通訊作者：Masaki Kawano and Makoto Fujita分子之間的反應(yīng)，往往要先形成中間體，然后再得到最終產(chǎn)物。這種中間體通常是短暫的和不穩(wěn)定的，限制了研究人員對(duì)它們進(jìn)行表征的能力。對(duì)這種短暫中間態(tài)的識(shí)別，僅限于快速、時(shí)間分辨的光譜測(cè)量。但是，一項(xiàng)研究表明，研究人員能夠在多孔晶體材料中捕獲一種不穩(wěn)定的化學(xué)中間體，從而通過(guò)X射線(xiàn)結(jié)晶學(xué)清楚地表征中間體的結(jié)構(gòu)。作者認(rèn)為，這種多孔晶體可以作為化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的保護(hù)基質(zhì)，使我們能夠以前所未有的方式研究反應(yīng)機(jī)制的細(xì)節(jié)。2009年，東京大學(xué)Makoto Fujita和浦項(xiàng)科技大學(xué)Masaki Kawano等人研究了每個(gè)有機(jī)化學(xué)學(xué)生都熟悉的一個(gè)反應(yīng):胺和醛結(jié)合形成席夫堿。盡管這一基本反應(yīng)的機(jī)理已經(jīng)被廣泛研究，但對(duì)短暫的中間產(chǎn)物——半氨基化合物——的直接觀察卻很少。已經(jīng)報(bào)道了在酶的活性位點(diǎn)中捕獲的半氨基化合物的晶體結(jié)構(gòu)，但是蛋白質(zhì)晶體中的結(jié)構(gòu)確定不是表征反應(yīng)中間體的一般方法。作者使用有機(jī)配體分子和金屬離子的“配位網(wǎng)絡(luò)”來(lái)捕獲難以捉摸的半氨基化合物。配位網(wǎng)絡(luò)也稱(chēng)為多孔配位聚合物或金屬有機(jī)框架，是一種固體晶體材料，通常由其分子成分自組裝而成(圖1b)。它們具有類(lèi)似攀爬架的晶格結(jié)構(gòu)，其中有機(jī)配體(稱(chēng)為接頭)是攀爬架的桿，金屬離子(節(jié)點(diǎn))是將桿連接在一起的鉚釘。配位網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)巨大的結(jié)構(gòu)，主要由空白空間組成。就像孩子們?cè)谂逝兰艿母褡永锿嫠Ｒ粯樱肿右部梢栽趨f(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的格子里擴(kuò)散和相互作用。圖2. 亞胺形成的反應(yīng)曲線(xiàn)本文成功觀測(cè)了依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)關(guān)鍵特征：1）它可以在低溫下將中間體作為“客體”分子的一部分截留在其孔中，從而將粒子穩(wěn)定在一個(gè)屏蔽的有限空間內(nèi)。2）網(wǎng)絡(luò)的高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)將捕獲的分子限制在特定的周期排列中，這使得它們可以用X射線(xiàn)結(jié)晶學(xué)來(lái)表征。為了生成半氨基化合物，作者將一種醛的溶液輕輕通過(guò)他們配位網(wǎng)絡(luò)的完整晶體從而與一種作為客體分子的胺緊密結(jié)合。這是在低溫下用已經(jīng)安裝在衍射儀上的晶體完成的，其允許半氨基被捕獲并且可以直接確定其結(jié)構(gòu)。由于局限在網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)x光結(jié)晶學(xué)識(shí)別難以捉摸的粒子就像確定網(wǎng)絡(luò)本身的結(jié)構(gòu)一樣容易。然后，作者提高了晶體的溫度，并重新確定了它的結(jié)構(gòu)，于是他們觀察到反應(yīng)在晶體中進(jìn)行，產(chǎn)生了預(yù)期的席夫堿產(chǎn)物。研究人員使用的方法是合成后修飾的一個(gè)例子，即用可溶性化學(xué)試劑修飾配位網(wǎng)絡(luò)的原始晶體，這種策略近年來(lái)越來(lái)越受到化學(xué)家的關(guān)注。越來(lái)越多的研究小組一直在研究網(wǎng)絡(luò)的類(lèi)型和化學(xué)反應(yīng)的范圍，這種網(wǎng)絡(luò)可以在不失去高度有序結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行。但與大多數(shù)使用合成后修飾來(lái)生成具有新特征或功能的網(wǎng)絡(luò)的報(bào)告不同，本文專(zhuān)注于協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的能力，以提供一個(gè)定義明確、有序且受限的空間來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。圖4. 直接結(jié)晶學(xué)觀察到乙醛形成亞胺圖5. 表征1晶體中原位半氨基形成的實(shí)驗(yàn)裝置研究表明，配位網(wǎng)絡(luò)的合成后修飾是一種廣泛適用的工具，可用于分離和表征化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中形成的瞬態(tài)中間體。很可能進(jìn)一步的研究將揭示其他暫時(shí)中間體的結(jié)構(gòu)（有機(jī)的或者是有機(jī)金屬的），這些中間體被固定在多孔網(wǎng)絡(luò)中。在這些晶體中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)也可能揭示出不同于在溶液中觀察到的化學(xué)反應(yīng)的新模式。此外，配位網(wǎng)絡(luò)的合成后修飾可能會(huì)在增強(qiáng)這些材料在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的穩(wěn)定性、功能性和用途方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。例如，在使用氫等替代運(yùn)輸燃料的車(chē)輛的儲(chǔ)罐中。1. Takehide Kawamichi et al., X-ray observation of a transient hemiaminal trapped in a porous network. Nature 2009, 461, 633–635.https://www.nature.com/articles/nature083262. Seth M. Cohen, Molecular crystal balls. Nature 2009, 461, 602–603.https://www.nature.com/articles/461602a
