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纳米人 · 公众号 · 化学科技媒体 · 2024-09-22 08:38

正文

第一作者：赵健韬

通讯作者：徐江飞

通讯作者单位：清华大学

点击反应是两种反应物之间能够快速和高产率高选择性偶联的反应，点击反应是重要的合成技术，但是可逆的点击反应非常罕见。发展能够精确且可逆的点击反应能够拓展点击反应的类型和应用场景。

有鉴于此，清华大学徐江飞等报道了硫亚胺（sulfilimine）的可控点击反应和切断反应，实现了酚噻嗪（Phenothiazines）和有机胺两者通过形成化学键的方式，快速且定量的偶联生成硫亚胺。而且，生成的硫亚胺溴化物能够在380nm光照射重新还原为酚噻嗪和有机胺。

通过这个方法能够制备可以解聚的大分子，能够对氨基糖进行可逆的改性，展示了复杂分子体系内的硫亚胺的高选择性和高效率的调控。

图1. Click-Clip自由基反应设计

Click反应

图2. Click反应条件、动力学、兼容性

研究了吩噻嗪和有机胺之间的氧化点击反应。N-甲基吩噻嗪和丁胺作为反应物，当加入NBS（N-溴代丁二酰亚胺），能够以>99%的产率生成磺亚胺加合物。NBS具有合适的氧化性和比较快速的氧化反应动力学，因此选择其作为氧化剂。反应非常容易发生，在乙腈的水溶液中暴露空气气氛中进行。反应的动力学模拟结果显示遵循二阶速率，反应的速率常数为3.43±10³M^-1 s^-1，说明反应速率非常快。

点击反应兼容性。兼容性结果显示，一级/二级胺能够与N-甲基吩噻嗪发生定量的转化。苄基胺和炔丙胺反应能够获得75~91%的产率，产率降低是因为烯丙基/苄基位点的副反应。此外，对N-甲基吩噻嗪/N-芳基吩噻嗪的2-位点取代基具有容忍性。官能团兼容性结果显示，烯烃、炔烃、醛、酰胺、酯、醇、苯甲醚、环氧化物、噻吩和卤代烷等官能团不会对反应产生抑制作用。对于能够直接与原料反应的官能团，比如硫醇、叔胺、N-杂芳烃、羧基和活性碳氢键将影响反应的进行。

生成的磺亚胺具有稳定性，能够在70 ℃稳定48h，而且能够溶于水（水中稳定时间2个星期）。研究结果说明，噻吩嗪和有机胺的反应高效率、快速、具有选择性和广泛的底物，且反应条件温和。

Click反应中间体

图3. Click反应中间体

反应中间体。通过ESR表征技术，观测到单电子信号，说明N-甲基噻吩嗪倍NBS氧化，转变为自由基阳离子。作者认为反应是通过这种N-甲基噻吩嗪自由基阳离子进一步氧化为高亲电活性+2价阳离子，随后与有机胺之间发生亲电加成反应。通过与柱芳烃(CP[6])的结合实验，验证说明反应中间体是+2价态的噻吩嗪阳离子。

光催化Clip反应

图4. Clip反应的兼容和反应机理

研究磺亚胺的切断反应。当使用380nmLED光照射，磺亚胺溴化物能够切断，重新生成原料噻吩嗪和质子化有机胺。光催化切断反应的兼容性研究发现，反应能够以>99%的转化率对22个磺亚胺在30min内完成。烯烃、炔烃、醛、酰胺、酯、醇、苯甲醚、环氧化物、噻吩、卤代烷烃、羧基、N-杂芳烃、叔胺和硫醇等官能团不会影响反应的进行。阴离子为F、Cl、I同样能够很好的发生。但是，当阴离子为PF₆^-，反应除了生成对应的产物之外，还生成了副产物。反应过程的产物检测到H₂O₂，说明反应过程中H₂O被还原。

光切断反应机理。通过ESR和激光光解光谱表征研究光还原过程的机理，发现光照射磺亚胺发现单电子中间体的信号。瞬态吸收光谱表征发现光照射后，在513nm产生与阳离子物种相对应的吸收峰。因此，表征结果说明，光照射过程中产生阳离子自由基中间体。

发现Br阴离子能够促进切断反应中生成噻吩嗪和有机胺，抑制生成其他的副反应产物。这些表征结果说明，光照射导致磺亚胺化学键发生均裂，随后生成自由基对，在Br催化作用下，自由基被H₂O还原，生成噻吩嗪和有机胺。

反应的优势。切断反应不存在化学平衡，磺亚胺体系的化学键形成和切断过程通过不同的路径发生，并且能够分别调节，表现了磺亚胺化学键优秀的控制性。

氨基糖的可逆改性以及合成可解聚大分子

图5. 氨基糖的氨化

通过对氨基糖的氨基可逆修饰，可解聚的生物大分子，click-clip反应的选择性、效率、操作方便。3-NH₂-α-CD氨基糖能够在室温和大气气氛进行催化氧化，使用Selectfluor作为氧化剂，以80 %收率生成3-NH₂-α-CD-SFI。NMR和高分辨率质谱表征结果发现反应对氨基具有非常高的选择性。当添加NaBr，生成的磺亚胺能够通过380 nm光照射作用完全的切断重新生成N-甲基噻吩嗪和3-NH₂-α-CD。

图6. 通过Click-Clip反应控制聚合物的聚合和解聚

该反应能够合成可解聚大分子。首先合成了一种双功能的单体分子，C12DiPTZ（含有两个吩噻嗪基团），与1,6-己二胺进行逐步聚合，能够得到分子量为4.5×10⁴ Da的聚合物，凝胶渗透色谱法分析表征结果显示分子量为2.6×10⁴ Da，多分散指数为1.45。随后使用380 nm光进行聚合物的解聚。表征结果显示解聚反应完全和干净。而且，当控制光照射的时间，聚合物的分子量能够逐步减少，这说明通过控制光子量的方式调节聚合物的分子量。

参考文献及原文链接

Jiantao Zhao, Huacheng Yu, Xingchen Jin, Bo Qin, Shan Mei, Jiang-Fei Xu, and Xi Zhang, Radical-mediated click-clip reactions, Science 2024, 385(6715), 1354-1359

DOI: 10.1126/science.adn2259

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2259

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