西湖大学刘志常团队：利用分子张力工程精确调控化学选择性——选择性机械捕获Porphodimethene中间体并原位衍生化

化学作为沟通微观与宏观物质世界的重要桥梁，是人类认识和改造物质世界的主要方法和手段之一，而选择性调控化学反应过程则是化学家真正实现这一宏伟目标的必经之路。现今，调控化学反应过程的方法主要是通过：（1）改变外界条件，如改变反应温度或采用不同形式的能量输入（光、电、热等），影响化学反应过程中的热力学参数以控制反应过程；（2）改变反应本身条件，如改变反应物形态或含量等。通常这两种方法在控制反应的选择性方面难以实现精确控制。如在卟啉的合成过程中理论上可以产生phlorin、isophlorin、porphodimethene、porphomethene等中间体（图1），但是选择性控制卟啉合成过程具体经历哪种中间体一直还没有解决。

图1. calix[4]pyrrole氧化成卟啉过程中可能的4种calix[4]phyrins中间体（来源：Materials Today Chemistry）

近期，为了解决以上问题，西湖大学刘志常课题组提出利用分子张力工程策略（MSE）来精确调控化学合成过程中的选择性。作者前期通过分子张力工程策略成功调控卟啉合成过程中的吉布斯自由能∆G˚和反应活化能∆G^≠值，实现对原生态phlorin中间体的非侵入性捕获（图2B）（CCS Chemistry, DOI: 10.31635/ccschem.022.202101679）。最近，作者通过精确控制分子内张力能的大小，选择性的控制卟啉合成路径经历porphodimethene中间体过程，并成功进行了原位的衍生化（图2C）。文章发表在Materials Today Chemistry, 2022, 24, 100868（DOI: 10.1016/j.mtchem.2022.100868）。西湖大学化学系第一批博士生之一唐敏为第一作者，刘志常教授为通讯作者。

作者以分子张力工程策略为基础，设计了一个张力可调的卟啉“分子弓”。通过调节“弓弦”与“弓臂”的几何长度，使“分子弓”内产生连续可调的张力能。具体来说，利用“弓弦”和“弓臂”相连的方式（与苯环的邻位或间位相连）来控制“分子弓”中张力能的大小，从而选择性控制从“卟啉原”氧化成卟啉过程所经历的中间体种类（图2）。

图2. 分子张力工程策略对化学反应的选择性进行精确调控过程。（A）一锅两步法合成非弓形卟啉的过程；（B）机械捕获phlorin中间体；（C）选择性捕获porphodimethene中间体及其原位衍生化过程。（来源：Materials Today Chemistry）

作者首先设计了“弓弦”和“弓臂”通过邻位相连的目标卟啉“分子弓”（MB-9），通过理论计算分析了它与相关化合物（图3）的张力能大小，发现FB-0的张力能比FB-9小2.2 kcal mol⁻¹（图3），而其甲氧基双取代的porphodimethene衍生物（FB-2）张力能几乎为0 kcal mol⁻¹，这暗示着在MB-9合成过程中倾向于经历porphodimethene而不是phlorin中间体，且当反应过程中若含有亲核性溶剂时，则可以发生原位的衍生化。

图3. 相关化合物的张力能计算（来源：Materials Today Chemistry）

接着，作者通过Lindsey一锅两步法，先利用酸催化醛和吡咯进行缩合，再利用过量的的DDQ和亲核性溶剂（H₂O，CH₃OH，CH₃CH₂OH和BrCH₂CH₂OH）成功获分离得到了porphodimethene中间体及其相关衍射物，并利用NMR进行了相关化合物的表征（图4）。

图4. （A）双取代porphodimethene衍生物PB-1 ~ 4的合成过程。（B）PB-1 ~ 4 的NMR波谱。（来源：Materials Today Chemistry）

最后，通过甲醇和二氯甲烷液液扩散获得了PB-2和PB-3两个化合物的单晶结构，利用X-Ray单晶衍生分析验证了分子张力工程对卟啉合成反应的选择性控制。

图5. PB-2和PB-3的固体结构（来源：Materials Today Chemistry）

综上所述，作者基于前期发展的分子张力工程（MSE）策略，通过调节反应过程中的能量大小，成功选择性调控卟啉合成过程中经历porphodimethene中间体，并对其进行了原位衍生化研究。该研究表明，使用机械力的分子张力工程策略，可以从源头上控制化学反应发生的路径，为化学反应机理的探索提供了一种开创性的手段，进一步提高了人类改造物质世界的能力。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
DOI: 10.1016/j.mtchem.2022.100868

DOI: 10.31635/ccschem.022.202101679

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