本文献是一篇由 Fabien Miomandre（巴黎萨克雷高等师范学院 PPSM 实验室）和 Pierre Audebert（巴黎萨克雷高等师范学院及利摩日大学 XLIM 实验室）联合撰写的综述文章，发表于 2020 年的《Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews》期刊。该综述系统地回顾了 1,2,4,5-四嗪（s-tetrazine）这一特殊杂环化合物家族在过去二十年中，特别是在光物理、电化学及点击化学领域的研究进展与应用，并对其未来发展方向进行了展望。
1,2,4,5-四嗪是一种六元芳香杂环化合物，其环内具有已知稳定环系中比例最高的氮原子。尽管该化合物已被认知约 150 年，但其研究在 20 世纪末至 21 世纪初迎来了爆发式增长，论文发表数量激增。这一复兴主要源于两项几乎同时出现的关键发现：其一是四嗪固有荧光和电致荧光变色（electrofluorochromism, EF）特性的再发现，其二是四嗪（特别是 H-四嗪）在逆电子需求 Diels-Alder（inverse demand Diels-Alder, IDDA）反应，即四嗪点击化学中的卓越表现。四嗪的低芳香性使其能作为缺电子双烯体，与张力烯烃发生极其快速、清洁且高容忍度的环加成反应，这一特性被广泛应用于化学生物学领域，称为生物正交点击化学。此外，该反应也为合成传统方法难以制备的 2,3-取代萘、蒽及二氮杂并四苯等稠环化合物提供了新路径。
四嗪因其环内两个相邻的氮原子上孤对电子的 n-π*跃迁而呈现颜色并具有荧光，是唯一一类可实际应用的、基于 n-π*跃迁发光的有机小分子荧光团，具有分子量小和荧光寿命长（可达 180 纳秒）的独特优势。
1. 荧光起源的理论洞见 研究表明，四嗪的荧光量子产率（quantum yield, QY）与其前线分子轨道排列密切相关。当具有给电子取代基，使得 π 轨道能量上升并成为最高占据分子轨道时，荧光通常会猝灭；只有当 n 轨道为最高占据分子轨道时，才可能观察到显著的荧光。然而，即便是具有高荧光量子产率的氯代烷氧基四嗪，其高量子产率的深层次原因仍未完全阐明，研究显示非辐射衰减速率的差异是主要影响因素。
2. “超级发光”四嗪与天线效应 针对四嗪摩尔吸光系数较低的缺陷，作者团队提出了“天线”（antenna）策略，将强吸收的发色团如萘二甲酰亚胺通过间隔基连接至四嗪核心，构建了名为 NITZ 的模型分子。在 NITZ 中，萘二甲酰亚胺吸收紫外光后，通过高效的能量转移（效率近 90%）将能量传递给四嗪，使其发光。这一过程极大地提升了分子的整体亮度（brightness, ε × φ），使其在激发天线部分时的亮度比直接激发四嗪时提高了约 7.5 倍。此外，近期研究还发现了量子产率接近百分之百的新型缺电子二芳基四嗪，预示着“超级发光”四嗪时代的到来。
1. 高氧化电位四嗪与光催化 四嗪是电子亲和势较高的化合物，其激发态是强力的氧化剂。作者综述了四嗪作为光氧化还原催化剂的应用演变。从 P. Biswas 首次使用二吡啶基四嗪催化苯并咪唑的合成，到作者团队通过精细调控取代基，制备了一系列激发态氧化电位高达 +1.96 伏（相对于饱和甘汞电极）的四嗪衍生物，并将其用于硫代缩醛胺的高效光催化氧化反应中，产率最高可达 90%。为进一步提升氧化能力，团队还开发了含咪唑鎓阳离子的四嗪衍生物，其激发态计算氧化电位高达 2.12 伏（相对于二茂铁），甚至能够光氧化苯，但高氧化性也伴随着对亲核试剂敏感性的增加。
2. 电致荧光变色 四嗪由于其中性态发光而阴离子自由基态不发光的特性，成为理想的电致荧光变色材料。作者团队于 2006 年率先构建了基于四嗪的电致荧光变色窗口，通过调节偏压即可控制器件发光。为了深入机理研究，团队结合荧光显微镜与电化学技术，开发了全新的原位表征平台。研究表明，电致荧光变色猝灭的主导机制是激发态荧光团与电化学生成的阴离子自由基之间的电子转移。该技术还被进一步拓展至与扫描电化学显微镜联用，实现了微米尺度下荧光与电化学信号的同时、原位操控与检测。
四嗪的 IDDA 反应不仅在生物偶联中至关重要，更是构建和调控荧光特性的强有力工具。一种策略是“荧光淬灭-恢复”：将 H-四嗪连接至传统荧光团（如 BODIPY、罗丹明）上，由于能量转移或光诱导电子转移，荧光团的发光被淬灭；在发生点击反应、四嗪被转化为无色的二氢哒嗪后，荧光得以恢复，从而实现生物分子的特异性免洗成像。另一种更具创造性的策略是“荧光团原位生成”：利用点击反应本身来构建新的发光体系，作者团队在此领域做出了开创性工作，首次通过 IDDA 反应，由非发光的 H-四嗪与吩噻嗪衍生物反应，原位生成具有热激活延迟荧光特性的绿色荧光哒嗪，实现了新型荧光团的按需创建。
四嗪极小的分子量和独特的物理化学性质催生了一系列超越传统荧光团应用范畴的成果。
1. 指纹显现技术（Lumicyano™） 作者团队与企业合作，开发了一种可与标准超级胶（氰基丙烯酸酯）共蒸发的特定四嗪分子，商品名为 Lumicyano™。该技术实现了在法医指纹鉴定中，一步法完成指纹的物理显现和荧光标记，无需后续染色步骤，不仅分辨率高，还有利于保护指纹中的脱氧核糖核酸信息，已成为一项成功的商业应用。
2. 低粘度荧光液体与摩擦学 基于四嗪核心弱相互作用的特性，通过引入 2-乙基己基链，团队成功制备了粘度极低（28-58 毫帕·秒，低于橄榄油）的本征荧光液体。此类液体被用于摩擦学研究中，作为润滑剂的同时，可利用其大斯托克斯位移和高透明性，通过三维荧光成像直接、定量地可视化两个固体表面间的界面间隙，精确测量接触区域的变形和流体动力学行为，其结果与理论预测完美吻合。
本综述全面展示了 1,2,4,5-四嗪从一个小众杂环化合物发展为功能材料领域明星分子的历程。其核心要点可归纳为：1. 光物理基础与分子工程：通过调控分子轨道实现了高效、超长寿命的荧光，并利用天线效应克服了吸收弱的缺点。2. 多功能电活性材料：作为可逆电致荧光变色材料和强氧化性光催化剂，其在显示器件、有机电子学和合成化学中展现出巨大潜力。3. 化学生物学工具：其独特的 IDDA 反应不仅是生物正交连接的理想选择，更成为按需创制和调控发光的合成利器。4. 跨领域独特应用：基于其纯有机小分子的特性，四嗪衍生出了在法医学和摩擦学等非传统领域的突破性应用。文章指出，光氧化还原催化和碳基复合材料将是四嗪化学未来最具前景的新兴领域，有望在工业难题（如光催化水分解）中发挥关键作用。