點(diǎn)擊反應(yīng)具有快速、高產(chǎn)、高選擇性偶聯(lián)的特點(diǎn)，是合成的有力工具，但很少是可逆的。以精確和按需的方式逆轉(zhuǎn)這種耦合的創(chuàng)新策略，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊剪輯序列，將大大擴(kuò)展該技術(shù)的多功能性。在此，清華大學(xué)徐江飛副研究員等人通過操縱硫嘧啶鍵證明了點(diǎn)擊和剪輯反應(yīng)對(duì)。吩噻嗪和胺通過與N-溴琥珀酰亞胺形成氧化硫噻嗪鍵快速定量偶聯(lián)，然后生成的溴巰胺在380納米處通過光還原量還原為吩噻嗪和胺。該方案能夠制造可解聚的大分子和氨基糖的可逆修飾，在復(fù)雜系統(tǒng)中表現(xiàn)出操縱硫嘧啶鍵的高選擇性和效率。

相關(guān)文章以“Radical-mediated click-clip reactions”為題發(fā)表在Science上。

以高保真度高效耦合和解耦分子單元是化學(xué)領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)基本挑戰(zhàn)。在這種情況下，點(diǎn)擊化學(xué)是指以接近理想的方式連接反應(yīng)物對(duì)的反應(yīng)類別，具有快速動(dòng)力學(xué)、高效率和產(chǎn)率、出色的選擇性和保真度，以及與各種條件的兼容性。因此，點(diǎn)擊反應(yīng)已廣泛用于化學(xué)內(nèi)外的不同研究領(lǐng)域。然而，分子的精確修飾通常需要選擇性地裂解某些化學(xué)鍵。高效的鍵裂解反應(yīng)，也稱為剪切反應(yīng)，在需要分子修剪的研究中具有重要意義，例如聚合物可持續(xù)性和生物大分子的動(dòng)態(tài)修飾。如果將點(diǎn)擊反應(yīng)和剪切反應(yīng)配對(duì)在一起以操縱相同的分子鍵，構(gòu)成點(diǎn)擊-剪切序列，那么這些轉(zhuǎn)化不僅可以實(shí)現(xiàn)快速和定量耦合，而且還將提供精確解耦回原始底物的能力。盡管點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)使用方便且廣泛，但解耦形成的鍵并返回原始底物并非易事。難點(diǎn)之一在于，點(diǎn)擊反應(yīng)通常由大量釋放的自由能驅(qū)動(dòng)，因此需要同樣大甚至更大的能量輸入來逆轉(zhuǎn)它們，從而導(dǎo)致選擇性控制問題。迄今為止，只有少數(shù)系統(tǒng)，例如基于三唑啉二酮和Meldrium酸衍生物的點(diǎn)擊反應(yīng)，通過策略實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)擊鍵的切割，這需要反應(yīng)性底物來替代形成的鍵以斷開連接。

點(diǎn)擊反應(yīng)通常包括一種或多種具有高能量含量的反應(yīng)物。鑒于自由基物質(zhì)的高反應(yīng)性，自由基化學(xué)可以為Click-Clip反應(yīng)的發(fā)展提供機(jī)會(huì)。設(shè)想在產(chǎn)生自由基后，該自由基可以快速形成新的共價(jià)鍵，從而滿足點(diǎn)擊反應(yīng)的先決條件。此外，新形成的共價(jià)鍵的均解可以再生相同種類的自由基，這可能是剪輯反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。盡管已經(jīng)有幾篇基于自由基中間體的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的報(bào)道，但僅通過自由基結(jié)合和解離構(gòu)建的可逆平衡與點(diǎn)擊剪輯反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)相去甚遠(yuǎn)。換句話說，點(diǎn)擊和篩選過程應(yīng)該是一對(duì)單獨(dú)的反應(yīng)，兩者都具有高產(chǎn)率和動(dòng)力學(xué)。在這種情況下，引導(dǎo)設(shè)計(jì)了自由基介導(dǎo)的多步反應(yīng)，其中底物通過外部試劑或催化劑連續(xù)轉(zhuǎn)移到自由基以進(jìn)行偶聯(lián)，而形成的鍵可以裂解成自由基，以便進(jìn)一步解耦回原始組分。

本文報(bào)道了吩噻嗪和胺之間的點(diǎn)擊夾反應(yīng)，分別涉及在氧化和還原條件下硫嘧啶鍵的形成和裂解（圖 1）。吩噻嗪是一組雜環(huán)，蒽支架的9位和10位被氮原子和硫原子取代。吩噻嗪和胺可以通過氧化點(diǎn)擊反應(yīng)快速、定量地生成硫嘧啶，其中吩噻嗪自由基陽(yáng)離子通過氧化產(chǎn)生，隨后與胺偶聯(lián)。硫嘧啶可以通過光還原夾反應(yīng)精確解耦，其中硫胺鍵的光誘導(dǎo)均解產(chǎn)生一對(duì)自由基，然后還原得到吩噻嗪和胺。

圖1：自由基介導(dǎo)的點(diǎn)擊剪輯反應(yīng)。

圖2：氧化點(diǎn)擊反應(yīng)的條件、動(dòng)力學(xué)和范圍。

圖3：參與氧化點(diǎn)擊反應(yīng)的PTZ1?+和PTZ12+中間體的鑒定。

圖4：光還原反應(yīng)的反應(yīng)范圍和機(jī)理研究。

圖5：對(duì)氨基糖的可逆胺修飾。

圖6：通過點(diǎn)擊反應(yīng)進(jìn)行聚合和解聚。

Jiantao Zhao, Huacheng Yu, Xingchen Jin, Bo Qin, Shan Mei, Jiang-Fei Xu*, Xi Zhang,Radical-mediated click-clip reactions, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2259

儀器推薦

愛丁堡激光閃光光解光譜儀LP980

清華大學(xué)徐江飛團(tuán)隊(duì)通過操縱硫嘧啶鍵證明了點(diǎn)擊和剪輯反應(yīng)對(duì)。文中通過愛丁堡納秒瞬態(tài)吸收光譜儀LP980確認(rèn)了自由基重組速率常數(shù)，對(duì)其進(jìn)一步的反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了解釋。愛丁堡LP980可應(yīng)用于光化學(xué)反應(yīng)，光催化以及環(huán)境污染物降解等領(lǐng)域，歡迎咨詢。