在諸如藥物設(shè)計(jì)或材料開發(fā)等化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常需要判斷哪類“親電子”官能團(tuán)更易參與反應(yīng)。本研究受到“旋轉(zhuǎn)陀螺”的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出一種可旋轉(zhuǎn)的“分子探針”。它類似一個(gè)微型風(fēng)車：中心固定，外圍的苯環(huán)可以自由轉(zhuǎn)動。當(dāng)苯環(huán)旋轉(zhuǎn)至特定位置（過渡態(tài)）時(shí)，所安裝的親電子基團(tuán)會靠近分子內(nèi)部的羰基氧原子（親電子探針）。 我們發(fā)現(xiàn)，親電子性越強(qiáng)的基團(tuán)，其與親電子探針之間形成的非共價(jià)作用力越強(qiáng)，從而降低旋轉(zhuǎn)能壘并加快旋轉(zhuǎn)速率。相反，較溫和的親電子基團(tuán)與羰基氧原子之間作用較弱，旋轉(zhuǎn)能壘升高，旋轉(zhuǎn)速率減慢。圖 1a 展示了不同親電子基團(tuán)對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)能壘。 于是我們用旋轉(zhuǎn)所需能量的變化來表示親電子性，稱為 ERB 值。結(jié)果顯示，這個(gè)方法不僅能準(zhǔn)確區(qū)分多種類型的親電子基團(tuán)，還適用于一些常見的有機(jī)反應(yīng)，比如 Michael 加成、SN2 和 SNAr 反應(yīng)，以及鈀催化偶聯(lián)等。 “分子轉(zhuǎn)子”之所以能適用于這些有機(jī)反應(yīng)的反應(yīng)性，是因?yàn)槠湫D(zhuǎn)過程中所經(jīng)歷的過渡態(tài)在結(jié)構(gòu)上模擬了這些反應(yīng)的真實(shí)過渡態(tài)。以邁克爾加成為例，分子轉(zhuǎn)子羰基氧在旋轉(zhuǎn)過渡態(tài)中靠近并與親電子基團(tuán)形成非共價(jià)相互作用，模擬了親核試劑進(jìn)攻親電子中心時(shí)的關(guān)鍵相互作用（圖1b）。這種相互作用的強(qiáng)弱決定了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)勢壘，從而間接反映了親電子基團(tuán)在實(shí)際反應(yīng)中的反應(yīng)性。 更重要的是，ERB 的適用范圍極廣，從溫和到極強(qiáng)的親電子基團(tuán)均可預(yù)測，且無需更換親電子探針，方法簡潔高效。同時(shí)，理論計(jì)算也能很好地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使得我們可以輕松地計(jì)算出“分子轉(zhuǎn)子”的旋轉(zhuǎn)能壘，有助于預(yù)測某些在合成或測量上具有挑戰(zhàn)性的親電子基團(tuán)。 通過“分子轉(zhuǎn)子”，我們把過去難以量化的微觀相互作用變成了一個(gè)可以測量和比較的標(biāo)尺，為篩選底物、開發(fā)新反應(yīng)和教學(xué)演示提供了一種全新的工具。下一步，我們希望將這一策略推廣至雜原子親電子中心及更復(fù)雜的生物活性分子體系中，助力更多科研人員拓展其研究應(yīng)用。
圖1 分子陀螺旋轉(zhuǎn)勢壘示意圖。
論文信息 Molecular Rotors as Reactivity Probes: Predicting Electrophilicity from the Speed of Rotation Dr. Hao Liu, Xiaolong Huang, Dr. Binzhou Lin, Harrison M. Scott, Dr. Ishwor Karki, Dr. Erik C. Vik, Dr. Perry J. Pellechia, Prof. Ken D. Shimizu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202510556
