西湖大學劉志常教授領銜的超分子有機功能組裝體實驗室（SOFA LAB）近期發(fā)展了一種通過在分子內施加機械應力，使分子自身產生精確可調的應變構型的分子張力工程策略，并利用該策略對卟啉合成反應的進程進行調控，成功實現(xiàn)了該反應中一個關鍵的不穩(wěn)定中間體Phlorin的非侵入性捕獲。這項研究展示了一種全新的原位捕獲活性中間體的方法，為深入探究化學反應機理提供了新思路。
捕獲不穩(wěn)定的中間體以闡明化學反應機理機制是化學家們面臨的一項艱巨的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的手段通常有以下六種：（1）特殊的位阻；（2）增加中間體的共振構象；（3）降低反應溫度；（4）降低反應底物的濃度；（5）采用基質隔離法，將中間體隔離起來；（6）加入中間體捕獲劑。這些方法一般能夠延長中間體的壽命，以便被UV-vis、IR、NMR、MS、EPR波譜和X-射線衍射等技術表征驗證。但是，由于許多中間體的反應活性非常高，使用以上方法仍然難以捕獲并進行表征。因此，長期以來許多化學反應由于缺乏關鍵中間體的直接證據(jù)而難以明確其具體反應機理。1960年Woodward在葉綠素的全合成中首次報道并命名了一種卟啉的雙電子還原產物─Phlorin（J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 3800-3802.）。這種Phlorin很容易被空氣氧化成相應的卟啉。隨后，Phlorin被普遍認為是闡明卟啉前體轉化為卟啉以及卟啉催化過程中的質子耦合電子轉移（PCET）反應機制的一個關鍵中間體。然而，由于Phlorin的高活性以及卟啉的高穩(wěn)定性，原生態(tài)的Phlorin極易轉化成相應的卟啉產物，所以直接捕獲原生態(tài)的Phlorin中間體一直難以實現(xiàn)。
近期，西湖大學劉志常課題組提出利用分子張力工程（molecular-strain engineering, MSE）策略，通過調節(jié)卟啉合成過程中的吉布斯自由能ΔG°和反應活化能ΔG≠值，成功實現(xiàn)了對原生態(tài)Phlorin中間體的非侵入性捕獲。分子張力工程策略利用結構形變在分子內部施加張力，從而使分子本身產生精確可調的應變構型，進而利用這些應變構型調控反應進程和控制反應途徑的選擇性（Chem 2021, 7, 2160-2174）。文章以Communication的形式發(fā)表在CCS Chemistry （DOI：10.31635/ccschem.022.202101679），已在官網(wǎng)以“Just Published”欄目上線。西湖大學博士生唐敏為第一作者，劉志常教授為通訊作者。
圖1 利用分子張力工程策略捕捉Phlorin中間體。（a）一鍋兩步法合成非弓形卟啉的過程；（b）張緊的弓；（c）弓形卟啉的逆合成分析；（d）限定（紅線）和非限定（黑線）的Phlorin中間體轉化成卟啉過程中的能量分析，其中ΔG≠為反應過程的活化能，ΔG°為反應過程的吉布斯自由能。
圖2 Phlorin中間體1的捕獲及其晶體結構。（a）利用一鍋兩步法合成Phlorin中間體1，且它在避光并有過量的氧化劑DDQ存在下仍然能穩(wěn)定存在；（b）1的不同視角的單晶結構；（c）1的晶胞中的一對對映構型異構體；（d）晶體結構中的由兩個1的對映構型異構體與兩分子三氟乙酸（TFA）以及一分子二氫DDQ（DDQH2）通過十重氫鍵組裝成的一個外消旋的2:2:1的超分子復合物(1)2·(TFA)2·DDQH2。
作者發(fā)現(xiàn)，雖然Phlorin中間體1在固態(tài)和避光的溶液中非常穩(wěn)定。但是，當它的溶液光照足夠長的時間后，其顏色將會由綠色變成紅棕色，利用高分辨質譜表征溶液光照前后的產物，發(fā)現(xiàn)光照后產物的分子量及同位素分布與弓形卟啉分子2一致，這證實了從1可以發(fā)生光轉化形成卟啉分子2（圖3a）。然后，作者利用時間相關紫外吸收光譜（TD UV-vis）和時間分辨的核磁氫譜（TD 1H NMR），深入研究了1到2的光誘導芳構化過程。Phlorin中間體1光催化轉化為卟啉2的過程與溶劑種類相關。在氯仿中的降解速率（（3.50 ± 0.17）× 10-4 s-1）比在二甲基亞砜溶液（（3.17 ± 0.03）× 10-6 s-1）中的快兩個數(shù)量級，這說明Phlorin的光降解過程與質子耦合電子轉移密切相關（圖3）。
圖3 1到2的光氧化芳構化研究。（a）光照下1到2的轉化過程；（b）1的氯仿溶液隨光照的顏色改變過程；（c）光照后1的氯仿溶液的紫外光譜的變化；（d）光照后1的氘代二甲基亞砜（CD3SOCD3）溶液的1H NMR譜的變化；（e）1的CD3SOCD3溶液在光照后，溶液中1和2的濃度變化，其濃度通過光照后1H NMR中Hf和Hb2的積分面積確定；（f）1的二甲基亞砜溶液在光照后的動力學分析，得到其光氧化降解速率約為（3.17 ± 0.03）× 10-6 s-1.
綜上所述，作者發(fā)展了一種全新的分子張力工程（MSE）策略。該策略通過機械拉扯卟啉環(huán)外圍，使其平面發(fā)生扭曲，從而產生分子內形變，儲存張力能。這種分子張力工程策略，一方面提高了Phlorin轉化為相應卟啉的過渡態(tài)能量，另一方面使相應的卟啉分子由于結構扭曲而能量提高，降低了Phlorin轉化到卟啉的驅動力。這兩方面的共同作用大大提高了Phlorin在空氣中的穩(wěn)定性，從而使其得以被捕獲并全面表征。該研究表明，與傳統(tǒng)的添加捕獲試劑的方法相比，使用機械力的分子張力工程策略在捕獲活性中間體方面具有獨特的原位優(yōu)勢，可以以一種非侵入性的方式更加直接的驗證某些反應中間體，為深入探究反應機理提供了可能。
該研究工作得到國家自然科學基金和浙江省自然科學基金重點項目支持。
論文信息Mechanical Trapping of the Phlorin IntermediateMin Tang, Yimin Liang, Jiali Liu, Lifang Bian and Zhichang Liu*
原文鏈接：https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202101679
