單分子反應動力學研究中的重要進展

化學反應動力學在基礎研究和實際應用中都佔有十分重要的地位，通過化學反應動力學的研究不僅可以揭示化學反應的內在機理，而且能夠對於化學反應進行有效調控，對於合成和化工生產具有實際意義。然而長久以來，由於化學反應速度快、機理複雜，許多化學反應過程仍然尚不明確，亟待研究。最近，北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組、中國科學院化學研究所張德清課題組以及加利福尼亞大學洛杉磯分校Kendall N. Houk課題組合作發展了一種基於單分子器件平台的單分子電學檢測新方法和新技術，實現了在單分子水平上對於化學反應動力學的研究。

器件結構示意圖。圖中高亮部分示意羰基和羥胺間可逆的親核加成過程的快速轉化。

在過去一年多里，北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組與合作者利用碳基單分子器件觀察到了聯苯基團的精細立體電子效應，揭示了由於苯環間σ單鍵的旋轉產生的不同構象對分子導電性的影響規律（Science,2016,352, 1443；Nano Lett.,2017,17, 856；J. Phys. Chem. Lett.,2017,8, 2849）；利用硅基單分子器件研究了分子馬達水解的動力學過程，發現了無標記的電學檢測方法觀察到的分子馬達的轉動速度要比熒游標記的方法快一個數量級（ACS Nano,2018,11, 12789）。應Cell姊妹刊Chem的邀請撰寫了單分子器件領域的評論性文章，展示了基於單分子器件的平台在單分子反應動力學和單分子生物物理等基礎研究方面的廣闊應用前景（Chem,2017,3, 373）。

最近，他們又和合作者設計合成了以苯環為骨架、芴基為核心的共軛分子，並在末端修飾上氨基，通過穩定的醯胺鍵將帶有羰基官能團的功能分子連接在石墨烯電極之間，通過使用自主搭建的高速電學測試平台對化學反應進行了實時監測。大的共軛結構以及醯胺共價鍵的強耦合保證了分子具有良好的導電性；在化學反應進行的過程中，分子結構的變化將導致分子軌道發生改變，從而影響導電通道，影響器件的電導特性。因此，通過實時、快速檢測器件的電導變化就可以獲得分子在化學反應中結構變化的過程以及速率，從而實現對於化學反應在單分子水平上的直接觀察。通過統計電導狀態的分布、引入隱馬爾科夫模型對變化過程在時間尺度上的擬合，就可以獲得在反應過程中涉及的中間體的種類和數目以及反應速率等動力學參數。他們以羰基和羥胺的反應為例，研究了酮肟的形成過程。在監測過程中出現了兩種不同電導狀態並且快速轉化，且隨著溶劑比例的不同呈現出不同的變化趨勢，如下圖所示。這是由於在反應過程中，反應物與中間體之間的轉化具有較低的勢壘，二者可以相互快速轉化；而中間體到產物的過程需要跨過很高的勢壘，因此形成產物的過程則相對困難。隨著溶劑中水/乙醇比例的變化，溶劑的介電常數發生改變，從而影響了反應物和中間體在溶劑中的穩定性，因此二者的壽命將隨之發生改變。通過這種方法他們成功地檢測到了反應過程中形成的中間體及其壽命，通過隱馬爾科夫模型運用數理統計的方法得到了反應物與中間體之間轉化過程的速率常數，並揭示了溶劑效應對於化學反應的影響。

溶劑依賴性實驗：0%(A)、20%(B)、40%(C)、60%D)、80%(E)、100%(F)乙醇中I-t曲線及相應雙穩態統計分布

這種高靈敏、易操作的方法為研究化學反應、捕捉反應產生的中間體/過渡態以及相關動力學研究提供了一種全新的思路，通過在單分子水平上對化學反應進行含時跟蹤，不僅可以避免系綜平均的影響，還可以捕捉到化學反應中的大量細節變化，是一種在單分子水平上對化學反應動力學研究的強有力手段，為實現單分子化學反應的可視化研究邁出了重要的一步。

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