揭示化學反應選擇性的來源一直以來是反應機理研究中的一個挑戰性課題。透徹地理解化學反應的反應機理和選擇性，對優化反應條件以及設計新的化學反應具有重要的指導意義。在傳統的過渡态理論中，過渡态連接着一個（或一組）底物和一個（或一組）産物，過渡态與底物的能量差影響着反應的速率。對于具有兩條競争的不可逆途徑的化學反應，反應的選擇性主要由兩過渡态的能量差決定，故稱該反應受動力學控制（kinetic control, 圖1A）。近年來，科學家發現化學反應勢能面上的過渡态可以同時與多個（或多組）産物相連，這一類型的勢能面被定義為分叉勢能面（bifurcating potential energy surface，圖1B）。在過渡态TS1之後的VRI點（valley−ridge inflection point）附近，原本單一的反應路徑會發生分化，分别得到産物P1和P2（兩者又可通過另一個過渡态TS2進行連接）。由于分叉勢能面上的産物經由同一過渡态得到，反應的選擇性一般無法通過過渡态理論進行理解和預測，而被認為受勢能面的形狀與相應的動态學因素所控制（dynamic control, 圖1B）。

圖1. 動力學控制和動态學控制示意圖

    當過渡态同時與多個反應中間體（而不是産物）相連時，分叉勢能面上的選擇性受哪些因素控制這一問題一直以來并沒有得到科學家的充分認識。最近，beat365餘志祥課題組與南京大學王少仲課題組合作，對這一問題進行了系統深入的讨論。該工作發表在J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 13290（http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b05971）上。該研究指出，當過渡态同時與多個反應中間體相連時，理論上共分為三種情形：

圖2. 過渡态同時與兩個反應中間體相連時的三種分叉勢能面

    （I）反應中間體之間不能互相轉化（圖2A）。此時，P1與P2的比例（即反應的選擇性）和IN1與IN2的比例相等，而後者由動态學因素決定，故反應受動态學控制。

    （II）反應中間體能夠不可逆地轉化為另一中間體（圖2B）。反應路徑分化後，得到反應中間體IN1和IN2。其中，由于連接兩中間體的過渡态TS2比後續轉化的過渡态TS3能量高，IN1不能轉化為IN2，而是得到産物P1；與之相反，IN2能夠轉化為IN1，這是因為TS2比後續轉化的過渡态TS4能量低，故IN2會首先發生轉化得到IN1，進而得到産物P1。考慮到此時反應的選擇性僅與過渡态TS2、TS3和TS4的相對能量有關，反應受動力學控制。

    （III）反應中間體之間能夠互相轉化（圖2C）。由于兩中間體的後續反應均比兩中間體之間的互相轉化慢，反應中間體IN1和IN2可被認為形成了化學平衡。此時，反應的選擇性由TS3和TS4的能量差決定，故反應受動力學控制。

    與受動态學控制的I型分叉勢能面不同，II、III型分叉勢能面上的反應選擇性可以運用傳統的過渡态理論進行解釋和預測，這是該研究的重要結論之一。

    南京大學王少仲課題組發現，在金正離子催化下，2-炔丙基-β-四氫咔啉可以發生擴環反應，生成在天然生物堿中廣泛存在的azocinoindole骨架結構（圖3，藍色途徑）。當使用具有端炔結構的2-炔丙基-β-四氫咔啉（R1 = H）作為底物時，可以得到去芳香化的螺環吲哚産物（圖3，紅色途徑）。這些反應方法在合成上有着良好的應用前景。beat365餘志祥課題組通過量子化學計算，提出了該反應的機理，并揭示了影響化學選擇性的動力學和動态學因素。該研究指出，該反應起始于吲哚對經金催化劑活化的炔烴的分子内親核進攻。三維勢能面掃描顯示該過程具有分叉勢能面的性質，同時得到α位進攻（圖3，藍色箭頭）和β位進攻（圖3，紅色箭頭）中間體，經後續轉化後分别給出擴環和螺環産物。受到取代基效應和酸性添加劑的調控，圖2所展示的三種分叉勢能面在這一反應體系均有所體現。值得指出的是，該工作的結論不僅适用于所涉及的金催化的反應體系，而是一個普遍的規律，豐富了過渡态理論的适用範圍，并為理解其他反應的選擇性起着重要的指導作用。該工作由南京大學張磊博士（實驗部分）與beat365研究生王熠（量化計算部分）共同完成。最近，該工作被X-MOL化學平台以行業資訊的形式進行了報道（http://www.x-mol.com/news/1625）。

圖3. 金催化的2-炔丙基-β-四氫咔啉的擴環和螺環化反應