新突破！研究实现快速高效PQ-ERA光点击反应活性！

在光化学点击反应领域，光点击化学代表了一类以光激活为基础的点击反应，这一领域获得了 2022 年诺贝尔化学奖的认可。这一优雅而高效的化学反应方法，能够将特定的分子单元耦合，生成所需的产物。与传统点击化学相比，光点击化学的独特之处在于其高度精准的时空控制。这项技术在众多领域具有广泛应用，包括3D打印、蛋白质标记以及生物成像。
9,10-苯并喹喔酮（PQ）与富电子烯烃（ERA）之间的光诱导光环加成反应，被称为PQ-ERA反应，是一种高度吸引人的光点击反应，其特点是选择性高、能够通过光外部无侵入性控制，并且具有生物相容性。其中一个显著的光点击反应类型是PQ-ERA反应，即光诱导的9，10-菲醌（PQ）与富电子烯烃（ERA）的光环加成。由于其出色的动力学特性和生物相容性，PQ-ERA反应引起了广泛的关注。然而，常用的PQ化合物在反应性方面存在局限，从而影响了整体反应效率。
鉴于此，近期由格罗宁根大学和阿姆斯特丹大学（荷兰）与欧洲非线性光谱实验室（意大利）合作在《化学科学》杂志上发表了题为“Establishing PQ-ERA photoclick reactions with unprecedented efficiency by engineering of the nature of the phenanthraquinone triplet state”的研究成果。该论文被指定为热门文章以及本周精选。
研究概述
该团队采用了一种简明的策略，用以增强PQ三重态的反应性，从而进一步提升PQ-ERA反应的效率。该策略基于在PQ的第三位支架上引入噻吩取代基团，而这一策略已经成功地实现了预期的目标。研究表明，这种取代模式显著增加了在3-噻吩PQ激发过程中反应性三重态态（3ππ*）的占比。这导致出色的光反应量子产率（Φp，高达98%），高二阶速率常数（k2，高达1974 M-1 s-1），以及PQ-ERA反应体系的显著耐氧性。这些结果得到了实验瞬态吸收数据和理论计算的支持，进一步证明了这一策略的有效性，并为快速高效的光点击转化提供了良好的前景。
图文导读
为了评估新合成的PQ衍生物在[4 + 2]光环加成反应中的性能，研究组在适当的反应配体的存在下（图a和图B所示），使用390 nm的LED光照射每个PQ（浓度为50 mM，溶剂为甲腈，气氛为氮气）的溶液。为了此目的，研究组选择了n-boc-2,3-二氢-1H-吡咯（如图1所示）作为电子供体，在之前的研究中，该环烯胺展现出最高的反应活性。
图1：PQ-ERA光循环加成的动力学分析
研究探索了是否可以利用更长波长的光来激活该系统。这是因为噻吩取代的PQs具有从350 nm到500 nm的宽带吸收光谱范围。研究组采用了不同波长的光源（365 nm、390 nm、420 nm和445 nm）照射PQs_PY混合物。结果与预期一致，在所有情况下都观察到了光催化点击产物的形成。值得注意的是，在相同的实验条件下，3位噻吩取代的PQ与未取代的PQ相比，具有更高的速率常数。最后，研究还注意到已知噻吩容易发生副反应，例如在长时间光照下，会在含氧溶剂中氧化为自由基阳离子。
图2：PQ-ERA光点击反应体系的二级反应速率(k2)和光反应量子产率(FP)概述
这些发现在PQ-ERA反应中所展现的非凡高光反应量子产率（Φp）方面得到了充分体现。这一产率已在PQ、PQ-Ph-CF3、PQ-Ph-OCH3、PQ-3TP和PQ-3DiTP分别与不同浓度的PY反应时进行了测定（见图2A）。特别值得注意的是，在3等量的PY存在下，PQ-3TP和PQ-3DiTP呈现出令人难以置信的高Φp值，达到了高达98%（图2C）。据研究了解，这是迄今为止在任何光点击反应中观察到的最高ΦP值。
图3 ：PQ-3TP_PY光点击反应 的动力学分析
研究选取PQ-3TP作为最佳的候选体，以对PQ-ERA光点击反应过程进行系统而详尽的研究（见图3A）。先前的研究已经指出，在ERAs存在的情况下，经过390 nm光照射的PQs会通过其三重态状态进行反应，通过两个反应物的光环加成反应生成PQ-ERA产物。研究组深入探究了分子氧（O2）对PQ-ERA反应过程的影响，因为O2在三重态猝灭中扮演重要角色。为了探究O2对PQ-3TP_PY光点击反应中光环加成反应的影响，研究组尝试在脱氧和非脱氧条件下确定kobs(390)，用以量化反应速率。实验结果显示，在无氧气条件下，kobs(390)显著增加，分别为0.084 → 0.229 s−1和0.014 → 0.092 s−1（图3B），这表明氧气对这一PQ-ERA反应具有抑制作用，并证实了三重态参与的假设。然而，与之前的PQ-ERA光点击系统不同，研究结果显示，在存在氧气的情况下，PQ-3TP_PY光点击反应仍然可以进行，这表明了氧气耐受性得到了整体上的改善。
图4：演化相关差异光谱 (EADS) 是通过对脱气 MeCN 中 (A) PQ、(C) PQ-3TP和 (E) PQ-3DiTP在 400 nm 激发时记录的 ns 瞬态吸收数据的全局分析获得的。
测量证实了PQ 发生非常快的 ISC ：事实上，在用 400 nm 光激发分子时，三重态的瞬态光谱在约 9 ps 内上升。通过纳秒瞬态吸收光谱测定，吸收光谱的衰减是双指数的，主要成分在1.47μs内衰减，剩余成分的寿命为40.5μs（图4A）
小结
综上所述，该研究报告了如何用一个或两个噻吩部分简单取代PQ 的 3-和 3′-位，从而获得极高的光点击量子产率（高达 98%）、更高的光点击速率常数（高达1974 M -1 s -1 ) 和显着的耐氧性。研究还提供了瞬态吸收数据，强烈支持这样的建议：在 3-噻吩基PQ的激发过程中，优先填充与ERA进行光环加成的适当反应性三重态。设想这种新型超快PQ-ERA光点击反应与 3-苯硫基PQ它不仅限于此处所示的化学物质，而且在广泛的应用中具有优势，例如表面光图案化、生物大分子标记和光化学交联。研究组的实验室目前正在进行此类研究。参考文献Youxin Fu et al, Establishing PQ-ERA photoclick reactions with unprecedented efficiency by engineering of the nature of the phenanthraquinone triplet state, Chemical Science (2023). DOI: 10.1039/D3SC01760E