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电场催化的单分子Diels-Alder反应动力学

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科学进步  20 Jan 2021:
卷7号4,eabf0689
DOI:10.1126 / sciadv.abf0689
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抽象的

在无标记的单分子电检测平台上使用精确的单分子检测,可以直接观察到Diels-Alder反应的精确时间轨迹和详细的反应路径。这项研究表明了公认的协同机制,并阐明了电荷转移配合物与 或者 exo反应路径上的配置。在高温高压电场下,验证了前所未有的逐步路径。实验和理论结果揭示了一种电场催化的机理,该机理表明存在两性离子中间体,该中间体具有一个键,并且由于电场强度而使一致的和逐步的反应发生变化,从而建立了以前未知的电场机械控制方法催化。

介绍

Diels-Alder反应被广泛用于复杂产物的有机全合成(1, 2),并因其广泛的应用前景而获得1950年的诺贝尔化学奖。该反应通常通过涉及六元环过渡态的一致的周环机制进行,以同时形成两个新键。但是,机制的变化是一致的还是逐步的,没有在动力学方面进行定义(3, 4)。化学反应中两种机理之间的区别取决于表征方法的时间分辨率和检测灵敏度。通常将比监视仪器的时间分辨率快的多个过程简化为“令人信服”,而在反应过程中对中间体的检测通常提供了“逐步”机制的证据。对于Diels-Alder反应,需要高度电子互补的对称二烯和亲二烯体,例如呋喃和马来酰亚胺(5, 6)时差很小(<在两个键的形成之间的5fs),这表明是动态协调的机制。根据先前的理论研究(79),只有约2%的丁二烯和乙烯反应轨迹具有较宽的势能面,并在1000 K时通过双自由基中间体,这意味着存在逐步的路径。另一项有趣的理论工作预测,外部电场(EEF)可以催化Diels-Alder反应,并引起从协同作用到两性离子途径的机械交叉(10)。在如此苛刻的条件下,痕量和短寿命反应轨迹的实验检测以及Diels-Alder反应的逐步途径的证明是一个巨大的挑战。

单分子检测可能能够克服这些困难。在单分子/单事件水平上动态行为的高时间分辨率检测为捕获痕量和短寿命中间体提供了机会。研究了单分子反应的各种条件,包括各种温度(11),光场(12), 磁场 (13),机械刺激(14),以及最近的电场效应(1518),这些实验旨在操纵单个分子并调节化学反应(19, 20)。本工作使用了基于石墨烯-分子-石墨烯单分子结(GMG-SMJs)的电气监控平台(21, 22)表明(i)单分子连接可以直接通过光电积分来表征,(ii)稳定的共价锚定和确定的界面偶联适合复杂的反应条件,(iii)固定的单分子系统可以原位提供监测反应,以及(iv)对分子电导进行无标记的高速电采样可为化学反应提供高时间分辨率和忠实的同步性。先前检测分子间相互作用的研究( 23, 24)和化学反应(25, 26)在此扩展,以提供有关单分子Diels-Alder反应动力学的最完整描述。

结果与讨论

器件制造和光电表征

使用通过电子束光刻曝光的聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)模板,通过氧等离子体对制备的石墨烯晶体管进行蚀刻,以获得羧基末端石墨烯点电极对。分子工程用于合成具有马来酰亚胺功能中心和氨基末端的分子桥,该分子桥共价整合到石墨烯电极中以形成稳定的GMG-SMJ( 图1A)。补充材料(图S1至S3)中提供了详细的分子合成途径和设备制备步骤。 GMG-SMJ的成功制备是通过比较电流-电压(I-V)蚀刻后的关系曲线(减小到零)与连接源电极和漏电极之间的分子后的曲线(在一定程度上恢复)(图S4)。在优化的条件下,同一硅芯片上的92个器件中的约20个器件的连接良率达到〜22%,表明电流得以恢复(图S5),这证明了可重复性。补充材料中的统计分析表明,电流响应具有〜90%的概率仅源自电极之间的一种分子连接。在荧光素取代的呋喃和马来酰亚胺功能中心之间的反应过程中,通过超分辨率显微镜对设备进行显微成像,可以进一步直接证明单分子连接。加合后从荧光素到电极的能量/电子转移( 27, 28)和可逆反应导致荧光素闪烁和随机光学重建显微镜效果(29)。石墨烯电极阵列之间仅成像了一个亮点,表明了单分子连接(图1B;在图1和图2中提供了附加图像和来自控制装置的图像。 S6和S7)。此外,荧光强度和电信号的同步采样(该方案如图S8所示)显示出很强的相关性(最高电导对应于淬灭的荧光;最低电导对应于最高强度的荧光;中间电导对应于相对较弱的淬灭;下面将提供电导态的归因,以显示Diels-Alder反应的动态行为,这进一步证实了光学和电学监测结果(图1C;影片S1)中提供了详细信息。该观察结果再次强烈支持单分子结合,并表明分子桥确实是反应中心。

Fig. 1 单分子设备的表征。

(A)单分子电监控平台的示意图。 (B)演示单分子连接。在单分子马来酰亚胺和荧光素取代的呋喃之间的相互作用中,重建了超分辨率荧光显微镜在50毫秒曝光下拍摄的5000张照片,以获得单分子分辨率照片和无背景的放大图像。 (C)在5秒反应期间同步监视电流和荧光信号。 10−5 将在乙醇/甲苯(v / v:2/3)溶液中的M荧光素取代的呋喃以298 K和300 mV添加到反应池中。 a.u.,任意单位。

实时电气测量和物种归因

根据分子电子学的理论(30),在与呋喃反应期间,反应中心电导与其结构密切相关。因此,在使用高速采样[57,600个样本(Sa)/ s]记录电导(电流)变化的同时,施加恒定的源极-漏极偏置电压,以实时监控化学反应过程中的结构变化,即最直观地分析反应机理,并准确测量化学反应过程。将单分子装置放置在具有精确温度控制的封闭探针室内,而分子桥上的马来酰亚胺在氮气保护下与呋喃在气相中反应。在施加393 K的各种恒定偏置电压的同时,测量了纳安级电流,测量结果显示了对应于六个不同结构的六个稳定状态之间的随机切换(图2A)。系统的控制实验表明,在连接之前(开路)(图S9),在呋喃气氛中通过石墨烯同质结器件(图S10和S11),在没有电桥的情况下通过分子桥的电流没有明显的波动。功能中心(图S12和S13),以及在相同条件下通过不含呋喃的单分子装置(图S14和S15)。因此,这些结果表明,所监测的电信号源自单分子马来酰亚胺与呋喃的反应。

Fig. 2 电场对Diels-Alder反应的影响。

(A)在393 K下100至600 mV下依赖于偏压的实验。右侧是协同反应过程的放大图。左侧是300至600 mV下最高电导率状态[两性离子中间体(ZI)]的统计直方图。 (B(100 mV下的统计直方图和反应机理以及从高斯拟合得到的六个电导态的相应归属) I-t measurements. (C)六个物种的透射光谱,其中显示了主导的传输轨道(p-HOMOs)。 ( D)对EEF效应的定量分析,表明每种给定物种(左)和过渡态(右)的计算吉布斯自由能随给定的电场强度而变化。这表明强大的EEF可以克服步进机制的巨大缺点。 (E)在-2.57 V / nm处协调和逐步的途径的吉布斯自由能。

六个导电状态的对应种类[统计直方图显示在 图2(A和B)根据液相浓度和温度相关的测量值确定(图S16至S20)。在低浓度下,最低电导状态支配器件电导,表明其归因于基板。在低温下,呋喃浓度越高,第二电导态和第三电导态相对于底物的比率就越高,这证实了两个顺式电荷转移配合物的形成 或者 exo 配置。随着温度升高,通过相应的配合物观察到第四和第五电导状态,这应归因于两种目标产物。在从复合物到具有高温和偏置电压的产物的路径中观察到随机峰值(第六电导状态)(图2,A和B),表示存在新的(两性离子)中间体。通过传输计算进一步验证了这些推测(图2C 和图。 S21)。如图所示。 S21,每个物种的被扰动的最高占据分子轨道(p-HOMO;每个物种的轨道散射状态在图S22中提供)占主导地位,因为它们更靠近电极,从而占据了电荷传输(因此,器件电导)。费米能级(0 eV)。相应地,传输峰值接近电极费米能级(图2C)表示,从低到高的分子电导序列(从左到右的传输峰)应该是马来酰亚胺反应物状态(RS),电荷转移复合物状态(CTs)(由于侧面的电子缺陷性质-链马来酰亚胺,它与呋喃形成CT络合物)(6),乘积态(PSs)和两性离子中间体(ZI)(图2B),与实验观察结果非常吻合 图2A。具有固定时序关系的五个较低电导状态的转换如右图所示 图2A 显示典型的Diels-Alder反应机理:RS(红线)和呋喃优先形式 (橙色线)或 exo (绿线)CT(CT- 和 CT-exo),然后产生相应的PS(浅蓝色和深蓝色线条)(PS- 和 PS-exo)通过六元环加成。在实验中还检测到了通过CT构型的转换而引起的两种途径的转换,这表明了通过动力学或热力学途径的内在协调机制(如下所述)。这 途径比 exo 如统计直方图所示(无花果2B3),显示了次级轨道和静电相互作用的影响。

Fig. 3 温度和极性对Diels-Alder反应的影响。

(AE) 典型的 I-t 曲线和相应的放大图像以及193 K(A),293 K(B),343 K(C),393 K(D)和443 K(E)的统计直方图。 (FK) I-t 在含0%(F),20%(G),40%(H),60%(I),80%(J)和100%(K)甲苯的溶液中测得的曲线和相应的放大图像以及统计直方图在298 K和300 mV下于二甲基亚砜(DMSO)中溶解。

最高电导状态(紫线)归因于ZI而不是双自由基物质,因为它对偏置电压的依赖性强(出现在300 mV且与偏置电压呈正相关; 图2A, 剩下)。这一发现暗示了在低于1000 K(7)。计算结果表明ΔG 逐步机理要比一致机理高约16-17 kcal / mol /exo 溶液中常规反应的机理,这表明人们非常喜欢协同过程(图S23)。过渡结构(TS;〜13.0 Debye)和ZI(〜18.1 Debye)的强极性归因于大的电荷分离(图S24),这意味着通过在纳米间隙石墨烯点电极之间施加EEF可以显着稳定它们( 〜109 V / m)。每个物种的详细结构和电荷分布在图2中提供。 S24。为了定量验证这一前提,我们通过计算研究了EEF对马来酰亚胺与呋喃反应的影响(图2D)。该模型考虑了电场相对于反应物的两个方向,其中具有沿对应于形成键的轴定向的EEF的阶梯式A(灰色线)和沿偶极子定向的EEF的阶梯式B(紫线)连接部分负电荷和部分正电荷的矩矢量(图S24)。 ΔG 台阶B的“位移”比台阶A的低得多,这表明沿着连接部分电荷的线的EEF取向比沿着反应轴的取向提供了更多的过渡结构稳定性。另外,马来酰亚胺和分子桥之间的柔性碳链容易使ZI取向为EEF,这也为逐步B取向提供了优先选择。应该强调的是,强大的EEF会显着降低协同反应和逐步反应的能垒。但是,提高EEF强度可以克服步进机构的巨大缺点。例如,在EEF为-2.57 V / nm时,Δ G 对于逐步B(〜26.4 kcal / mol)仅比协调的高5.6 kcal / mol exo 途径(〜20.8 kcal / mol)(图2E)在考虑ZI对偏置电压(图2A)。虽然ΔG 因为逐步机理相对较高(例如-2.57 V / nm),根据Eyring方程[k = (ĸkBT/h)×exp(-∆G/逆转录)]。

温度相关测量

为了验证这一假设,五个与温度有关的代表 I-t 300 mV时的曲线显示在 图3(A至E) 和无花果。 S25和S26。由于在193 K下饱和蒸汽压低(〜76 Pa,从Antoine方程获得),呋喃无法挥发到单分子反应位点。测量平台仅记录了马来酰亚胺底物的电导状态(图3A)。呋喃分子(饱和蒸气压,约95 kPa)扩散至单分子马来酰亚胺,并转化为 通过的产品 室温下(293 K)的电荷转移复合盐,表明动力学路径(图3B)。动力学和热力学反应路径都在343 K下同时存在,并显示出五个不同的电流状态(图3C),这与液相温度相关的测量结果一致(图S16至S20)。当温度升至393 K时,偶尔会观察到ZI,这代表了逐步路径的开放(图3D)。较高的温度会在阶梯式路径中越过反应能垒产生更多的反应轨迹,并在443 K(图3E)。与温度有关的实验很好地举例说明了碳纳米管的三个势能面。 /exo 协调一致的路径和逐步路径,并展示了这三个路径的强力调控(图2B)。

溶剂依赖性测量

反应路径不仅可以通过温度来调节,而且可以通过电场来调节,如图1和2所示。 S27至S29。可以通过使用极性不同的溶剂来调节电场,以改变对电场的屏蔽效果(31, 32)。图中显示了298 K下各种甲苯对二甲亚砜(DMSO)之比的溶剂依赖性测量结果。 图3(F到K)。 (通过溶剂实验排除了溶剂的影响,见图S30,其他温度下的结果见图S31至S33。) I-t 曲线仅显示DMSO中马来酰亚胺和CT之间的转化,这意味着比监测窗口(10 s)更长的环加成时间尺度和高能垒(图3F)。随着DMSO中甲苯比例的增加,观察到更多的环加成行为,这表明能垒降低(图3,从G到K)。这种独特的现象可归因于极性介质中静电催化的淬灭。消除静电催化将显着降低协同路径的障碍(图2D)。计算结果也表明一致 在协同作用下,EEF≤-4.63 V / nm时,机理转变为逐步机理 exo 在EEF≤-5.65 V / nm(图2D),由于这些高压,很难通过实验实现。也已经报道了这种机制交叉反应用于马来酸酐与环戊二烯(10)。通常,这些密度泛函理论结果表明,逐步机理在-4.63 V / nm≤EEF≤-2.57 V / nm时具有竞争性,并主导了EEF≤-4.63 V / nm的反应。

动力学和热力学分析

本文提供了电催化Diels-Alder反应的详细动态分析。如图所示的转化网络 图2B 可以体现在 I-t 曲线。两种CT中间体经过协同或逐步作用机理生成 或者 exo 产品。逐步路径也可以产生 或者 exo 通过ZI的产品可逆(图4A)。对于电催化的协同机制,平衡 K 在343至443 K(图4,从B到E和图。 CT和相应乘积之间的S34)可以从高斯拟合峰面积在 I-t 测量统计直方图。每个物种的寿命(τ)可以通过单指数拟合获得(图4B的时间间隔) I-t 曲线(图S35)。转化率常数, k = 1 /τ,可以从最大间隔似然率估计值( 33)。各种热力学(ΔG,ΔH和∆S)和动力学参数(Ea 和 ∆G)是使用Van’t Hoff方程[−逆转录ln(K)=ΔHTS](图4C),阿累尼乌斯情节(图4D)和Eyring方程(详细结果在表S1中提供)。 K 和 |∆G|被发现低于0 V / nm的理论结果和文献中观察到的结果(34) 和 1H核磁共振(11 H NMR)宏观实验(图S36至S38),这暗示着电场对平衡的明显调节。这种现象与计算确定的变化一致 G CTs和PSs的电场强度如图 图2D。同样,较低的∆G 表明电催化结果与模拟结果一致(图2D)。实验还展示了动态(图4E)和热力学(图4F)过程受溶剂(电场)和温度的调节。温度升高和极性降低对环加成率产生积极影响(图4E),但会对平衡产生负面影响。产品产量(PS / CT; 图4F)反映了速率增加和平衡降低的拮抗作用。对于393 K的电催化逐步机理,理论计算表明 G ZI的值随电场的增加而线性减小。 Δ的变化G (从ZI到其他种类)的偏置电压可以定义为-逆转录lnK = ΔG≈L×V + ΔG0, 在哪里 L 是斜坡 V 是电场强度,ΔG0 is ΔG 在0 V / nm。平衡常数 K 对于其他物种到ZI的反应,可以从相应电导状态的高斯拟合峰面积之比得出。 ln之间的线性关系K 而偏置电压在 图4G 显示了电场强度和偏置电压之间的正相关。 “V然后可以用偏置电压代替。然后, L 计算结果为〜-0.02 kcal /(mol·mV),它半定量地反映了电场对物质势能的影响,为设计电场催化的有机合成反应奠定了基础。此外,由于指数相关性,ZI寿命可以由电场调节(图4G),这为将来捕获短寿命中间体甚至检测过渡态提供了机会(35),化学反应的圣杯。

Fig. 4 单分子Diels-Alder反应的热力学和动力学性质。

(A)Diels-Alder反应期间不同物种之间跃迁的时间顺序。 (B)从单指数拟合获得的每种电导状态的时间间隔图和每种状态的寿命。 (C)热力学参数图(lnK versus 1000/T)取决于温度相关的测量值。 ΔH 这两个一致的途径中的一个是从Van’t Hoff方程得出的。 (D)动力学参数图(lnk versus 1000/T)。通过Arrhenius方程获得了两个协同路径正向和反向反应的活化能。 (E)反应速率的依赖性(lnk)关于298、318、338和358 K时甲苯梯度比的一致路径F)一致途径的产物收率(PS / CT)对298、318、338和358 K时甲苯的梯度比的影响(GZI平衡与其他物种的近似线性关系(lnK)以及施加的偏置电压及其寿命与393 K偏置电压之间的指数关系。

这项工作例证了一种独特的,前所未有的单分子电检测方法,可以全面分析Diels-Alder反应过程并阐明通过电荷转移络合物的协同途径和通过新的ZI的逐步途径,这为理解许多难以理解的机制提供了无限的机会在有机化学中。电催化的Diels-Alder反应的出色表现显示出对协同和逐步路径的人工调节以及反应热力学和动力学,这为调节化学反应和生命科学过程奠定了基础。

材料和方法

分子合成

补充材料中提供了分子合成的详细信息。

装置制造和分子连接

制备石墨烯场效应晶体管(FET)和石墨烯点电极的方法在图1和2中描述。 S2和S3。使用高温低压化学气相沉积法,在25μm厚的铜膜(去除氧化物)上生长单层优质石墨烯。将PMMA 950旋涂在石墨烯上作为石墨烯支撑层,并用FeCl蚀刻铜膜3 解决方案。然后,将石墨烯转移到带有300 nm SiO的1.5 cm x 1.5 cm预清洗硅晶片上2 层,并用丙酮除去PMMA。沉积金标记后,用掩模保护硅芯片,并用氧等离子体蚀刻,以获得40μm宽的石墨烯条。然后使用模板法将八纳米铬和60纳米金热蒸发为金属电极阵列。 40纳米厚的SiO 2 将层蒸发到金属电极上以防止溶液相中的电流泄漏。使用虚线平版印刷术通过电子束平版印刷术来蚀刻所制备的石墨烯FET,并且通过氧等离子体蚀刻和电燃烧获得具有羧酸末端的石墨烯电极阵列。将新鲜制备的石墨烯点电极阵列器件浸入含有0.1 mM分子桥的吡啶溶液中(通过CF对Boc脱保护)3COOH)和1 mM的1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐。 48小时后,将设备从溶液中取出,用去离子水冲洗,并在流动的N中干燥2。这连接了具有酰胺键的石墨烯电极对之间的分子桥。

电气特性

I-V 用Agilent 4155C半导体参数系统和Karl Suss(PM5)手动探针台测量曲线。这 I-t 在真空低温探针台(Lakeshore TTPX)中获得曲线。 UHFLI锁相放大器的辅助输出为放大器提供了恒定的偏置电压(100至600 mV)。 I-t 曲线。分子环的电流信号由DHPCA-100放大器放大,然后由NIDAQ的高速采集卡以57,600 Sa / s的采样率记录下来。

光电表征

该自建仪器在图1中描述。 S8。同时监测分子电导和荧光。电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)以50毫秒的曝光时间拍摄照片,而UHFLI锁定放大器的辅助输出通过控制电缆的触发产生300 mV的恒定偏置。荧光素取代的呋喃用于在分子桥处与单分子马来酰亚胺反应。荧光由405 nm激光激发,并由EMCCD通过100倍物镜获得。电信号由DL1211前置放大器放大,并以UHFLI中的57,600 Sa / s的采样率记录在NIDAQ的高速数据采集卡上。

补充材料

有关本文的补充材料,请访问: http://advances.cqonlead.com/cgi/content/full/7/4/eabf0689/DC1

//creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

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参考和注释

致谢: 资金: 我们感谢National Key R提供的主要资金支持&中国D计划(2017YFA0204901),国家自然科学基金(21727806、21933001和21661132006),山东大学青年学者计划(2018WLJH54),泰山学者(TS201712003),青年创新促进会中国科学院(2015024),和XPLORER大奖获得腾讯基金会。 UCLA的研究得到了美国NSF(CHE 1764328)的支持。 S.Z.刘志荣和刘志荣感谢北京大学生命科学中心高性能计算平台的支持。 作者贡献: X.G.,D.Z。和K.N.H.构思并设计了实验。 C.Y.,Y.G。和Yu Li制作了设备并进行了设备测量。刘子彤进行了分子合成。李彦伟,S.Z.,C.L.,刘志荣,M.R.,和Q.Z.建立并分析了理论模型,并进行了量子输运计算。 X.G.,D.Z.,K.N.H.,C.Y。和Liyanwei Li分析了数据并撰写了论文。所有作者都讨论了结果并评论了手稿。 利益争夺: 作者宣称他们没有竞争利益。 数据和材料可用性: 本文和/或补充材料中提供了评估本文结论所需的所有数据。作者可能需要与本文相关的其他数据。
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