郭雪峰課題組、莫凡洋課題組和合作者發(fā)展了單分子反應動力學同位素效應的精準研究方法
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全面了解化學反應的內在機制對于優(yōu)化合成路線，節(jié)約工業(yè)生產成本具有極其重要的作用。尤其是對決速步的深入理解，有助于我們提高反應產率和效率。動力學同位素效應 (KIE) 是宏觀實驗中確定反應決速步以及判斷反應過程中過渡態(tài)成斷鍵程度的一個重要工具。然而，由于受到天然同位素豐度低和反應程度的限制，導致KIE的測量靈敏度低、準確度差，因而要精準地測量反應KIE值（同位素參與的化學鍵不發(fā)生斷裂的二級KIE尤其難測量）一直是一個難題。近日，北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組、材料科學與工程學院莫凡洋課題組和合作者開發(fā)了一種基于單分子檢測技術與KIE相結合的新方法——單分子反應動力學同位素效應（sm-KIE），以Claisen重排反應為例檢測二級KIE效應。其巧妙避開了宏觀KIE在同位素豐度以及反應程度方面的受限，能夠準確、方便地獲得復雜反應中每步基元反應的KIE值，有望實現KIE的研究技術的進一步發(fā)展，對分析過渡態(tài)的結構具有重要意義（圖1）。
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圖1 單分子反應同位素效應研究Claisen重排反應示意圖
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北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組長期致力于單分子反應動力學機理的研究，與合作者一起揭示被系綜平均掩蓋的新機理和新現象，展示了基于單分子器件的平臺在單分子反應動力學和單分子生物物理等基礎研究方面的廣闊應用前景。最近，他們以Claisen重排作為模型反應，監(jiān)測對底物sp2碳、sp3碳分別氘代后的電流-時間（I?t）曲線，結合高/低通濾波拆分信號的技術來準確測量重排過程和質子轉移過程的速率（圖2），從而分別得到它們的二級KIE值。這些KIE相對宏觀系綜實驗更為明顯，并且也表明了Claisen重排的協(xié)同非同步機制。
圖2 不同氘代底物的單分子同Claisen重排速率的分別統(tǒng)計
他們不僅確定了反應的決速步，同時還定量分析并計算了過渡態(tài)的C?H鍵雜化類型的改變程度，進而得出了過渡態(tài)C?C鍵的形成程度和C?O鍵的斷裂程度。更大的C?O鍵斷裂程度表明了該周環(huán)反應的不同步性。進一步地，他們通過繪制More O' Ferrall?Jencks圖來定位過渡態(tài)（圖3），可以確定該反應經歷了早期的過渡態(tài)。有趣的是，他們發(fā)現過渡態(tài)的C?C鍵的形成程度和C?O鍵的斷裂程度隨著電場的增強而逐漸增加，在More O' Ferrall?Jencks圖上體現為過渡態(tài)沿著反應進程的方向移動（平行于對角線）。這表明：早期的過渡態(tài)可以通過電場調控，逐漸向后移動，使得過渡態(tài)的結構與產物的相似程度逐漸增大。他們之前已報道過電場對Diels-Alder反應路徑的調控（Sci. Adv. 2021, 7, eabf0689），即：過渡態(tài)正交于反應進程的方向移動。根據實驗結果，他們還發(fā)現了電場對反應調控的多樣性：路徑（反應進程的正交方向）與過渡態(tài)位置（反應進程的水平方向），這也為未來化學反應和生物過程的精準調控提供了無限的機會。
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圖3 不同偏壓下Claisen重排的More O' Ferrall?Jencks圖
這種sm-KIE方法具有單分子檢測靈敏度和準確度等優(yōu)點，可以應用于各種單分子動力學研究，這對于基礎化學反應的發(fā)展和對基礎生命科學的理解至關重要。該工作于1月17日以“Accurate single-molecule kinetic isotope effects”為題在線發(fā)表在Journal of the American Chemical Society雜志上（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, DOI: 10.1021/jacs.1c12490）。該工作的第一作者是北京大學化學與分子工程學院博士生郭逸霖、楊晨、北京大學材料科學與工程學院博士生張雷和中國科學技術大學博士生李慧平。北京大學化學與分子工程學院郭雪峰教授、中科院化學所張德清研究員、北京大學材料科學與工程學院莫凡洋教授、中國科學技術大學朱文光教授和蘭州大學劉子桐教授為共同通訊作者。研究得到了國家自然科學基金委、科技部和北京分子科學國家研究中心的聯(lián)合資助。
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原文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c12490
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