清華大學今日Science，可逆點擊反應！

一、【科學背景】

高保真高效地耦合和解耦分子單元是化學中的一個基本挑戰。在此背景下，點擊化學是指以接近理想的方式連接反應物對的反應，具有快速的動力學、高效率/收率、優異的選擇性和保真度，此外還與各種反應條件兼容。因此，點擊反應已被廣泛應用于化學及其他領域。然而，分子的精確修飾通常需要選擇性地切割某些化學鍵。高效的鍵斷裂反應，也稱為剪切反應，在需要分子修剪的研究中具有重要意義，例如在聚合物可持續性和生物大分子的動態修飾中。如果點擊反應和剪切反應配對在一起來操縱相同的分子鏈，構成點擊—剪切序列，那么這些轉化不僅可以實現快速和定量的偶聯，還可以提供精確解耦回原始底物的能力。盡管點擊化學的使用方便且廣泛，但將形成的鏈接解耦并返回原始底物并非易事，這是由于點擊反應往往有較大的熱力學驅動力，生成的分子連接不易發生選擇性的斷鍵。

二、【創新成果】

基于此，清華大學徐江飛副研究員、張希院士在Science發表了題為“Radical-mediated click-clip reactions”的論文，基于硫亞胺的成鍵和斷鍵，建立了吩噻嗪和胺之間的點擊—剪切反應。具體的，在室溫和空氣氣氛下，吩噻嗪衍生物和胺在乙腈和水的混合溶劑通過與N-溴琥珀酰亞胺形成氧化亞磺酰亞胺鍵而快速定量偶聯，然后通過380 nm的光還原，硫亞胺鍵發生剪切反應定量轉化為吩噻嗪和質子化的胺。機理研究表明，成鍵反應和斷鍵反應均經由關鍵的吩噻嗪自由基陽離子中間體進行。該方案能夠制備可解聚的大分子或對氨基糖進行可逆改性，證明了在復雜系統中操縱亞磺酰亞胺鍵的高選擇性和高效性。

圖1 ?自由基介導的點擊—剪切反應示意圖 ? 2024 AAAS

圖2 ?氧化點擊反應的條件、動力學和應用范圍 ? 2024 AAAS

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圖3 ?鑒定參與氧化點擊反應的PTZ1^?+和PTZ1²⁺中間體 ? 2024 AAAS

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圖4 ?光還原剪切反應的反應范圍和機理研究 ? 2024 AAAS

圖5 ?氨基糖的可逆胺改性 ? 2024 AAAS

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圖6 ?通過點擊—剪切反應進行聚合和解聚 ? 2024 AAAS

三、【科學啟迪】

綜上，本研究闡明了自由基介導的點擊—剪切反應的概念驗證，并展現了其在功能分子體系的構筑、編輯和調控中的應用前景。吩噻嗪類與胺類之間的氧化點擊反應具有定量、快速、條件溫和、范圍廣泛等優點。此外，點擊產物亞磺酰亞胺可以通過光還原剪切反應裂解，以受控的方式再生吩噻嗪和胺。值得注意的是，吩噻嗪自由基陽離子在這些點擊—剪切反應中的作用至關重要。這種自由基的反應性是快速和高產轉化的原因，此外其持久性賦予了反應良好的魯棒性和相容性。在未來，持久自由基對點擊—剪切反應發展的潛力值得進一步探索。

原文詳情：Radical-mediated click-clip reactions (Science 2024, 385, 1354-1359)

本文由賽恩斯供稿。