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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
為了構造復雜的分子和分子裝置，微小的原子必須以精確的方式組合在一起并連接起來。目前為止，這項艱巨的任務仍然只能以一種隨機的方式來完成，這類似于用洗衣機組裝樂高積木，并希望這些分子最終以某種方式組裝成所需的產品，這要么完全靠運氣，要么在催化劑的誘導下完成。
按需的分子間轉換或轉換可以通過多種方式實現，如化學、光化學或電化學，這取決于化學系統和預期目標。控制反應的選擇性是化學的核心目標。例如，在溶液中，這種控制可以通過控制價電子、pH值或電化學勢來實現。最近，表面單個分子的受控轉化已經成為可能。掃描隧道顯微鏡 (STM) 和原子力顯微鏡 (AFM) 使得在原子尺度研究表面化學基本化學機制成為可能。反應本身甚至可以隨意用掃描隧道顯微鏡的尖端直接觸發。在STM和AFM分子表征方面取得進展的推動下，已經發現了新的尖端誘導反應和反應機制。通常，在尖端誘導化學中，前體被設計為可以破壞特定鍵，解離指定的掩蔽基團。去掩蔽反過來可以啟用或引起其他反應，例如分子間鍵形成、分子內鍵形成或骨架重排。
雖然通過控制價電子、pH或電化學勢等反應條件的改變可以實現反應選擇性的提高，然而，反應選擇性的可控操作仍存在以下關鍵問題：
1、基本機制不清晰：反應條件改變嚴重，控制選擇性的基本機制通常難以捉摸。明晰的機制是可控實現反應選擇性的關鍵因素。
2、外部因素與化學鍵合的構效關系仍需探索：外部靜電場和電荷態操縱是如何影響化學鍵合的探索仍處于起步階段。
新思路
有鑒于此，IBM歐洲研究中心Florian Albrecht等人展示了由尖端誘導的表面還原-氧化反應促進的可逆和選擇性鍵形成和解離。通過控制尖端施加的電壓脈沖的極性和幅度來選擇導致不同結構異構體的分子重排。反應電壓依賴性的表征和反應速率的測定證明了組成異構化反應的選擇性，并提供了對潛在機制的深入了解。理論計算發現不同電荷態異構體的能量分布對于合理化選擇性很重要。尖端誘導的選擇性單分子反應增加了對氧化還原化學的理解。
技術方案：
1、通過STM尖端實現了轉化序列的建立
通過從四環核中除去4個氯原子來創建初始材料，利用位于特定分子上方的原子尖銳的STM針尖來建立變換序列。當氯原子被去除后，4個碳-氯( C-Cl )鍵的碳原子上產生了自由基中心。然后，兩個自由基中心將通過打破環中的C-C鍵而重新耦合。在所有Cl原子離開后，系統留下不穩定的雙自由基，由于結構限制，無法鍵合。作者通過控制脈沖電壓實現了四氯并四苯分子的構建，并將其吸收到銅上生長的薄層鹽，利用STM尖端去除Cl實現了異構體的構建。
2、通過反向電壓實現了反應的反向切換
將產物恢復為雙自由基需要能量，因此是不利的。作者通過使用電壓脈沖將電子注入雙自由基來反轉雙自由基與環丁二烯和炔烴的相對穩定性，使反向切換成為可能。分子能量格局的變化促進了環丁二烯和彎曲炔烴的陰離子形式轉化回自由基陰離子。
3、通過理論計算解析選擇性提高基本機制
在密度泛函理論計算的支持下，作者發現不同電荷狀態下異構體的能量分布對合理的選擇性很重要。尖端誘導的選擇性單分子反應增加了對氧化還原化學的理解，并有希望完成新型分子機器的開發。
圖 STM施加電壓來啟動和控制多個反應
技術優勢：
1、提供了通過控制輸入電壓來實現反應選擇性的方法
通過施加更高的電壓時，實現了炔烴的選擇性生成。而在傳統系統中，由于烯烴的彎曲度更大需要對原始幾何形狀更大的變形，烯環的生成更有利。產物形成的速度與其穩定性之間的這種相互作用提供了一種通過控制輸入電壓來選擇性地制造環丁二烯或彎曲炔烴的方法。
2、實現了不穩定分子的可控相互轉化
通過電壓控制與電子注入的可能性相結合，實現了在三種異構、電子異常和固有不穩定分子之間實現完全受控的相互轉化。解析了具有弱耦合電子的富碳物種中的 C-C 鍵如何可以隨意形成、斷裂和重組。這些新發現的表面化學過程的可能與化學和生物學中的電子催化化學反應有關，并可能為更有效的合成提供可行的捷徑。
技術細節
尖端誘導電化學在單分子反應
作者展示了尖端誘導電化學在單分子反應中獲得化學選擇性的潛力，證明了多個組成異構化反應可以通過來自尖端的電壓脈沖來控制和選擇。通過選擇特定的電壓脈沖，形成了不同的跨環狀共價鍵。合成了四氯并四苯（命名為1），通過熱升華將其沉積在覆蓋有1-3層NaCl的Cu(111)基板上，通過STM尖端誘導四氯并四苯的異構化反應，作者解析了應變異構烴的合理合成路線。
圖 反應方案
四氯并四苯表征
1的AFM圖像解析了相鄰Cl原子之間的空間位阻導致不同的吸附高度，引起的Cl亮度差異。使用來自位于分子上方的探針尖端的電壓脈沖，解離了Cl 原子，并觀察了Cl解離的閾值電壓及隧道電流。此外，還解析了脫氯異構體的結構特征。脫氯中間體2 (C18H8Cl2)的AFM 圖像顯示脫氯側有一個10元環，在三鍵上方表現出鮮明而明亮的特征。這表明以中間體1a作為過渡結構發生了逆伯格曼環化反應。本文首次解析了這些分子是高度應變的，因為它們非?；钴S，之前沒有相關報道。
圖 前體、中間體和產物的AFM圖像
理論計算
結合電子共振的STM測量和密度泛函理論計算，發現電荷狀態以及能量分布對反應選擇性的影響至關重要。通過施加較大的偏置脈沖，可以實現不同異構體之間的可控轉化，施加反向脈沖時，可以實現反應的雙向切換。施加的電壓與分子結構的重排關系密切。實驗和理論共同證明了通過脈沖電壓的控制可以實現單分子結構異構化反應的選擇性。
圖 通過STM、DFT和AFM對產品進行表征
選擇性反應機制
研究結果表明，完成所需的單分子可控轉化需要至少提供2個電子，一個用于帶你和躍遷，另一個在非彈性電子隧穿過程中提供額外的能量，明確了反應是由電子附著而不是由電場單獨觸發的。
圖 尖端誘導轉換
展望
這個分子系統可以按需實現雙自由基、反芳香環和高彎曲的炔之間轉換。不同構型之間相互作用的潛力使得這種變化的分子系統像一把多功能的瑞士軍刀一樣，可以按需隨意轉化。例如，雙自由基可以參與氧化還原反應和自由基反應，環丁二烯體系可以為陽離子過渡金屬提供潛在的結合位點，而應變的炔烴單元可以用于各種反應，如環加成或親核攻擊。通過尖端誘導電化學研究的氧化還原反應中獲得的見解將有助于更好地理解在有機合成和自然中重要的氧化還原反應。對于未來的人工分子機器，在兩種以上不同的組成異構體之間進行可控、可逆和選擇性切換可以實現新的功能。
參考文獻：
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.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo6471
