劉允-朱戎課題組合作實現力矢量控制的多通道反應性

　　在複雜分子中對特定的反應位點進行選擇性的化學轉化是合成化學的基礎核心問題。力化學方法，是近年來興起的一種化學反應控制新方法。機械力可以通過高分子鍊選擇性地傳遞并作用在目标反應基團（力敏團）的某個化學鍵上實現鍵活化，從而展現出新穎的化學反應性。作為矢量，化學家們可以通過力的大小與方向，調控力化學反應。将力敏團的不同立體異構體或者區域異構體作為單體接入高分子主鍊，當高分子被流場拉伸時，力敏團所感受的張力的方向就會發生變化。在過往大量的研究中，改變力矢量的方向已經被證明可以有效調控力化學反應的效率；力矢量與目标化學鍵重疊越有效，打開相應化學鍵的活化能就降低得越多（圖1A）。然而對于目前已知的力敏團，隻要力敏團的核心骨架沒有改變，被激活的化學鍵就難以通過外力施加的方向的改變而改變。因此，能否發展出一個全新的力敏團結構，當外力矢量與力敏團的相對位置和方向發生改變時，産生不同的化學反應結果，即實現矢量控制的多通道反應性（圖1B）？

　　圖1 力化學反應性與選擇性

　　近日，beat365劉允課題組與朱戎課題組合作，發掘了朱戎課題組發展的雙環[2.2.0]己烯（BCH）結構（Nat. Commun. 2021, 12, 3680），展示了其力矢量控制的多通道反應性。他們利用BCH的低對稱性和四元環并環結構，在改變外力的施加方向與位置時，高化學鍵選擇性地激活了BCH骨架上不同的C–C鍵，實現了單一力敏團三種不同的反應性：逆4π開環反應、逆[2+2]環加成反應和σ[1,3]-重排反應（圖2A）。

　　圖2 具有多通道反應性的BCH力敏團，及其相應的取代位點不同的聚合單體

　　他們通過計算化學的方法，發現并篩選了出三種具有力化學活性的BCH區域異構體。利用張力環狀烯烴的[4+2]環加成反應或三線态能量轉移[2+2]反應，作者構建出了不同取代的BCH骨架，并制備了相應的開環易位聚合單體（圖2B）。通過與環辛烯共聚，取代位點不同的BCH被引入到高分子主鍊當中。實驗中，超聲的空化作用在溶液中産生剪切流場，被拉伸的高分子受到外力的作用而發生力化學反應。通過一系列二維核磁、紫外光譜，以及模型化合物的對照，作者确定了拉伸C5–C6使BCH發生了逆[2+2]環加成反應；拉伸C1–C6發生了σ[1,3]-重排反應；拉伸C1–C4發生了反霍夫曼-伍德沃德的逆4π開環反應（圖3）。拉伸C1–C6時，還附帶發生了[1,5]-氫遷移反應；這與底物結構有關。該産物的直接鑒定十分困難，作者利用元動力學（metadynamics）輔助的反應發現方法，最終确定了拉伸C1–C6時BCH經雙自由基中間體激活的分步反應過程，及其後續自由基耦合反應和氫轉移産物。

　　圖3 主鍊含BCH聚合物的制備，及其在超聲作用下得到的力化學反應産物

　　作者發現，BCH的多樣化反應性隻能由機械力的改變而實現，當不同的區域異構體經過加熱，電解，或者光照時，不能産生多通道激活。密度泛函計算結果也表明取代的位置改變本身并沒有顯著改變BCH骨架的反應性。當BCH力敏團受力時，力修飾勢能面的計算表明，隻有與機械力拉伸方向最吻合的C–C鍵被高度選擇性地激活。但骨架中不同C–C鍵的鍵解離能不同，比如其中的C1–C4鍵為BCH最不穩定的化學鍵，在BCH受力時會與其他C–C鍵存在競争。通過對比受力不同時不同化學鍵的鍵解離勢壘，作者發現BCH中化學鍵-機械力的耦合非常高效，在受力約1.0 nN或以上時，被拉伸的其他C–C鍵的鍵解離能就已經低于C1–C4鍵。而1.0 nN下的鍵解離勢壘還太高，因此當外力增加到化學反應在室溫下自發進行時，BCH表現出高度的化學鍵專一性。

　　一般而言，改變力敏團受力方向不會改變反應性最高的化學鍵，相對的隻有反應效率或産物分布受到影響。作者發掘的BCH骨架，揭示了力矢量方向可以産生多樣化的化學反應性這一新範式，為未來力敏團的設計帶來了全新的思路。可以想象，力作為外加刺激源，能重新定義潛在的，未知的化學反應位點，通過與其他物理作用相結合，可以開拓更加廣闊的化學反應空間。

　　該成果以“Bicyclo[2.2.0]hexene: A multicyclic mechanophore with reactivity diversified by external forces”為題發表在Journal of the American Chemical Society。論文的通訊作者是beat365官方网站劉允研究員，朱戎研究員和杜塞爾多夫大學物理化學研究所Jan Meisner教授，第一作者是beat365化學院博士研究生丁詩浩和王文楷，以及杜塞爾多夫大學Anne Germann。該研究得到了北京分子科學國家研究中心以及beat365化學院的支持。

　　論文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c13589