2023年5月15日，北京大學郭雪峰教授與內蓋夫本古里安大學的Yonatan Dubi教授以及加利福尼亞大學洛杉磯分校的Kendall N. Houk教授合作在《Nature Chemistry》上發表題為“Real-time monitoring of reaction stereochemistry through single-molecule observations of chirality-induced spin selectivity”的研究成果。報道了在單個分子中邁克爾加成、質子轉移和酮-烯醇互變異構過程中手性變化的直接監測。通過單分子結的連續電流測量，研究團隊能夠追蹤反應過程中的手性變化，為探索手性在反應機制中的作用提供了新思路。
提出質疑
科學總是那么的奇妙，也需要質疑的碰撞，這才證明科學的意義在于突破，在于不同觀點中尋找屬于自己的論點，也在于來回駁斥，從而推動科學的進步。2024年9月23日，Venkataraman和Ruitenbeek在《Nature Chemistry》中發表了對郭雪峰教授等人先前工作的質疑，提出了一系列反對意見。具體來說，先前工作中，郭雪峰教授等人聲稱通過測量流經石墨烯基分子器件的電流波動，在冷凍溶劑中發生了具有16kcalmol?1能量障礙的選擇性邁克爾加成反應。然而，文章中存在嚴重的科學錯誤，削弱了他們的結論。此外，Venkataraman和Ruitenbeek指出了多個問題，包括器件制作中的缺陷、缺乏充分的表征、理論與實驗之間的差異、非彈性電子隧穿譜（IETS）的不可靠性，以及將噪聲誤解為反應證據的情況。這些質疑無疑對研究團隊造成了壓力，但同時也為進一步的驗證提供了動力。
正面回應
面對這些質疑，郭雪峰教授團隊及合作者在同期《Nature Chemistry》上發表了回應文章，題為“Reply to: Questioning claims of monitoring the Michael addition reaction at the single-molecule level”。文章強調了幾項關鍵點，充分證明了先前研究的有效性和可靠性。文章詳細闡述了實驗設計的合理性，包括樣品制備、設備設置和數據處理的細節。這些補充信息不僅增加了研究的透明度，也增強了其可重復性。研究團隊重申了通過電流測量監測手性變化的方法的獨特性，強調了其在單分子層面上取得的成果。對于Venkataraman和Ruitenbeek的質疑，郭教授團隊逐一進行了反駁。首先，他們指出，器件的制作過程中采用了嚴格的標準和規范，確保了設備的可靠性。此外，團隊提供了額外的數據支持，表明實驗結果并非偶然，而是由合理的理論和實驗基礎所支撐。 郭教授團隊強調了在數據分析中采用的多重驗證策略，包括與其他實驗結果的比較，以及與理論模型的吻合度。團隊在文中詳細介紹了其研究結果的統計顯著性，證明了手性變化的監測不是由于實驗噪聲，而是真實的化學反應信號。
有力證據
在對Venkataraman和Ruitenbeek的評論進行回應時，郭雪峰教授團隊等人強調了他們在研究中所采用的理論模擬方法的有效性。他們指出，盡管基于密度泛函理論（DFT）的計算存在系統誤差，但不同配置間電流的差異依然能在計算中體現出一致性。這一發現對于理解反應過程中化學物種的行為至關重要。具體而言，研究團隊采用了DFT非平衡格林函數（NEGF）計算傳輸函數的方法，并進行了相應的誤差修正。他們強調，所用的修正因子能夠有效對齊計算的反應物狀態與實驗數據，進一步證實了模型的合理性。此外，作者還展示了在進行高分辨率非彈性電子隧穿譜（IETS）測量時，所采用的實驗條件足以保證數據的可靠性，駁斥了對其有效性的質疑。對于手性變化的監測，楊晨等人闡明了其研究所采用的實驗設置和測量技術，特別是如何利用自旋閥配置量化不同對映體對外加電壓的反應。通過溫度調節，研究者能夠更好地探究CISS效應的物理機制，并提供了新的實驗數據，支持CISS效應的起源假設。 最后，作者總結了他們的研究貢獻，重申了CISS效應在手性監測中的應用潛力。這些成果不僅為理解手性誘導現象提供了新證據，還為未來的研究提供了新的方向，尤其是在探索分子連接處手性變化的機制方面。圖1：溫度依賴性電流記錄 左：在 300 K 和 0.3 V 下單分子邁克爾加成的實時監測。右：在去除反應物和堿后，以 -0.2 K s?1 的冷卻速率實時監測暴露的馬來酰亞胺。未觀察到明顯的電流隨機切換。 1. Yang, C., Li, Y., Zhou, S. et al. Real-time monitoring of reaction stereochemistry through single-molecule observations of chirality-induced spin selectivity. Nat. Chem.15, 972–979 (2023). https://doi.org/10.1038/s41557-023-01212-22.Venkataraman, L., van Ruitenbeek, J. Questioning claims of monitoring the Michael addition reaction at the single-molecule level. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01631-93.Yang, C., Houk, K.N., Dubi, Y. et al. Reply to: Questioning claims of monitoring the Michael addition reaction at the single-molecule level. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01632-8
