍生的紫外线过滤剂
大自然为光保护剂的开发提供了丰富的灵感来源，特别是那些在严酷光照环境中进化的生物所产生的分子。
受肌孢藻氨酸样氨基酸启发的合成化合物 肌孢藻氨酸样氨基酸因其基于六元环内共轭的高效生色团而成为开发新紫外线过滤剂的灵感来源。其主要核心分为氧代-MAA型和氨基-MAA型。为了复现MAA卓越的光稳定效率，研究人员开发了基于环己烯亚胺或环戊烯亚胺核心的合成衍生物系列。细微的取代基变化精细地调控了生色团的给体-受体特性，将吸收调整跨越UVB和UVA范围，同时保持高摩尔消光系数。所有结构都保留了负责其卓越光稳定性的超快内转换机制。开发出的合成MAA类似物显示出显著的广谱保护作用，覆盖UVA、UVB、UV–可见光、红外和蓝光。这些分子的协同组合在测试配方中增强了SPF，并提供了抗氧化和抗炎等多功能益处。结构修饰产生的类似物具有高光稳定性，将其纳入配方可显著提高SPF和UVA-PF，证实了这些类似物作为紫外线保护增强剂的潜力。受氧代-MAA启发开发的合成化合物在UVB范围具有强吸收，并且在紫外线照射后表现出显著的光稳定性。除了光保护作用，这两种类似物都表现出高抗氧化能力和低毒性。通过代谢工程策略生产的混合光保护剂类似物Gadusporin A和Gadusporin B，通过结构修饰扩展了吸收光谱并优化了MAA相关化合物的光保护特性。
含有酚类天然产物核心的化合物 酚类天然产物，包括查尔酮、呫吨酮、类黄酮、色酮和香豆素等，因其结合UVA/UVB吸收、抗氧化特性和高光稳定性而受到关注。查尔酮是α,β-不饱和酮，由于其共轭系统，是UVA过滤器的重要支架。过去十年的研究主要集中优化取代基以实现广谱保护、高摩尔吸光度和光化学稳定性。在芳香环A和B上取代基引起的电子调制是这些分子紫外吸收谱和光稳定性的主要决定因素。在查尔酮的苯环B上引入给电子基团，如甲氧基，会产生显著的红移，将吸收扩展至UVA范围。羰基邻位存在羟基，由于分子内氢键，是增强稳定性的关键因素。某些查尔酮类似物的能量耗散机制涉及激发态分子内质子转移，然后构象扭转返回基态，而不发生顺式–反式光异构化，从而确保了优异的光稳定性和UVA范围吸收。
呫吨酮具有三环核心。多氧代呫吨酮中，1,2-二羟基呫吨酮最具前景，它结合了抗氧化/金属螯合特性与过滤紫外线辐射的能力，在接近皮肤pH的范围内表现出更高的稳定性。其他羟基化呫吨酮也表现出UVA和UVB吸收。含有肉桂酰残基的呫吨酮的紫外光谱特征受取代模式调控。带有4-甲氧基和4-氯肉桂酸残基的衍生物可作为强效UVB过滤器。肉桂亚基衍生物是强效的UVA过滤器。苄亚基衍生物显示出宽吸收。
天然类黄酮，如源自菜籽壳液的3-羟基黄酮，表现出优异的UVA特征，具有高消光系数，并通过分子内氢键实现高效耗散。糖基化类黄酮afzelin和异荭草素在UVB和UVA范围均有吸收。在B环具有延伸共轭的黄酮表现出显著改善的紫外吸收特征。色酮和香豆素化合物共享异构的苯并吡喃酮核心。色酮衍生物表现出宽光保护特征，在UVC、UVB/UVA均有强吸收，SPF值与苯并酮-3相当，光稳定性好，无细胞毒性，纳入纳米乳剂时性能优越。香豆素奥斯特定表现出显著的光稳定性。从地衣中分离的代谢物也表现出不同的光保护特征，其共轭模式直接反映了其光保护功效。
甾体衍生物 将胆汁酸的两亲性和载体能力与氮杂芪的高光生物反应性整合在单个分子中的胆汁酸-氮杂芪偶联物，表现出宽光保护性能，SPF值在2到9之间，UVA-PF值在2到11之间，反映了在UVA和UVB范围内的互补吸收。带有羟基、溴和硝基等取代基的偶联物显示出最高的SPF值。所有偶联物的性能均优于其酰胺前体，凸显了氮杂芪单元对光保护的有益结构贡献。两种偶氮苯衍生物在UVA范围内表现出有效吸收，并且可以作为可重复使用的防晒剂，因为它们可以在紫外线照射和可见光下在反式和顺式状态之间切换。尽管其摩尔消光系数低于阿伏苯宗，但超过了常见的过滤器如氧苯酮。生物安全性评估表明其中一种无细胞光毒性、DNA损伤或凋亡，是优越的候选者。
含氮杂环的天然产物 杂环天然产物构成一类庞大且化学多样的化合物，其特征是环状框架内含有杂原子。一个突出的例子是蓝藻素，这是一种从蓝藻中分离的独特天然产物，其特征是由吲哚和酚亚基组成的二聚结构。该分子在UVA范围和紫蓝光范围表现出强吸收最大值。体外试验表明其具有高计算防晒系数，超过30，有资格用作防晒霜。来自海洋和真菌来源的生物碱也具有潜在的光保护特性。例如，aaptamine衍生物在UVA和UVB范围均有吸收，表明其作为天然有机防晒成分的潜力。同样，从南极海洋真菌中分离的喹啉生物碱在UVB和UVA-II范围表现出显著吸收，其临界波长表明具有中等水平的UVA保护，与商业过滤器苯并酮-3相当。这些化合物具有光稳定性且对局部使用无光毒性，增强了其作为UVB/UVA-II吸收剂和抗氧化剂的潜力。
