碳–氯键广泛存在于大宗化工原料、塑料与卤代功能分子之中，如何实现它的可控活化，一直是自由基合成领域长期探索的方向。原子转移自由基加成（ATRA）与原子转移自由基聚合（ATRP）共享原子转移的核心机理，分别面向小分子官能化和可控高分子合成；自Matyjaszewski等人建立经典ATRP体系以来，该类可逆失活自由基聚合（RDRP）已经成为高分子合成的基石工具^[1]。但经典ATRP体系高度依赖活性更高的烷基溴、碘化物作为引发剂，直接利用廉价、存量巨大的非活化烷基氯化物开展可控原子转移反应，始终是领域内公认的难点：惰性C–Cl键难断裂，而生成产物中新形成的C–Cl键反而更容易被再次活化，极易引发连锁失控，很难做到“选择性断原料的碳氯键、可控重建产物的碳氯键”。南京大学谢劲教授团队近期在Nature发表的工作，用一套双核铜+单核铜接力催化方案，为这个矛盾给出了精巧的解决方案^[2]。

该策略最核心的巧思，是对两种铜催化剂进行功能拆分。双核铜催化剂负责“断键”，借助内球电子转移路径活化非活化烷基氯化物中的C–Cl键，理论计算该步能垒仅11.7 kcal/mol，远低于外球电子转移路径的41.4 kcal/mol；单核铜催化剂则专门负责“成键”，驱动氯原子向加成自由基回传，完成C–Cl键重建^[2]。研究团队以1‑氯丁烷与N‑苯基甲基丙烯酰胺作为模型底物，在370 nm LED光照、室温条件下反应4小时，目标ATRA产物分离收率可达71%；当移除单核铜催化剂之后，加成产物收率明显下降，体系转向自由基链增长聚合，直观证明两种铜物种分工明确、协同完成氯原子的流转。机理证据链条完整：EPR检测捕获自由基加合物与二价铜特征信号；自由基钟实验以66%收率得到环化产物，证实碳中心自由基中间体的存在；独立对照实验证明二价铜物种具备向自由基转移氯原子的能力；原位核磁监测进一步确认，单核铜可以在无光条件下恢复双核铜活性物种，完成催化循环的闭合^[2]。

这种分工带来一个极具价值的特性：通过调控单核铜催化剂的加入与否，实现ATRA和ATRP两种反应模式的开关切换。体系中存在单核铜时，加成自由基快速捕获氯原子终止，主要生成小分子加成产物，走ATRA路径；移除单核铜之后，加成自由基难以被及时淬灭，持续发生链增长，转向可控的氯原子转移聚合，也就是ATRP模式^[2]。

底物拓展结果证明该催化体系兼容性很强。伯、仲、叔烷基氯化物，带有酮、酯、酰胺、醚、羟基的官能化底物，含氟、三氟甲基、硼酸酯的结构，甚至活化难度极高的叔烷基氯化物、桥头氯化物都可以顺利转化；部分缺电子芳基氯化物也能以45%～73%的收率得到目标产物^[2]。体系同时具备优异的化学选择性，对于同一分子内同时存在脂肪族C–Cl和芳香族C–Cl的底物，可以通过条件调控，选择性活化其中一类碳氯键。团队完成克级放大合成，并且将该方法用于吉非罗齐、土木香内酯、异冰片醇衍生物等复杂天然产物的后期修饰；在药物合成方向，该路线以64%收率得到McN3716合成关键中间体，简化合成步骤、提升形式总收率，还可用于构建局部麻醉药丙胺卡因的类似物，展现模块化药物合成潜力^[2]。

站在高分子化学视角，这项工作的价值尤为突出。传统ATRP体系对烷基氯化物引发兼容性差，限制了聚合物链端基团的多样性；该双核铜体系不需要单核铜参与，就可以直接使用普通非活化烷基氯化物引发聚合，制备带有烯基、炔基、醚基、羧基、氨基保护基等多样端基的聚丙烯酸酯，并且可以通过连续链延伸制备嵌段共聚物，只是当前聚合物分散系数仍有优化空间^[2]。更贴近产业需求的是PVC改性：PVC是产量巨大的通用塑料，但热稳定性差、脆性大，传统改性手段条件苛刻。该催化体系可以在温和光照、室温条件下，直接活化PVC主链上的C–Cl键，实现脱氯氢化与接枝改性；通过调控反应时间，脱氯氢化程度可在4.8%～10.7%区间调节，接枝样品最高接枝率可达21.8%。团队直接对废旧电线外皮、包装PVC、管材等真实废弃样品改性，为废旧PVC的高值化再利用开辟了新路线^[2]。

放眼2026年，氯原子转移可控自由基化学领域也同步涌现多条互补方向。Macromolecules在年初报道了双催化光诱导ATRP中的卤素效应，对比氯、溴引发体系动力学差异，为氯基ATRP的配体、光源选型提供设计准则^[3]；JACS Au同期报道连续流平台结合原位NMR高通量筛选铜介导光RDRP，实现可见光下丙烯酸酯的快速可控聚合，为后续催化体系快速优化提供平台工具^[4]；还有钴介导自由基配体转移（RLT）光催化体系，实现未活化烯烃的氯烷基化，是不同于铜催化的另一套卤素原子转移范式^[5]。这些进展共同说明，利用惰性C–Cl键构建可控自由基反应已经成为领域热点，谢劲团队这套可切换双铜接力催化，区别于单一聚合、单一加成的已有方案，打通了小分子合成与高分子改性的双向通道。

总体来看，这项工作解决了非活化烷基氯化物原子转移反应里“断键、成键相互牵制”的固有矛盾，用催化剂组分调控实现反应路线切换，在有机合成、可控聚合、废旧塑料资源化三个方向同时形成突破。它也启发后续研究者：针对惰性化学键转化，通过催化物种功能拆分、接力协同的设计思路，有望解锁更多稳定卤代底物的可控自由基转化路径。

参考文献

[1] Matyjaszewski K, Xia J. Atom transfer radical polymerization[J]. Chemical Reviews, 2001, 101(9): 2921-2990. https://doi.org/10.1021/cr940534g

[2] Huang J, Liu Y, Yan W C, Dong G C, Zhang X Y, Chen H L, Zhao S Y, Xu Z, Zhu C J, Han J, Xie J. Switchable chlorine atom transfer radical reactions[J]. Nature, 2026, 648: 704–709. https://doi.org/10.1038/s41586-026-11348-z

[3] Coskun H I, Radadiya R, Yilmaz G, Matyjaszewski K. Halogen Effect in Dual-Catalysis PhotoATRP[J]. Macromolecules, 2026, 59(3): 1732–1742. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c02801

[4] Hall M D, Zhang B, Liarou E, Junkers T, Haddleton D M. High-Throughput Kinetic Screening of UV and Visible Light-Induced Copper-RDRP in Continuous Flow Using Inline Benchtop NMR Analysis[J]. JACS Au, 2026, 6(4): 2387–2395. https://doi.org/10.1021/jacsau.6c00015

[5] Patra S, Fernandes A J, Kadriu B, Katayev D. Chloroalkylation of Unactivated Alkenes via a Cobalt-Mediated Radical Ligand Transfer (RLT) Photoredox Catalysis Platform[J]. JACS Au, 2025, 5(11): 3068–3076. https://doi.org/10.1021/jacsau.5c01211

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