刘允-朱戎课题组合作实现力矢量控制的多通道反应性

　　在复杂分子中对特定的反应位点进行选择性的化学转化是合成化学的基础核心问题。力化学方法，是近年来兴起的一种化学反应控制新方法。机械力可以通过高分子链选择性地传递并作用在目标反应基团（力敏团）的某个化学键上实现键活化，从而展现出新颖的化学反应性。作为矢量，化学家们可以通过力的大小与方向，调控力化学反应。将力敏团的不同立体异构体或者区域异构体作为单体接入高分子主链，当高分子被流场拉伸时，力敏团所感受的张力的方向就会发生变化。在过往大量的研究中，改变力矢量的方向已经被证明可以有效调控力化学反应的效率；力矢量与目标化学键重叠越有效，打开相应化学键的活化能就降低得越多（图1A）。然而对于目前已知的力敏团，只要力敏团的核心骨架没有改变，被激活的化学键就难以通过外力施加的方向的改变而改变。因此，能否发展出一个全新的力敏团结构，当外力矢量与力敏团的相对位置和方向发生改变时，产生不同的化学反应结果，即实现矢量控制的多通道反应性（图1B）？

　　图1 力化学反应性与选择性

　　近日，永利集团刘允课题组与朱戎课题组合作，发掘了朱戎课题组发展的双环[2.2.0]己烯（BCH）结构（Nat. Commun. 2021, 12, 3680），展示了其力矢量控制的多通道反应性。他们利用BCH的低对称性和四元环并环结构，在改变外力的施加方向与位置时，高化学键选择性地激活了BCH骨架上不同的C–C键，实现了单一力敏团三种不同的反应性：逆4π开环反应、逆[2+2]环加成反应和σ[1,3]-重排反应（图2A）。

　　图2 具有多通道反应性的BCH力敏团，及其相应的取代位点不同的聚合单体

　　他们通过计算化学的方法，发现并筛选了出三种具有力化学活性的BCH区域异构体。利用张力环状烯烃的[4+2]环加成反应或三线态能量转移[2+2]反应，作者构建出了不同取代的BCH骨架，并制备了相应的开环易位聚合单体（图2B）。通过与环辛烯共聚，取代位点不同的BCH被引入到高分子主链当中。实验中，超声的空化作用在溶液中产生剪切流场，被拉伸的高分子受到外力的作用而发生力化学反应。通过一系列二维核磁、紫外光谱，以及模型化合物的对照，作者确定了拉伸C5–C6使BCH发生了逆[2+2]环加成反应；拉伸C1–C6发生了σ[1,3]-重排反应；拉伸C1–C4发生了反霍夫曼-伍德沃德的逆4π开环反应（图3）。拉伸C1–C6时，还附带发生了[1,5]-氢迁移反应；这与底物结构有关。该产物的直接鉴定十分困难，作者利用元动力学（metadynamics）辅助的反应发现方法，最终确定了拉伸C1–C6时BCH经双自由基中间体激活的分步反应过程，及其后续自由基耦合反应和氢转移产物。

　　图3 主链含BCH聚合物的制备，及其在超声作用下得到的力化学反应产物

　　作者发现，BCH的多样化反应性只能由机械力的改变而实现，当不同的区域异构体经过加热，电解，或者光照时，不能产生多通道激活。密度泛函计算结果也表明取代的位置改变本身并没有显著改变BCH骨架的反应性。当BCH力敏团受力时，力修饰势能面的计算表明，只有与机械力拉伸方向最吻合的C–C键被高度选择性地激活。但骨架中不同C–C键的键解离能不同，比如其中的C1–C4键为BCH最不稳定的化学键，在BCH受力时会与其他C–C键存在竞争。通过对比受力不同时不同化学键的键解离势垒，作者发现BCH中化学键-机械力的耦合非常高效，在受力约1.0 nN或以上时，被拉伸的其他C–C键的键解离能就已经低于C1–C4键。而1.0 nN下的键解离势垒还太高，因此当外力增加到化学反应在室温下自发进行时，BCH表现出高度的化学键专一性。

　　一般而言，改变力敏团受力方向不会改变反应性最高的化学键，相对的只有反应效率或产物分布受到影响。作者发掘的BCH骨架，揭示了力矢量方向可以产生多样化的化学反应性这一新范式，为未来力敏团的设计带来了全新的思路。可以想象，力作为外加刺激源，能重新定义潜在的，未知的化学反应位点，通过与其他物理作用相结合，可以开拓更加广阔的化学反应空间。

　　该成果以“Bicyclo[2.2.0]hexene: A multicyclic mechanophore with reactivity diversified by external forces”为题发表在Journal of the American Chemical Society。论文的通讯作者是77779193永利集团刘允研究员，朱戎研究员和杜塞尔多夫大学物理化学研究所Jan Meisner教授，第一作者是永利集团化学院博士研究生丁诗浩和王文楷，以及杜塞尔多夫大学Anne Germann。该研究得到了北京分子科学国家研究中心以及永利集团化学院的支持。

　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c13589