清华大学郭兴伟团队/焦雷团队：使用时间分辨EPR直接观测光催化循环中的所有自由基中间体

自由基是具有未成对电子的物种，一直以来都在现代分子科学的舞台上扮演着重要角色。从有机合成到大分子构造，再到与我们息息相关的生命代谢与衰老，自由基几乎无处不在，其重要性不言而喻。在近一个世纪的探索中，科学家们对自由基的利用更为广泛，理解日益加深。尤其是21世纪以来，光化学、电化学和过渡金属催化与自由基化学交叉融合，开启了自由基化学的新篇章。借助光/电催化，很多自由基反应可以在更加温和、绿色的条件下发生。然而目前，自由基化学的机理研究仍主要依赖于对反应表观信息的分析。时至今日，对瞬态自由基中间体直接进行动态表征与追踪的特异性手段仍然非常有限。化学家亟需能够对活泼自由基中间体的转化过程进行直接观察的有力工具。

电子顺磁共振（EPR）技术是揭示物质中未成对电子及其周围原子精密相互作用的唯一特异性检测手段，在化学、生命科学、量子信息等领域发挥着重要作用。但迄今为止，现有的EPR谱仪技术在解决活性自由基直接检测这一难题上仍存在显著的局限性。由于技术原理本身的限制，使其在灵敏度和时间分辨率之间只能取其一，难以二者兼顾。活性自由基因其寿命短、浓度低的性质极难检测，但这恰恰是科学家们极为关注并亟待突破的研究重点。

针对这一挑战，清华大学郭兴伟团队经过4年的努力，于2023年成功攻克这一自由基检测难题，研制出首台能够对化学反应中活性自由基进行全程直接观测的高灵敏时间分辨EPR原理样机，即超宽单边带相敏检测时间分辨EPR（U-PSD TREPR）。其核心技术——超宽单边带相敏检测为国际首创，从原理上突破了传统EPR谱仪时间分辨率和灵敏度不可兼得的矛盾，使原来“看不到、看不清”的自由基变得可以看见和看清。

U-PSD TREPR同时具备高灵敏度（检测限~10^-7 M）和高时间分辨率（≤40 ns）。它利用精确控制的激光脉冲和磁场调制序列，产生一对正交调制的EPR信号，再通过算法重建出一个分离了1/f噪声的“干净”的单边带（SSB）调制信号，最后通过单边带解调重构出瞬态EPR信号获得瞬态EPR微分谱，在保证高时间分辨率的同时有效提高了EPR信号的信噪比。该技术与传统TREPR技术相比，在不牺牲时间分辨率的前提下将灵敏度提升了两个数量级。这一新型通用自由基中间体检测技术将有望开启自由基化学机理研究的新篇章。郭兴伟团队已将U-PSD TREPR技术的发展撰写为论文，发表在科学仪器领域核心刊物 Review of Scientific Instru-ments上（Rev. Sci. Instrum. 2023, 94, 084101），如需进一步了解U-PSD TREPR技术，请访问郭兴伟课题组主页http://www.tr-epr.com  。

图片来源：J. Am. Chem. Soc. 

为验证 U-PSD TREPR技术在现代光催化自由基反应机理研究中的价值，郭兴伟（点击查看介绍）课题组与焦雷（点击查看介绍）课题组合作，用该技术对五甲基哌啶与丙烯酸叔丁酯在光氧化还原催化剂存在下发生的Giese型自由基加成反应进行了直接观测。作者成功在不同时间域下观测到了每个自由基中间体的特征EPR谱图，并进一步明确指认了对应自由基结构。同时，还通过检测各自由基的特征峰实现了对每个自由基中间体动力学曲线的监测。基于此，该工作首次实现了对光催化循环中所有自由基中间体的结构归属与动力学监测。

图片来源：J. Am. Chem. Soc. 

通过该研究，作者不仅观察到了反应体系中寿命范围各异的三种自由基中间体（分别约为1、10、100 μs），还测定了关键基元反应的速率常数。这为自由基化学家提供了基元反应的关键信息，为认识、理解与理性设计自由基反应提供了有力的机理研究工具。

图片来源：J. Am. Chem. Soc. 

除此以外， U-PSD TREPR还能提供更为深入的机理信息。与大家熟悉的稳态EPR谱图不同，基于光激发形成的时间分辨EPR谱图中往往体现出一种被称为“化学诱导动态电子极化”（CIDEP）的现象，导致最终得到的谱图形状与稳态EPR谱图形状有所不同。例如，谱图会呈现“发射/吸收”或“吸收/发射”的形态。这是由开壳层物种之间相互作用决定的，为机理解析带来了额外的重要信息。

例如，在这个Giese反应中，加成自由基R3转化为最终产物2的机理一直存在争议：一种可能是R3与光催化剂的还原形态发生单电子还原生成碳负离子IN1，再质子化生成加成产物；另一种可能是R3直接与溶剂或三级胺发生氢原子转移形成产物2。传统的机理研究手段难以给出直接的机理证据，而U-PSD TREPR技术却可以通过R3“发射/吸收”的极化谱图给出R3与光催化剂的还原态之间发生单电子转移的直接证据（见下图）。

图片来源：J. Am. Chem. Soc. 

小结

这一工作充分展现了U-PSD TREPR技术在自由基反应机理研究中的巨大潜力。该研究方法不仅适用于光引发的自由基反应，对于其他引发方式的自由基反应（如热、电化学等），可以通过将自由基的生成与光引发相耦合实现对其中关键基元过程的观测和机理研究。据悉，研究团队正在努力推动U-PSD TREPR谱仪的工程化与商业化，希望在不久的将来能让更多的研究者享受到该技术带来的优势。不难预料，该技术有望改变自由基化学研究主要依赖于间接观测的现状，使自由基化学家能够广泛应用基于直接观测的研究范式。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，清华大学郭兴伟副教授和焦雷副教授为通讯作者，清华大学博士研究生戚鉴清和索玮群作为共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Direct Observation of All Open-Shell Intermediates in a Photocatalytic Cycle

Jian-Qing Qi, Weiqun Suo, Jing Liu, Songtao Sun, Lei Jiao*, and Xingwei Guo*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 7140–7145, DOI: 10.1021/jacs.3c14471

导师简介

焦雷

个人主页：https://www.jiaolei.group/leijiao 

课题组主页：https://www.jiaolei.group/ 

郭兴伟

个人主页：http://www.tr-epr.com/xingwei 

课题组主页：http://www.tr-epr.com/