引言
腙官能团易于形成且稳定，在传感、抗菌、催化及作为分子开关等方面有广泛应用。其Z/E异构化能力使其对光和pH响应，并可用于构建超分子结构。腙在光分子应用中具有高热半衰期、高效光转换、抗疲劳等优点，被用于发光水凝胶、药物递送、分子执行器及太阳能储热器件。近期研究探索了腙开关与顺磁性物种结合，例如用于MRI造影剂。然而，利用电子顺磁共振研究自由基功能化腙开关的报道很少。近日，有研究报道了邻位卤素取代的吡啶转子腙具有光开关能力，引入了一种新型的邻位氮氧自由基取代的吡啶转子腙开关，旨在通过实验和理论方法研究其光开关性质。该研究发现其羧酸腙前体表现出部分可逆的光异构化，而自由基类似物的光异构化受到显著抑制。氮氧自由基的引入为利用EPR研究腙体系动力学提供了新机会。
进展
方案1. 制备化合物1和2的反应方案（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
化合物1通过Japp–Klingemann反应制备（方案1），经NMR验证。¹H NMR显示其以81% Z-型和19% E-型异构体混合物存在。化合物2通过CDI介导的4-氨基-TEMPO与1的酰胺化反应合成（方案1），产率59%。经MS和EPR表征，EPR谱显示典型的三线信号。
图1. (A) 化合物1晶体结构片段透视图。(B) 化合物2的分子结构。(C) 化合物2晶体结构片段透视图。（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
单晶X射线衍射显示，化合物1在固态下完全采取E-构象，通过两个分子内氢键稳定（图1A）。化合物2则完全采取Z-构象，腙N–H基团与吡啶氮及酰胺氧形成分叉分子内氢键（图1B, C）。使用量子理论中的原子理论分析表明，化合物2中的N–H···N氢键（10.2 kcal·mol⁻¹）强于化合物1中的相应氢键。
图2. 上图：化合物2在420 nm照射2小时前（绿色）后（红色）的¹H NMR谱中N–H共振峰的对比。下图：化合物2的UV–vis光谱在420 nm照射1小时和365 nm照射1小时前后的变化。（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
¹H NMR和UV–vis光谱表明，化合物1在420 nm和365 nm照射下发生可逆光异构化，达到光稳态时Z/E比分别为58/42和78/22。UV–vis光谱显示照射后吸收峰发生移动和强度变化。
方案2. 考虑中的化合物2Z/E光异构化方案（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
相比之下，化合物2在420 nm长时间照射（2小时）后，¹H NMR谱未检测到Z/E比例变化（图2），表明其光异构化受到强烈抑制。UV–vis光谱显示，420 nm照射1小时引起吸收峰紫移和强度降低，而365 nm照射1小时导致显著的吸光度下降和光降解迹象（图2）。EPR光谱证实，420 nm照射后顺磁中心稳定，而365 nm照射后信号强度显著降低，可能与自由基分解有关。
图3. 左图：化合物2在pH开关使用三氟乙酸和通过K₂CO₃塞过滤前后的UV–vis光谱。右图：化合物2在pH开关前后的X波段EPR谱（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
方案3. 化合物2在pH变化时（TFA=三氟乙酸）预期的Z/E异构化机制（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
化合物1和2均对pH变化响应。加入三氟乙酸（TFA）导致UV–vis光谱红移，颜色加深；经碳酸钾处理后恢复原状（图3，图S17）。对于化合物2，¹H NMR监测显示，TFA处理使E-异构体成为主要形式（67%），去质子化后恢复为Z-型为主（75%）（图S18）。EPR光谱显示，质子化后分子的旋转相关时间（τ_c）显著增加，表明分子迁移率降低；去质子化后τ_c部分恢复（图3，表S2）。
采用DFT和TD-DFT计算研究了化合物1和2的热异构化与光异构化机制。
方案4. 腙的Z/E异构机制（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
图4. DFT计算的Z→E异构化吉布斯能量剖面图（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
图5. DFT计算的Z→E异构化吉布斯能量剖面图（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
热异构化机制考察了平面内氮反转和平面外旋转（可能伴随质子转移）两种途径（方案4）。计算结果表明，两种化合物对于这两种热机制的活化吉布斯能垒（ΔG‡）相似，均在32 kcal·mol⁻¹左右或略低（图4，图5）。因此，热力学差异不能解释2的光异构化抑制。
图6. 1-Z异构体的TD-DFT计算结果（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
TD-DFT计算显示，化合物1（Z型）的S₀→S₁跃迁（84.9 kcal·mol⁻¹）涉及腙部分的π→π*电子转移，有助于削弱C═N键，促进旋转异构化（图6）。
图7. 2-Z异构体的TD-DFT计算结果（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
对于化合物2（Z型），最低能量激发D₀→D₁跃迁（66.9 kcal·mol⁻¹）对应于TEMPO基团SOMO轨道内的π→π*转移，且振荡强度很弱（图7上）。下一个激发D₀→D₂（86.1 kcal·mol⁻¹）才涉及腙部分的π→π*转移，与化合物1的S₀→S₁类似（图7下）。
图8.1和2的Z异构体的TD-DFT计算结果，比较了基态和优化激发态的分子几何构型。（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
优化激发态几何结构发现，对于涉及腙激发的态（1的S₁和2的D₂），C═N键伸长、N–N键缩短，C–N–N–C二面角接近85°，表明该激发态利于异构化（图8）。
图9. 2-Z异构体的TD-DFT计算结果，显示两个激发态D₁和D₂之间锥形交叉点的分子几何构型。（图源：ACS Org. Inorg. Au2025,DOI: 10.1021/acsorginorgau.5c00068）
关键发现是，在化合物2中，搜索到了D₂和D₁激发态之间的锥形交叉点（图9）。从D₂到达此交叉点的能垒（约12.2 kcal·mol⁻¹）可能相对较低。因此，激发到D₂态的分子可能通过内转换迅速弛豫到D₁态，而D₁态（主要位于TEMPO基团）的几何变化不影响腙键，从而导致光异构化过程被淬灭。这为化合物2光异构化受抑制提供了合理解释。
结论
该研究成功合成并表征了一种新型氮氧自由基取代的腙开关。其实验研究表明，与羧酸前体1不同，化合物2的光诱导Z/E异构化受到显著抑制，这主要归因于TEMPO自由基的引入。理论计算揭示，化合物2中存在的与自由基相关的低能激发态（D₁）可能导致从腙局部激发态（D₂）发生快速内转换，从而猝灭了光异构化途径。另一方面，化合物2仍表现出可逆的pH响应异构化。该研究为理解自由基修饰对光开关分子性能的影响提供了新见解，并指出未来设计此类体系时，需确保最低激发态位于腙开关部分而非自由基基团上。氮氧自由基的引入为利用EPR光谱研究腙体系的动力学（如pH响应过程）提供了新的可能性。
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