Science子刊发表郭雪峰课题组在单分子反应动力学研究中的重要进展

yinjian

化学反应动力学在基础研究和实际应用中都占有十分重要的地位，通过化学反应动力学的研究不仅可以揭示化学反应的内在机理，而且能够对于化学反应进行有效调控，对于合成和化工生产具有实际意义。然而长久以来，由于化学反应速度快、机理复杂，许多化学反应过程仍然尚不明确，亟待研究。最近，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组、中国科学院化学研究所张德清课题组以及加利福尼亚大学洛杉矶分校Kendall N. Houk课题组合作发展了一种基于单分子器件平台的单分子电学检测新方法和新技术，实现了在单分子水平上对于化学反应动力学的研究。

器件结构示意图。图中高亮部分示意羰基和羟胺间可逆的亲核加成过程的快速转化。

在过去一年多里，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组与合作者利用碳基单分子器件观察到了联苯基团的精细立体电子效应，揭示了由于苯环间σ单键的旋转产生的不同构象对分子导电性的影响规律（Science, 2016, 352, 1443；Nano Lett., 2017, 17, 856；J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 2849）；利用硅基单分子器件研究了分子马达水解的动力学过程，发现了无标记的电学检测方法观察到的分子马达的转动速度要比荧光标记的方法快一个数量级（ACS Nano, 2018, 11, 12789）。应Cell 姊妹刊Chem 的邀请撰写了单分子器件领域的评论性文章，展示了基于单分子器件的平台在单分子反应动力学和单分子生物物理等基础研究方面的广阔应用前景（Chem, 2017, 3, 373）。

最近，他们又和合作者设计合成了以苯环为骨架、芴基为核心的共轭分子，并在末端修饰上氨基，通过稳定的酰胺键将带有羰基官能团的功能分子连接在石墨烯电极之间，通过使用自主搭建的高速电学测试平台对化学反应进行了实时监测。大的共轭结构以及酰胺共价键的强耦合保证了分子具有良好的导电性；在化学反应进行的过程中，分子结构的变化将导致分子轨道发生改变，从而影响导电通道，影响器件的电导特性。因此，通过实时、快速检测器件的电导变化就可以获得分子在化学反应中结构变化的过程以及速率，从而实现对于化学反应在单分子水平上的直接观察。通过统计电导状态的分布、引入隐马尔科夫模型对变化过程在时间尺度上的拟合，就可以获得在反应过程中涉及的中间体的种类和数目以及反应速率等动力学参数。他们以羰基和羟胺的反应为例，研究了酮肟的形成过程。在监测过程中出现了两种不同电导状态并且快速转化，且随着溶剂比例的不同呈现出不同的变化趋势，如下图所示。这是由于在反应过程中，反应物与中间体之间的转化具有较低的势垒，二者可以相互快速转化；而中间体到产物的过程需要跨过很高的势垒，因此形成产物的过程则相对困难。随着溶剂中水/乙醇比例的变化，溶剂的介电常数发生改变，从而影响了反应物和中间体在溶剂中的稳定性，因此二者的寿命将随之发生改变。通过这种方法他们成功地检测到了反应过程中形成的中间体及其寿命，通过隐马尔科夫模型运用数理统计的方法得到了反应物与中间体之间转化过程的速率常数，并揭示了溶剂效应对于化学反应的影响。

这种高灵敏、易操作的方法为研究化学反应、捕捉反应产生的中间体/过渡态以及相关动力学研究提供了一种全新的思路，通过在单分子水平上对化学反应进行含时跟踪，不仅可以避免系综平均的影响，还可以捕捉到化学反应中的大量细节变化，是一种在单分子水平上对化学反应动力学研究的强有力手段，为实现单分子化学反应的可视化研究迈出了重要的一步。该工作于2月9日在线发表在Science Advances 杂志上。

美国化学会旗下Chemical and Engineering News（C&EN）对这一工作以“Graphene device reveals step-by-step dynamics of single-molecule reaction”为题进行了亮点报道。该文中，斯克里普斯研究所的David Millar教授评价道：“这项研究将分子电子学、量子化学和单分子化学物理学优雅地结合到了一起。化学反应动力学得以直接在单一事件级别展现，还可提供‘教科书’般的清晰度。”[1]

该论文的共同第一作者分别是郭雪峰课题组的关键鑫和贾传成、张德清课题组的刘子桐和Kendall N. Houk课题组的李延伟。郭雪峰教授、张德清研究员和Kendall N. Houk教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心的联合资助。