通訊單位：北京大學(xué)、中科院化學(xué)所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、蘭州大學(xué)、南開大學(xué) 論文DOI：10.1021/jacs.1c12490 該工作發(fā)展了一種將單分子檢測技術(shù)與動力學(xué)同位素效應(yīng)（KIE）相結(jié)合的新方法——單分子反應(yīng)動力學(xué)同位素效應(yīng)（sm-KIE），以Claisen重排反應(yīng)為例檢測其二級KIE效應(yīng)，并以此分析了過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)。全面了解化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在機制對于優(yōu)化合成路線，節(jié)約工業(yè)生產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)率和效率。動力學(xué)同位素效應(yīng) (KIE) 是宏觀實驗中確定反應(yīng)決速步以及判斷反應(yīng)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(yīng)程度的限制，導(dǎo)致KIE的測量靈敏度低、準(zhǔn)確度差，因而要精準(zhǔn)地測量反應(yīng)KIE值（同位素參與的化學(xué)鍵不發(fā)生斷裂的二級KIE尤其難測量）一直是一個難題。（1） 克服了傳統(tǒng)的宏觀系綜KIE方法的局限性，發(fā)展了sm-KIE新方法來分析Claisen重排反應(yīng)中的決速步和過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)。（2） 利用高低通濾波技術(shù)來拆分電流信號，將復(fù)雜反應(yīng)分成基元步驟以實現(xiàn)對不同反應(yīng)過程的逐個分析。（3） 通過外電場（EEF）能夠精確控制Claisen重排的開啟與停止，并且可以簡易地調(diào)節(jié)過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)。▲圖1. 單分子器件示意圖及光電聯(lián)用表征信號
（1） 本工作將具有苯酚功能中心，氨基末端的分子橋連接于具有羧基末端的石墨烯點電極之間，通過電流-電壓響應(yīng)信號可以確定分子的成功連接，為后續(xù)實驗的開展打下了基礎(chǔ)（圖1A）。（2） 將成功制備的苯酚單分子器件置于NaOH溶液中，出現(xiàn)兩個雙穩(wěn)態(tài)的電流跳變，結(jié)合堿的濃度梯度實驗以及計算的透射譜，可以將高態(tài)歸屬為酚氧負(fù)離子，低態(tài)歸屬為苯酚（圖1B）。（3） 本工作利用超高時空分辨的光電集成一體化監(jiān)測系統(tǒng)，采集到了分子橋上酚氧負(fù)離子和溶液中熒光基團(tuán)取代的烯丙基化合物的相互作用引起的光學(xué)信號和電流信號的同步變化，清晰直觀地表征了單分子的成功連接（圖1C-1D）。▲圖2. 單分子Claisen重排反應(yīng)的表征
（1） 本工作在制備出Claisen重排的底物——烯丙基苯基醚之后，在373 K下記錄了酸催化下的Claisen重排反應(yīng)的電流-時間信號（I-t曲線）（圖2A），并且通過高低通濾波技術(shù)來拆分電學(xué)信號（圖2B），成功地將相對復(fù)雜的Claisen重排反應(yīng)分為3,3-σ重排和質(zhì)子轉(zhuǎn)移兩個過程,使得后續(xù)可以對這兩個基元過程進(jìn)行獨立分析。（2） 結(jié)合反應(yīng)時序以及計算模擬的勢能面和透射譜（圖2C-2D），我們將三個電導(dǎo)態(tài)從高到低分別歸屬為中間體苯酚，底物烯丙基苯基醚，產(chǎn)物鄰位烯丙基苯酚（它們相應(yīng)的質(zhì)子絡(luò)合態(tài)也具有相同的電導(dǎo)順序）。（3） 本工作通過測試了單分子Claisen重排的溫度梯度實驗，可以獲得三個反應(yīng)物種在不同溫度下的占比和停留時間，由此可以根據(jù)Vant’Hoff方程和Arrhenius方程分別得到反應(yīng)的熱力學(xué)（△H）和動力學(xué)(Ea)信息(圖2E-2F)。▲圖3. 單分子動力學(xué)同位素效應(yīng)
（1） 本工作通過對三種不同底物（非氘代底物、與sp2碳連接的氫被氘代的底物、與sp3碳連接的氫被氘代的底物）進(jìn)行長時間的電流-時間（I-t）監(jiān)測，分別得到相應(yīng)的正逆反應(yīng)過程的速率（圖3A-3C）。通過比較三種底物的速率可以發(fā)現(xiàn)：對于質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，三種底物的速率相差不大；而對于3,3-σ重排過程，不同氘代情況的底物的反應(yīng)速率具有明顯的差異（圖3D）。（2） 通過統(tǒng)計多個器件不同底物的3,3-σ重排速率，本工作可以得到Claisen重排反應(yīng)的二級KIE。在373 K以及300 mV的偏壓下，KIEsp2?D = 0.798 ± 0.004, KIEsp3?D = 1.290 ± 0.060。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4. 外電場對Claisen重排反應(yīng)過渡態(tài)的調(diào)控
（1） 本工作通過偏壓依賴實驗（圖4A-4B）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(jìn)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(yīng)的不同步性。（2） 進(jìn)一步地，本工作通過繪制More O' Ferrall-Jencks圖來定位過渡態(tài)，確定該反應(yīng)經(jīng)歷了早期的過渡態(tài)。有趣的是，本工作發(fā)現(xiàn)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（圖4D-4E），在More O' Ferrall-Jencks圖上體現(xiàn)為過渡態(tài)沿著反應(yīng)進(jìn)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(diào)控，逐漸向后移動，使得過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)與產(chǎn)物的相似程度逐漸增大。這種sm-KIE方法具有單分子/單事件檢測靈敏度和準(zhǔn)確度等優(yōu)點，實現(xiàn)了KIE的研究技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以應(yīng)用于各種單分子反應(yīng)動力學(xué)和單分子生物物理研究，對分析過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)、揭示化學(xué)反應(yīng)的機制和生命現(xiàn)象的規(guī)律具有重要意義。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c12490
