纳米空间，静电控制的环化反应

来源：X一MOL资讯

酶是一类具有高度选择性的催化剂。传统的“锁钥理论”认为，当酶的结构和底物的空间结构相互契合时，催化反应就可以发生。但是，由于蛋白质结构的复杂性，很难界定和分析催化背后每一个非共价键作用给出的贡献。一般认为，底物周围的静电势能够稳定过渡态从而降低反应的活化能，化学家们已经通过一些方式检验了静电势对反应的催化作用。例如，使用高浓度的离子化合物来实现电势的控制，从而催化各类化学反应；或是使用定向的外加电场来实现对反应的精准控制。

超分子化学家如今已经能够很熟练的通过包裹反应物达到催化或是化学计量的反应选择性控制。但是到目前为止，还没有系统地对静电势在反应中作用进行研究，这主要是由两个原因造成的：一是在有机溶剂中都不涉及到带有电荷的主体，二是虽然在水溶液中的主体会有不同的正负电荷，但是主体的结构往往相差很大，这就使得系统地研究静电势对反应变得很困难。

近日，美国杜兰大学的Bruce Gibb课题组设计合成了两个结构几乎完全相同、带有完全相反电荷的主体1a和1b，用相对简单的模型模拟了酶催化过程中电势对反应的影响。该模型实现了对环化反应速度的控制，并揭示了库仑力对反应的影响。成果发表在J. Am. Chem. Soc.，主要完成者是杜兰大学化学系的王开亚博士，蔡晓阳和姚魏博士研究生，理论计算由化工系的唐都博士完成。

图1. 带有八个正电和八个负电的主体1a和1b形成二聚物及其电势模拟。图片来源：JACS

主体1a和1b在水中会通过憎水效应形成二聚物，可以包裹各类分子比如胆固醇、脂肪酸、烷烃分子，并形成各种构型比如直线型、J型、U型等。图2是其包裹不饱和脂肪酸甲酯的例子，其构型可以通过调整双建的位置来控制。

图2. 1a2包裹不饱和脂肪酸甲酯形成了不同的构型。图片来源：J. Org. Chem., 2017, 82, 4279

正是因为观察到了如上图所示的弯曲构型，作者在烷烃链的两端引入了硫醇和溴基，此类化合物在自由状态下可以形成聚合物，而当其被限制在主体分子中时，只会发生分子内反应形成环状分子。当烷基链很短时，在主体里是直线构型，这样硫醇和溴基相隔较远，反应速率很慢，随着烷基链的增加，客体在主体中的构型由直线转变为弯曲构象，反应速率也随着链的增长而增加。另外，结果还显示，在带正电荷的主体中反应速率显著提高，这是由于反应过程中的带负电的过渡态能够被稳定。

图3. 不同静电势下的环化反应。图片来源：JACS

文中通过核磁的手段发现，硫醇的pKa值在两个不同的空腔内出现了不同程度的变化——在正电主体中硫醇的酸性变强，而在负电主体中酸性几乎不变或略微变弱。这也解释了反应为什么在正电主体中反应速度变快。根据公式计算（ΔΔG = 2.3RTΔpKa），在两个主体中，客体的吉布斯自由能相差13 kJ/mol，Eying 方程分析也佐证了上述的实验结果。

图4. 环化反应在两个不同主体里热力学参数以及反应的半衰期。图片来源：JACS

总结

Bruce Gibb课题组通过两个具有同样结构、不同电荷的超分子主体，验证了静电势对环化反应的影响。正电主体能够降低反应的活化能从而极大地提高反应速率，这一发现对于后续的纳米反应器设计提供了指导意义。