南京大学，重磅Nature！

ATRA/ATRP自由切换，为塑料改性开辟新路径！

原子转移自由基反应是有机合成与高分子化学的重要工具，广泛应用于功能分子构筑和聚合物制备。其中，原子转移自由基加成（ATRA）和原子转移自由基聚合（ATRP）分别为小分子官能化和聚合物结构调控提供了有效途径。然而，如何直接利用廉价易得的非活化有机氯化物，始终是这一领域面临的重要挑战。这类化合物中的碳–氯键通常较难断裂，而反应产物中的碳–氯键往往更容易被活化。因此，如何选择性断裂原料中的碳–氯键，同时实现产物中碳–氯键的可控重建，成为亟待解决的关键问题。

今日，南京大学谢劲教授团队提出了一种双铜接力催化策略，利用双核铜催化剂选择性活化非活化有机氯化物中的碳–氯键，并通过单核铜催化剂促进碳–氯键重新形成。通过调节单核铜催化剂的参与，实现了ATRA与ATRP型反应之间的切换。该方法不仅能够用于多种功能化小分子和聚丙烯酸酯的合成，还可在温和条件下直接对聚氯乙烯（PVC）进行化学改性，为有机合成与高分子材料功能化提供了新思路。相关成果以“Switchable Chlorine Atom Transfer Radical Reactions”为题发表在《Nature》上，Jun Huang和 Yu Liu为共同第一作者。

双铜协同，实现碳–氯键的精准调控

为了让稳定的有机氯化物参与自由基反应，研究团队设计了由双核铜催化剂cat.A1和单核铜催化剂cat.B组成的接力催化体系。以1-氯丁烷和N-苯基甲基丙烯酰胺为模型底物，在370 nm LED光照、室温条件下反应4小时，目标产物的分离收率达到71%。而去除单核铜催化剂后，产物的气相色谱收率由75%下降至36%，同时出现聚合反应，说明两种铜催化剂在反应中承担着不同任务。研究人员首先通过电子顺磁共振（EPR）检测到了自由基加合物及二价铜物种的特征信号（图1a），随后通过自由基钟实验，以66%的收率获得环化产物，进一步证实了自由基中间体的参与（图1b）。与此同时，独立实验表明，相关二价铜配合物能够向自由基转移氯原子，形成相应氯化产物（图1c）。核磁共振监测发现，缺少单核铜催化剂时，双核铜催化剂的信号会逐渐减弱（图1d）；而加入单核铜催化剂后，其信号能够部分恢复，即使在黑暗条件下也能发生这一过程（图1e）。理论计算进一步揭示了双铜协同的关键。双核铜催化剂通过内球电子转移活化碳–氯键，其计算能垒仅为11.7 kcal/mol，明显低于外球电子转移路径的41.4 kcal/mol。与此同时，单核铜催化剂能够促进氯原子重新转移至加成自由基，从而加快产物形成。简单来说，双核铜负责“断键”，单核铜负责“成键”。当单核铜参与时，反应主要形成小分子加成产物；当单核铜缺席时，自由基更容易继续发生链增长，从而为聚合反应创造条件。

图1：双铜接力催化的反应机理研究。

从简单分子到复杂结构，展现广泛适用性

一种新催化方法能否真正发挥作用，关键还在于其底物适用范围。为此，研究团队系统考察了多种有机氯化物和烯烃的反应表现（图2）。结果表明，该体系能够兼容多种伯、仲、叔烷基氯化物，包括含有酮基、酯基、酰胺、醚基和羟基等官能团的底物。对于含氟、三氟甲基及硼酸酯等结构的化合物，同样能够实现有效转化。尤其值得关注的是，通常较难活化的叔烷基氯化物和桥头位氯化物也能顺利参与反应。此外，通过调整反应条件，部分缺电子芳基氯化物能够以45%～73%的收率参与反应。该方法还适用于多种丙烯酰胺、乙烯基砜及取代烯烃，并成功用于吉非罗齐、土木香内酯和异冰片醇衍生物等复杂分子的后期官能化，展现出较好的合成应用潜力。

图2：原子转移自由基加成反应的底物适用范围。

精准选择反应位置，拓展药物分子合成

除了广泛的底物适用性，该体系还具有良好的化学选择性。对于同时含有脂肪族和芳香族碳–氯键的分子，研究人员通过改变反应条件，能够分别选择不同位置进行活化，并以70%和67%的收率获得对应产物（图3a）。为验证实际应用潜力，研究团队进一步开展克级规模合成，成功获得1.11 g和1.05 g目标产物（图3b）。这些产物还能够通过环氧化、环丙烷化、消除和亲核取代等反应继续转化为其他功能分子（图3c）。在药物相关分子合成方面，该方法同样表现出优势。研究人员以64%的收率制备了McN3716形式合成所需的重要中间体，相关路线的形式总收率达到57%，并减少了合成步骤（图3d）。此外，通过结合亲核取代反应，还成功构筑了一系列局部麻醉药丙胺卡因的结构类似物（图3e），为药物相关分子的模块化合成提供了更多选择。

图3：双铜催化体系在有机合成中的应用。

从功能聚合物到废旧PVC，实现材料直接改性

这项研究更值得高分子领域关注的，是其在聚合物合成与塑料改性方面的应用。传统ATRP通常依赖较易活化的有机卤化物作为引发剂，限制了聚合物链端结构的多样性。研究团队发现，采用双核铜催化剂cat.A4且不加入单核铜催化剂时，普通非活化烷基氯化物也能够引发氯原子转移聚合反应（图4a）。借助这一方法，研究人员成功制备了带有烯基、炔基、醚基、羧基及氨基保护基团等不同端基的聚丙烯酸酯，并通过连续聚合和后续偶联反应，进一步获得嵌段共聚物和三嵌段共聚物。尽管所得聚合物的分散系数控制仍有改进空间，但该策略拓展了聚合物端基功能化的合成途径。研究团队还将这一方法应用于广泛使用的聚氯乙烯（PVC）。PVC虽然成本低、应用广泛，但其脆性和热稳定性等问题限制了部分应用。利用双核铜催化体系，研究人员能够在温和条件下直接活化PVC链上的碳–氯键，实现脱氯氢化与接枝改性（图4b）。通过调整反应时间，PVC的脱氯氢化程度可由4.8%提高至10.7%，部分接枝改性样品的接枝率达到21.8%。更重要的是，研究人员还成功对废旧电线外皮、包装材料和管材进行直接接枝改性，证明该方法能够用于实际废旧PVC材料的化学功能化，为塑料高值化利用提供了新的研究方向。

图4：双核铜催化体系在高分子合成与PVC改性中的应用。

总结与展望

总体而言，这项研究通过双核铜与单核铜的接力协同，解决了非活化有机氯化物中碳–氯键活化与重建难以兼顾的问题，并实现了小分子加成与聚合反应之间的可切换控制。从复杂分子的选择性官能化，到功能聚合物合成，再到PVC的直接化学改性，该方法展现了连接有机合成与高分子材料化学的广泛潜力，也为稳定化学键的精准转化和废旧塑料功能化提供了新的思路。