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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

为了构造复杂的分子和分子装置，微小的原子必须以精确的方式组合在一起并连接起来。目前为止，这项艰巨的任务仍然只能以一种随机的方式来完成，这类似于用洗衣机组装乐高积木，并希望这些分子最终以某种方式组装成所需的产品，这要么完全靠运气，要么在催化剂的诱导下完成。

按需的分子间转换或转换可以通过多种方式实现，如化学、光化学或电化学，这取决于化学系统和预期目标。控制反应的选择性是化学的核心目标。例如，在溶液中，这种控制可以通过控制价电子、pH值或电化学势来实现。最近，表面单个分子的受控转化已经成为可能。扫描隧道显微镜 (STM) 和原子力显微镜 (AFM) 使得在原子尺度研究表面化学基本化学机制成为可能。反应本身甚至可以随意用扫描隧道显微镜的尖端直接触发。在STM和AFM分子表征方面取得进展的推动下，已经发现了新的尖端诱导反应和反应机制。通常，在尖端诱导化学中，前体被设计为可以破坏特定键，解离指定的掩蔽基团。去掩蔽反过来可以启用或引起其他反应，例如分子间键形成、分子内键形成或骨架重排。

虽然通过控制价电子、pH或电化学势等反应条件的改变可以实现反应选择性的提高，然而，反应选择性的可控操作仍存在以下关键问题：

1、基本机制不清晰：反应条件改变严重，控制选择性的基本机制通常难以捉摸。明晰的机制是可控实现反应选择性的关键因素。

2、外部因素与化学键合的构效关系仍需探索：外部静电场和电荷态操纵是如何影响化学键合的探索仍处于起步阶段。

新思路

有鉴于此，IBM欧洲研究中心Florian Albrecht等人展示了由尖端诱导的表面还原-氧化反应促进的可逆和选择性键形成和解离。通过控制尖端施加的电压脉冲的极性和幅度来选择导致不同结构异构体的分子重排。反应电压依赖性的表征和反应速率的测定证明了组成异构化反应的选择性，并提供了对潜在机制的深入了解。理论计算发现不同电荷态异构体的能量分布对于合理化选择性很重要。尖端诱导的选择性单分子反应增加了对氧化还原化学的理解。

技术方案：

1、通过STM尖端实现了转化序列的建立

通过从四环核中除去4个氯原子来创建初始材料，利用位于特定分子上方的原子尖锐的STM针尖来建立变换序列。当氯原子被去除后，4个碳-氯( C-Cl )键的碳原子上产生了自由基中心。然后，两个自由基中心将通过打破环中的C-C键而重新耦合。在所有Cl原子离开后，系统留下不稳定的双自由基，由于结构限制，无法键合。作者通过控制脉冲电压实现了四氯并四苯分子的构建，并将其吸收到铜上生长的薄层盐，利用STM尖端去除Cl实现了异构体的构建。

2、通过反向电压实现了反应的反向切换

将产物恢复为双自由基需要能量，因此是不利的。作者通过使用电压脉冲将电子注入双自由基来反转双自由基与环丁二烯和炔烃的相对稳定性，使反向切换成为可能。分子能量格局的变化促进了环丁二烯和弯曲炔烃的阴离子形式转化回自由基阴离子。

3、通过理论计算解析选择性提高基本机制

在密度泛函理论计算的支持下，作者发现不同电荷状态下异构体的能量分布对合理的选择性很重要。尖端诱导的选择性单分子反应增加了对氧化还原化学的理解，并有希望完成新型分子机器的开发。

图  STM施加电压来启动和控制多个反应

技术优势：

1、提供了通过控制输入电压来实现反应选择性的方法

通过施加更高的电压时，实现了炔烃的选择性生成。而在传统系统中，由于烯烃的弯曲度更大需要对原始几何形状更大的变形，烯环的生成更有利。产物形成的速度与其稳定性之间的这种相互作用提供了一种通过控制输入电压来选择性地制造环丁二烯或弯曲炔烃的方法。

2、实现了不稳定分子的可控相互转化

通过电压控制与电子注入的可能性相结合，实现了在三种异构、电子异常和固有不稳定分子之间实现完全受控的相互转化。解析了具有弱耦合电子的富碳物种中的 C-C 键如何可以随意形成、断裂和重组。这些新发现的表面化学过程的可能与化学和生物学中的电子催化化学反应有关，并可能为更有效的合成提供可行的捷径。

技术细节

尖端诱导电化学在单分子反应

作者展示了尖端诱导电化学在单分子反应中获得化学选择性的潜力，证明了多个组成异构化反应可以通过来自尖端的电压脉冲来控制和选择。通过选择特定的电压脉冲，形成了不同的跨环状共价键。合成了四氯并四苯（命名为1），通过热升华将其沉积在覆盖有1-3层NaCl的Cu(111)基板上，通过STM尖端诱导四氯并四苯的异构化反应，作者解析了应变异构烃的合理合成路线。

图 反应方案

四氯并四苯表征

1的AFM图像解析了相邻Cl原子之间的空间位阻导致不同的吸附高度，引起的Cl亮度差异。使用来自位于分子上方的探针尖端的电压脉冲，解离了Cl 原子，并观察了Cl解离的阈值电压及隧道电流。此外，还解析了脱氯异构体的结构特征。脱氯中间体2 (C₁₈H₈Cl₂)的AFM 图像显示脱氯侧有一个10元环，在三键上方表现出鲜明而明亮的特征。这表明以中间体1a作为过渡结构发生了逆伯格曼环化反应。本文首次解析了这些分子是高度应变的，因为它们非常活跃，之前没有相关报道。

图 前体、中间体和产物的AFM图像

理论计算

结合电子共振的STM测量和密度泛函理论计算，发现电荷状态以及能量分布对反应选择性的影响至关重要。通过施加较大的偏置脉冲，可以实现不同异构体之间的可控转化，施加反向脉冲时，可以实现反应的双向切换。施加的电压与分子结构的重排关系密切。实验和理论共同证明了通过脉冲电压的控制可以实现单分子结构异构化反应的选择性。

图 通过STM、DFT和AFM对产品进行表征

选择性反应机制

研究结果表明，完成所需的单分子可控转化需要至少提供2个电子，一个用于带你和跃迁，另一个在非弹性电子隧穿过程中提供额外的能量，明确了反应是由电子附着而不是由电场单独触发的。

图 尖端诱导转换

展望

这个分子系统可以按需实现双自由基、反芳香环和高弯曲的炔之间转换。不同构型之间相互作用的潜力使得这种变化的分子系统像一把多功能的瑞士军刀一样，可以按需随意转化。例如，双自由基可以参与氧化还原反应和自由基反应，环丁二烯体系可以为阳离子过渡金属提供潜在的结合位点，而应变的炔烃单元可以用于各种反应，如环加成或亲核攻击。通过尖端诱导电化学研究的氧化还原反应中获得的见解将有助于更好地理解在有机合成和自然中重要的氧化还原反应。对于未来的人工分子机器，在两种以上不同的组成异构体之间进行可控、可逆和选择性切换可以实现新的功能。

参考文献：

IGOR ALABUGIN,et al. A Swiss Army knife for surface chemistry. Science, 2022, 377:261-262.

DOI: 10.1126/science.abq2622

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq2622

FLORIAN ALBRECHT, et al. Selectivity in single-molecule reactions by tip-induced redox chemistry. Science, 2022, 377: 298-301.

DOI: 10.1126/science.abo6471.

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