捕獲不穩(wěn)定的中間體以闡明化學(xué)反應(yīng)機(jī)理機(jī)制是化學(xué)家們面臨的一項(xiàng)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(gòu)象;(3)降低反應(yīng)溫度;(4)降低反應(yīng)底物的濃度;(5)采用基質(zhì)隔離法,將中間體隔離起來(lái);(6)加入中間體捕獲劑。這些方法一般能夠延長(zhǎng)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(shù)表征驗(yàn)證。但是,由于許多中間體的反應(yīng)活性非常高,使用以上方法仍然難以捕獲并進(jìn)行表征。因此,長(zhǎng)期以來(lái)許多化學(xué)反應(yīng)由于缺乏關(guān)鍵中間體的直接證據(jù)而難以明確其具體反應(yīng)機(jī)理。1960年Woodward在葉綠素的全合成中首次報(bào)道并命名了一種卟啉的雙電子還原產(chǎn)物─Phlorin(J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 3800-3802.)。這種Phlorin很容易被空氣氧化成相應(yīng)的卟啉。隨后,Phlorin被普遍認(rèn)為是闡明卟啉前體轉(zhuǎn)化為卟啉以及卟啉催化過(guò)程中的質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移(PCET)反應(yīng)機(jī)制的一個(gè)關(guān)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(zhuǎn)化成相應(yīng)的卟啉產(chǎn)物,所以直接捕獲原生態(tài)的Phlorin中間體一直難以實(shí)現(xiàn)。
近期,西湖大學(xué)劉志常課題組提出利用分子張力工程(molecular-strain engineering, MSE)策略,通過(guò)調(diào)節(jié)卟啉合成過(guò)程中的吉布斯自由能?G?和反應(yīng)活化能?G≠值,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jié)構(gòu)形變?cè)诜肿觾?nèi)部施加張力,從而使分子本身產(chǎn)生精確可調(diào)的應(yīng)變構(gòu)型,進(jìn)而利用這些應(yīng)變構(gòu)型調(diào)控反應(yīng)進(jìn)程和控制反應(yīng)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(xué)博士生唐敏為第一作者,劉志常教授為通訊作者。
作者受到構(gòu)型可調(diào)、并能儲(chǔ)存高張力的弓的結(jié)構(gòu)的啟發(fā)(圖1b),利用分子張力工程策略設(shè)計(jì)了具有較大張力能的“分子弓”(圖1c)。在其分子弓中,作者通過(guò)一個(gè)短的柔性分子鏈條(弓弦)將剛性卟啉(弓臂)的5,15-meso位連接起來(lái)。由于弓弦和弓臂長(zhǎng)度不同,從而使其卟啉的剛性平面構(gòu)象發(fā)生彎曲,并儲(chǔ)存一定的張力能,最終導(dǎo)致彎曲卟啉的?Gs?比無(wú)應(yīng)力變形的平面型卟啉的?Gu?大,從而降低了Phlorin轉(zhuǎn)化為卟啉的驅(qū)動(dòng)力。另一方面,從逆合成分析,作者發(fā)現(xiàn),在卟啉的兩電子還原的前體Phlorin中,由于弓弦將其四吡咯大環(huán)的5-meso-sp3-碳與15-meso-sp2-碳原子連接,使得它保持一個(gè)非平面構(gòu)象。在其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的卟啉過(guò)程中,與未限定的Phlorin相比,將會(huì)使其到達(dá)過(guò)渡態(tài)(TS)的活化能增加(即?Gs≠ > ?Gu≠,圖1),從而阻止Phlorin氧化芳構(gòu)化成卟啉,使反應(yīng)停止在Phlorin中間體階段,從而被捕捉。簡(jiǎn)而言之,分子張力工程同時(shí)調(diào)控了Phlorin轉(zhuǎn)化為卟啉反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)方面,為實(shí)現(xiàn)Phlorin中間體的捕獲提供了理論依據(jù)。
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(guò)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(zhuǎn)化成卟啉過(guò)程中的能量分析,其中?G≠為反應(yīng)過(guò)程的活化能,?G?為反應(yīng)過(guò)程的吉布斯自由能。
為了得到具有合適張力能的弓形卟啉分子,作者通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算模擬篩選了不同張力能大小的模型分子,發(fā)現(xiàn)在弓弦位置引入含有吡嗪的柔性鏈時(shí),形成的弓形卟啉分子2,其分子內(nèi)張力能達(dá)到27.1 kcal mol?1,是一個(gè)非常合適的概念驗(yàn)證模型。作者利用一鍋兩步法在合成弓形卟啉分子2的過(guò)程中,即便在加入過(guò)量DDQ作為氧化劑的條件下,仍然成功分離到了穩(wěn)定的Phlorin中間體1,并利用NMR、HRMS和X-射線單晶衍射等手段對(duì)1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面表征(圖2)。
圖2 Phlorin中間體1的捕獲及其晶體結(jié)構(gòu)。(a)利用一鍋兩步法合成Phlorin中間體1,且它在避光并有過(guò)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(jié)構(gòu);(c)1的晶胞中的一對(duì)對(duì)映構(gòu)型異構(gòu)體;(d)晶體結(jié)構(gòu)中的由兩個(gè)1的對(duì)映構(gòu)型異構(gòu)體與兩分子三氟乙酸(TFA)以及一分子二氫DDQ(DDQH2)通過(guò)十重氫鍵組裝成的一個(gè)外消旋的2:2:1的超分子復(fù)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(dāng)它的溶液光照足夠長(zhǎng)的時(shí)間后,其顏色將會(huì)由綠色變成紅棕色,利用高分辨質(zhì)譜表征溶液光照前后的產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)光照后產(chǎn)物的分子量及同位素分布與弓形卟啉分子2一致,這證實(shí)了從1可以發(fā)生光轉(zhuǎn)化形成卟啉分子2(圖3a)。然后,作者利用時(shí)間相關(guān)紫外吸收光譜(TD UV-vis)和時(shí)間分辨的核磁氫譜(TD 1H NMR),深入研究了1到2的光誘導(dǎo)芳構(gòu)化過(guò)程。Phlorin中間體1光催化轉(zhuǎn)化為卟啉2的過(guò)程與溶劑種類(lèi)相關(guān)。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(gè)數(shù)量級(jí),這說(shuō)明Phlorin的光降解過(guò)程與質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移密切相關(guān)(圖3)。
圖3 1到2的光氧化芳構(gòu)化研究。(a)光照下1到2的轉(zhuǎn)化過(guò)程;(b)1的氯仿溶液隨光照的顏色改變過(guò)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(guò)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(dòng)力學(xué)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(guò)機(jī)械拉扯卟啉環(huán)外圍,使其平面發(fā)生扭曲,從而產(chǎn)生分子內(nèi)形變,儲(chǔ)存張力能。這種分子張力工程策略,一方面提高了Phlorin轉(zhuǎn)化為相應(yīng)卟啉的過(guò)渡態(tài)能量,另一方面使相應(yīng)的卟啉分子由于結(jié)構(gòu)扭曲而能量提高,降低了Phlorin轉(zhuǎn)化到卟啉的驅(qū)動(dòng)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(jī)械力的分子張力工程策略在捕獲活性中間體方面具有獨(dú)特的原位優(yōu)勢(shì),可以以一種非侵入性的方式更加直接的驗(yàn)證某些反應(yīng)中間體,為深入探究反應(yīng)機(jī)理提供了可能。
該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持。
文章詳情:
Mechanical Trapping of the Phlorin Intermediate
Min Tang, Yimin Liang, Jiali Liu, Lifang Bian and Zhichang Liu*
Cite this by DOI:10.31635/ccschem.022.202101679
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