全面了解化學反應的内在機制對于優化合成路線，節約工業生産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産率和效率。動力學同位素效應 (KIE) 是宏觀實驗中确定反應決速步以及判斷反應過程中過渡态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程度的限制，導緻KIE的測量靈敏度低、準确度差，因而要精準地測量反應KIE值（同位素參與的化學鍵不發生斷裂的二級KIE尤其難測量）一直是一個難題。近日，beat365官方网站郭雪峰課題組、材料科學與工程學院莫凡洋課題組和合作者開發了一種基于單分子檢測技術與KIE相結合的新方法——單分子反應動力學同位素效應（sm-KIE），以Claisen重排反應為例檢測二級KIE效應。其巧妙避開了宏觀KIE在同位素豐度以及反應程度方面的受限，能夠準确、方便地獲得複雜反應中每步基元反應的KIE值，有望實現KIE的研究技術的進一步發展，對分析過渡态的結構具有重要意義（圖1）。

圖1 單分子反應同位素效應研究Claisen重排反應示意圖

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，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，他們以Claisen重排作為模型反應，監測對底物sp2碳、sp3碳分别氘代後的電流-時間（It）曲線，結合高/低通濾波拆分信号的技術來準确測量重排過程和質子轉移過程的速率（圖2），從而分别得到它們的二級KIE值。這些KIE相對宏觀系綜實驗更為明顯，并且也表明了Claisen重排的協同非同步機制。

圖2 不同氘代底物的單分子同Claisen重排速率的分别統計

他們不僅确定了反應的決速步，同時還定量分析并計算了過渡态的CH鍵雜化類型的改變程度，進而得出了過渡态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反應的不同步性。進一步地，他們通過繪制More O' FerrallJencks圖來定位過渡态（圖3），可以确定該反應經曆了早期的過渡态。有趣的是，他們發現過渡态的CC鍵的形成程度和CO鍵的斷裂程度随着電場的增強而逐漸增加，在More O' FerrallJencks圖上體現為過渡态沿着反應進程的方向移動（平行于對角線）。這表明：早期的過渡态可以通過電場調控，逐漸向後移動，使得過渡态的結構與産物的相似程度逐漸增大。他們之前已報道過電場對Diels-Alder反應路徑的調控（Sci. Adv. 2021, 7, eabf0689），即：過渡态正交于反應進程的方向移動。根據實驗結果，他們還發現了電場對反應調控的多樣性：路徑（反應進程的正交方向）與過渡态位置（反應進程的水平方向），這也為未來化學反應和生物過程的精準調控提供了無限的機會。

圖3 不同偏壓下Claisen重排的More O' FerrallJencks圖

這種sm-KIE方法具有單分子檢測靈敏度和準确度等優點，可以應用于各種單分子動力學研究，這對于基礎化學反應的發展和對基礎生命科學的理解至關重要。該工作于1月17日以“Accurate single-molecule kinetic isotope effects”為題在線發表在Journal of the American Chemical Society雜志上（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, DOI: 10.1021/jacs.1c12490）。該工作的第一作者是beat365beat365博士生郭逸霖、楊晨、beat365材料科學與工程學院博士生張雷和中國科學技術大學博士生李慧平。beat365beat365郭雪峰教授、中科院化學所張德清研究員、beat365材料科學與工程學院莫凡洋教授、中國科學技術大學朱文光教授和蘭州大學劉子桐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。

原文鍊接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c12490