全面了解化学反应的内在机制对于优化合成路线，节约工业生产成本具有极其重要的作用。尤其是对决速步的深入理解，有助于我们提高反应产率和效率。动力学同位素效应 (KIE) 是宏观实验中确定反应决速步以及判断反应过程中过渡态成断键程度的一个重要工具。然而，由于受到天然同位素丰度低和反应程度的限制，导致KIE的测量灵敏度低、准确度差，因而要精准地测量反应KIE值（同位素参与的化学键不发生断裂的二级KIE尤其难测量）一直是一个难题。近日，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组、材料科学与工程学院莫凡洋课题组和合作者开发了一种基于单分子检测技术与KIE相结合的新方法——单分子反应动力学同位素效应（sm-KIE），以Claisen重排反应为例检测二级KIE效应。其巧妙避开了宏观KIE在同位素丰度以及反应程度方面的受限，能够准确、方便地获得复杂反应中每步基元反应的KIE值，有望实现KIE的研究技术的进一步发展，对分析过渡态的结构具有重要意义（图1）。

图1 单分子反应同位素效应研究Claisen重排反应示意图

北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组长期致力于单分子反应动力学机理的研究，与合作者一起揭示被系综平均掩盖的新机理和新现象，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。最近，他们以Claisen重排作为模型反应，监测对底物sp2碳、sp3碳分别氘代后的电流-时间（It）曲线，结合高/低通滤波拆分信号的技术来准确测量重排过程和质子转移过程的速率（图2），从而分别得到它们的二级KIE值。这些KIE相对宏观系综实验更为明显，并且也表明了Claisen重排的协同非同步机制。

图2 不同氘代底物的单分子同Claisen重排速率的分别统计

他们不仅确定了反应的决速步，同时还定量分析并计算了过渡态的CH键杂化类型的改变程度，进而得出了过渡态CC键的形成程度和CO键的断裂程度。更大的CO键断裂程度表明了该周环反应的不同步性。进一步地，他们通过绘制More O' FerrallJencks图来定位过渡态（图3），可以确定该反应经历了早期的过渡态。有趣的是，他们发现过渡态的CC键的形成程度和CO键的断裂程度随着电场的增强而逐渐增加，在More O' FerrallJencks图上体现为过渡态沿着反应进程的方向移动（平行于对角线）。这表明：早期的过渡态可以通过电场调控，逐渐向后移动，使得过渡态的结构与产物的相似程度逐渐增大。他们之前已报道过电场对Diels-Alder反应路径的调控（Sci. Adv. 2021, 7, eabf0689），即：过渡态正交于反应进程的方向移动。根据实验结果，他们还发现了电场对反应调控的多样性：路径（反应进程的正交方向）与过渡态位置（反应进程的水平方向），这也为未来化学反应和生物过程的精准调控提供了无限的机会。

图3 不同偏压下Claisen重排的More O' FerrallJencks图

这种sm-KIE方法具有单分子检测灵敏度和准确度等优点，可以应用于各种单分子动力学研究，这对于基础化学反应的发展和对基础生命科学的理解至关重要。该工作于1月17日以“Accurate single-molecule kinetic isotope effects”为题在线发表在Journal of the American Chemical Society杂志上（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, DOI: 10.1021/jacs.1c12490）。该工作的第一作者是北京大学化学与分子工程学院博士生郭逸霖、杨晨、北京大学材料科学与工程学院博士生张雷和中国科学技术大学博士生李慧平。北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授、中科院化学所张德清研究员、北京大学材料科学与工程学院莫凡洋教授、中国科学技术大学朱文光教授和兰州大学刘子桐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。

原文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c12490