四嗪(Tetrazine)是一类由4个氮原子和2个碳原子构成六元环的含氮杂环化合物，分子式为 $C_2H_2N_4$，因可视为苯环中4个次甲基被氮原子取代而来，又被称为四氮杂苯。[1][2] 按环上氮原子分布不同，它有1,2,4,5-四嗪、1,2,3,4-四嗪和1,2,3,5-四嗪3种异构体，其中1,2,4,5-四嗪（对称四嗪）最稳定，研究也最深入。[1] 1,2,4,5-四嗪能与张力烯烃发生逆电子需求Diels-Alder反应，该反应速度快、选择性强且无需催化剂，已成为生物正交化学中最常用的连接手段之一。[3][4][5]
定义
四嗪的环骨架由4个氮原子与2个碳原子组成，两个碳原子彼此处于对位，属于六元含氮杂环，分子式为 $C_2H_2N_4$。[1][2] 它在概念上相当于把苯环上的4个次甲基换成氮原子，因此中文里也常称四氮杂苯。[2] 按其骨架计算，四嗪环的含氮量可达约68.3%。[3]
按照六元环上氮原子相对位置的不同，四嗪分为3种异构体：1,2,4,5-四嗪、1,2,3,4-四嗪与1,2,3,5-四嗪，三者分别俗称对称四嗪、连四嗪和不对称四嗪。[1] 其中1,2,4,5-四嗪的对称性最好、稳定性最高，研究积累也最丰富；1,2,3,4-四嗪本身难以游离存在，通常要与其他芳香环稠合或制成双N-氧化物；1,2,3,5-四嗪至今没有被实验证实。[2]
1,2,4,5-四嗪可以画出两个等价的Kekulé结构，环内电子形成共轭体系。[6] 它溶于水、醇和醚，但遇强碱、稀盐酸或长时间暴露在空气中容易分解。[2] 并非所有四嗪环都是平面芳香体系：其还原产物1,4-二氢-1,2,4,5-四嗪的中心六元环呈椅式构象，因而不具备同芳香性。[7]
原理
四嗪最受关注的化学行为是与张力烯烃或张力炔烃之间的逆电子需求Diels-Alder（IEDDA）反应。[4][8] 在该反应中，四嗪作为缺电子的二烯体，与充当亲双烯体的张力烯烃（最常用的是反式环辛烯）发生环加成，随后消去一分子氮，得到二氢哒嗪。[4][8][9] 这一过程不需要金属催化剂，条件温和，对生物分子的干扰小，通常被称为四嗪连接。[4][10]
反应速率是四嗪连接的突出特点。文献报道的二阶速率常数 $k_2$ 覆盖 $10^{-2}$ 至 $10^{6}\ \mathrm{M^{-1}\,s^{-1}}$ 的范围，使它被列为已知最快的生物正交连接反应之一。[5] 同时，四嗪对特定反应伴侣具有很高的选择性，可在复杂的生物环境中专一地完成偶联。[4][10]
环加成的初产物是4,5-二氢哒嗪，它可以互变异构为1,4-、2,5-等异构体。[11] 当张力烯烃的烯丙位连接氨基甲酸酯类载荷时，1,4-二氢哒嗪会迅速发生消除，释放出载荷和二氧化碳，这一过程被称为点击释放。
flowchart LR
A[四嗪] -->|IEDDA 环加成| B[4,5-二氢哒嗪]
B -->|互变异构| C[1,4-二氢哒嗪]
C -->|消除| D[哒嗪产物 + 释放载荷]
发展历程
四嗪化学的起点在19世纪末。1893年，平纳(Adolf Pinner)使亚氨醚与过量肼反应得到二氢四嗪，再经氧化分离出1,2,4,5-四嗪。[12] 1900年，Hantzsch与Lehmann首次合成了对称四嗪母体。[1][6]
此后，用腈或亚氨醚与肼缩合得到二氢四嗪、再氧化脱氢的路线被反复改进，成为制备1,2,4,5-四嗪最常用的方法，即平纳合成法。[13] 另一条经典路线以重氮乙酸乙酯为起点，在碱性条件下先生成1,2,4,5-四嗪-3,6-二羧酸，再脱羧得到母体；以甲酰肼为原料在160 ℃加热也可制取。[2] 亚氨醚盐与肼在低温下反应，则是制备3,6-二取代1,2,4,5-四嗪的通用方法。[2]
进入21世纪，四嗪连接成为研究热点。2010年，Rossin等在小鼠体内完成了基于四嗪与张力烯烃IEDDA反应的预靶向成像概念验证，此后该反应被广泛用于荧光检测、正电子发射断层成像与治疗研究。[14] 2025年，有研究报告了可在温和条件下把四嗪基团定点引入多肽与蛋白质的试剂，用于二硫键重桥连和后续偶联。[9] 同年发表的综述总结了1,2,4,5-四嗪衍生物的主要合成路线及其在药物合成、天然产物合成和荧光探针构建中的应用。[3] 在含能材料方向，零氧平衡的稠合1,2,3,4-四嗪化合物也被报道，其合成涉及N-胺化与偶氮偶联氧化环化。[15]
应用
四嗪应用最广的领域是生物正交化学中的标记与偶联。把四嗪连接到有机荧光基团上，再与含张力烯烃的非天然氨基酸反应，可以对蛋白质特定位点实现快速而高效的标记。[10] 与遗传密码扩展技术结合后，这一策略被用于蛋白质和活细胞的荧光标记。[10] 荧光探针构建同样是其重要用途。[3]
在活体研究中，预靶向成像先让携带张力烯烃的抗体在肿瘤处富集，再注入四嗪探针完成连接，以降低背景信号。[14] 在治疗方向，点击释放把药物以氨基甲酸酯形式接在张力烯烃上，注射四嗪后原位释放药物，可用于抗体偶联药物、前药和生物分子的可控活化。 此外，带有四嗪基团的嵌段共聚物胶束可作为纳米反应器激活前药，在小鼠肿瘤模型中抑制肿瘤生长。[16]
四嗪环含氮量高，3,6-二取代1,2,4,5-四嗪以及稠合1,2,3,4-四嗪衍生物被研究用作能量材料。[15][2] 在合成化学中，这类化合物可作为前体，用于制备哒嗪、噁二唑及二苄叉肼等。[2] 部分取代氨基四嗪对疟原虫具有抑制作用。[2]
局限
稳定性是四嗪类化合物的主要短板。母体1,2,4,5-四嗪在强碱、稀盐酸中或在空气中放置时都容易分解。[2] 1,2,3,4-四嗪只能以稠合芳香环或双N-氧化物的形式存在，1,2,3,5-四嗪则尚未获得实验证据。[2] 还原或加氢后，四嗪环还可能失去平面芳香特征，例如1,4-二氢-1,2,4,5-四嗪的六元环呈椅式构象，不具有同芳香性。[7]
点击释放体系存在反应性与释放效率之间的取舍。连接速度很快的芳基-H或双吡啶基四嗪，其载荷释放往往并不理想；反应生成的2,5-二氢哒嗪互变异构体无法完成释放，自发氧化等副反应也会降低效率。[17]
反应伴侣的稳定性同样构成限制。张力烯烃在体内会被血清中的铜离子或硫醇异构化为活性很低的顺式环辛烯，且一般不耐受高浓度硫醇、低pH和紫外光。[14] 借助生物正交反应在植入材料上实现精准的原位细胞化仍具挑战。 截至相关综述发表时，基于IEDDA预靶向的临床研究尚未开展。[14]
参见
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1,2,4,5-四嗪 —— 四嗪3种异构体中研究最充分、应用最广的一种。
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生物正交化学 —— 四嗪连接是该领域的代表性反应之一。
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逆电子需求Diels-Alder反应 —— 四嗪与张力烯烃之间发生的关键反应类型。
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反式环辛烯 —— 与四嗪配对使用、反应速率极高的张力烯烃亲双烯体。
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点击化学 —— 四嗪连接被广泛归入这一反应范畴。
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哒嗪 —— 四嗪与烯烃环加成消去氮后生成的含氮杂环产物。
参考资料
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- 四嗪 . baidu.com [引用日期2026-09-29]
- 1,2,4,5-四嗪衍生物的合成及其应用进展-化学世界2025年03期-知网阅读 . CNKI [引用日期2026-09-29]
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- ru.nl 上的 PDF 文件 . ru.nl [引用日期2026-09-29]
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- AU2020297253B2 . google.com [引用日期2026-09-29]
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最近更新：2026-09-29T12:13:13Z
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