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南京大学,重磅Nature!

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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。


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