“分步”和“協同”是我們對于多步驟化學反應的分類，然而這兩者在動力學上并沒有絕對的分界。超出時間分辨率的多步反應通常會被簡化為“協同”過程，而對于中間體的檢出則成為判定“分步”過程的依據。對于經典的Diels-Alder加成反應，在教科書裡其一步周環的協同反應過程已經廣為人知。而該機理并非絕對，傳統的方法難以檢測到快速痕量的反應軌迹。而且，對分步與協同路徑的有效調控存在巨大挑戰。最近，beat365官方网站郭雪峰課題組、中科院化學研究所張德清課題組以及加利福尼亞大學洛杉矶分校Kendall N. Houk課題組合作發展了一種基于單分子器件平台的單分子電學檢測及調控新方法和新技術，獲得了證明單分子器件的明确實驗證據，實現了在單分子水平上對于分步Diels-Alder反應動力學的研究與調控（圖1）。
圖1. 單分子器件的結構示意圖
beat365官方网站郭雪峰課題組長期緻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。他們利用單分子器件觀察到了單分子的立體電子效應（Nano Lett. 2017, 17, 856），光緻異構化反應（Science 2016, 352, 1443；Nat. Commun. 2019, 10, 1450），親核取代反應（Nano Lett. 2018, 18, 4156），親核加成反應（Sci. Adv. 2018, 4, eaar2177）以及超分子弱相互作用（Sci. Adv. 2016, 2, e1601113；Nat. Commun. 2018, 9, 807；Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22554），驗證了該平台的可靠性。他們也在綜述（Chem 2017, 3, 373；Nat. Rev. Phys. 2019, 1, 211；Acc. Chem. Res. 2020, 53, 159；Matter 2020, 2, 284）中展示了基于單分子器件的平台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，他們進一步和合作者設計合成了以馬來酰亞胺為功能中心的共轭分子，并在末端修飾上氨基，通過酰胺鍵将其連接在帶有羰基官能團的石墨烯點電極之間，構建了穩定的單分子器件。通過自主研發的超高時空分辨率光電一體化檢測系統，以電學與光學雙模式的方法對單分子器件進行聯合表征，首次提供了單分子器件成功構建的直接實驗證據（圖2）。由于電學監測有較高的時間分辨率，能夠揭示電導與分子結構之間密切的構效關系，因此在化學反應進行的過程中通過實時、快速檢測分子的電導變化可以實現分子在化學反應中結構變化以及所經過的反應路徑的可視化。他們首先證明了公認的協同反應機制，并捕獲到了在生成endo或exo構型的産物前會經過相應的關鍵中間體——電荷轉移複合鹽；然後通過單分子電學檢測平台對精确時間軌迹和詳細反應路徑的記錄，他們揭示了第二種分步（經過兩性離子中間體）的加成反應新機制；最後通過偏壓和溫度，他們實現了對協同和分步Diels-Alder加成反應路徑的調控（圖3）。他們對這些結果進行仔細論證，結合實驗和理論揭示了一種電場催化的Diels-Alder加成反應新機理：可施加較強的電場（~109 V/m），這使得分步反應中的關鍵中間體——僅加成一根鍵的兩性離子中間體——的勢能下降，大大增強了其穩定性（圖3）。這種電場催化效應使得他們發現了系綜實驗上從未觀測到的分步反應路徑，突破了書本上人們的傳統認知。他們也對這幾種過程的熱力學與動力學進行了細緻的分析，從而建立了一種通過電場對中間體壽命以及化學反應路徑調控的新方法。
圖2. D-A反應機理與光電聯用表征結果
圖3. 協同和分步反應信号以及電場催化的效應
免标記的超高時空分辨率的單分子電學檢測平台可用于對複雜環境中的化學反應進行直接精準測量，同時也可通過光電磁等外場對反應的機理進行調控，這些為揭示物質轉化的本征規律和生命現象的内在原理提供了一種獨特的新平台。該工作于1月20日以“Electric field–catalyzed single-molecule Diels-Alder reaction dynamics”為題在線發表在Science Advances雜志上（Sci. Adv. 2021, 7, eabf0689）。
該論文的共同第一作者分别是郭雪峰課題組的楊晨、張德清課題組的劉子桐和Kendall N. Houk課題組的李延偉。郭雪峰教授、張德清研究員和Kendall N. Houk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合資助。
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