今天給大家分享一篇近期發(fā)表在JACS上的研究進(jìn)展，題為：Isotope Effect in the Activation of a Mechanophore。該工作的通訊作者是來自英國曼徹斯特大學(xué)的Guillaume De Bo。
對有機(jī)反應(yīng)體系施加力的影響，可以改變反應(yīng)的勢能面，從而產(chǎn)生常規(guī)反應(yīng)條件下無法實現(xiàn)的反應(yīng)結(jié)果和選擇性。研究表明，多種因素可以影響力化學(xué)反應(yīng)，比如：和mechanophore相連的聚合物的結(jié)構(gòu)、所選linker的結(jié)構(gòu)、取代基效應(yīng)等等。一般情況下，這些因素僅影響反應(yīng)的活化速率（rate of activation）；少數(shù)情況下，反應(yīng)結(jié)果會發(fā)生改變，而這一般是力修正勢能面過渡態(tài)后分叉（post-transition-state bifurcation on the force-modified potential energy surface）的結(jié)果。
在本工作之前，作者研究了1H的力致斷裂，發(fā)現(xiàn)存在三種共存的反應(yīng)路徑，分別為異裂、協(xié)同和均裂（圖1，Nat. Chem. 2020, 12, 826?831）。芳環(huán)上氟原子的個數(shù)通過影響斷裂鍵的極化程度，進(jìn)而影響反應(yīng)選擇性：四氟取代的底物傾向于異裂，而芳環(huán)只有一個氟原子取代的底物傾向于協(xié)同機(jī)理。作者提出用力修正勢能面過渡態(tài)后分叉的模型解釋多種反應(yīng)路徑的并存（圖2）。
圖1. 1H的三種力致斷裂途徑
圖2. 力修正勢能面過渡態(tài)后分叉機(jī)理
本工作中，作者進(jìn)一步探究了H的同位素效應(yīng)對反應(yīng)結(jié)果的影響（圖3），并通過19F NMR表征手段得到了不同產(chǎn)物的比例（圖4）。
圖3. 探究H同位素效應(yīng)的影響
圖4. 不同底物的反應(yīng)結(jié)果
（注：nF表示芳環(huán)上F原子個數(shù)）
從上述結(jié)果中，作者得到兩個規(guī)律：一個是，對于非氘代體系，芳環(huán)上氟原子越多，異裂機(jī)理越有利；另一個是，對于氘代體系，異裂機(jī)理總是更有利的，這一點對于氟原子單取代體系最為明顯（圖4- 1xc，圖5）。
圖5. 氘代改變氟原子單取代體系的選擇性
為了進(jìn)一步探究上述選擇性的來源，作者使用密度泛函理論對反應(yīng)的力修正勢能面進(jìn)行了計算（DFT B3LYP/6-31G*, solvent model: SM8=THF）。計算結(jié)果表明，該體系分叉勢能面的谷-脊拐點（valley-ridge inflection ，VRI）呈現(xiàn)三原子共直線的幾何構(gòu)型，從而完善了圖2中的機(jī)理（圖6）。
圖6. VRI幾何構(gòu)型的確定
圖7. 氟原子單取代體系的反應(yīng)勢能面
結(jié)合勢能面的計算（圖7），以及對反應(yīng)過程中C-H鍵和C-D鍵振動頻率和振動幅度的分析，作者對本工作中的動態(tài)同位素效應(yīng)（dynamic isotope effect）進(jìn)行了解釋：在VRI處，雖然協(xié)同路徑的能量下降梯度更大，但需要更大的原子位移。由于C-D鍵的伸縮振動幅度和振動頻率均低于C-H鍵，這使得H原子換為D后，需要更大H原子位移的協(xié)同路徑更加不利；而相對來說，異裂路徑對這一變化不敏感，最后使得選擇性傾向于異裂路徑。
綜上，本工作中作者展示了一個動態(tài)同位素效應(yīng)影響力化學(xué)選擇性的例子，豐富了我們對力化學(xué)的理解，并有助于指導(dǎo)新體系的設(shè)計。
