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【新闻网】程津培院士课题组:键能方法学创新与当代有机化学的理性发展
2018-07-25

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南开新闻网讯(记者 马超)近日,中国科学院院士、南开大学化学学院教授程津培课题组在化学顶级期刊《美国化学会志》(JACS)上以“键能方法学创新与当代有机化学的理性发展”为题发表了“前瞻性”文章(perspective article)。这也是整个键能领域的首篇“前瞻性”文章。该成果同时被JACS Spotlights作为“亮点研究”进行报道(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b04104,DOI: 10.1021/jacs.8b04104)。

化学反应的本质是通过化学键的断裂和再构实现键的重组。因此,化学键的能量,即键能是控制这一过程最核心的本征要素,是决定反应的内因。近一个世纪以来,键能学的研究取得了许多瞩目成就,这些成果为人们深刻理解化学物质转化的规律和机制、设计新试剂新反应等提供了定量依据,促进了化学研究从传统的“试错”模式向理性设计的演进。然而,近年来随着所研究的有机体系变得越来越复杂(如C-H键活化/官能团化、生物及光催化等),人们用传统的解析方式往往不易观察到键能和反应活性之间简单的对应关系。从而导致对键能的指导价值失去信心,一定程度上也影响了键能学研究的进步。

在该篇文章中,程津培指出,现实研究中键能作用的所谓“失效”,主要是由于人们不恰当地使用键能数据如用传统的线性分析处理多元复杂体系,或者使用了不适宜的键能数据源造成。针对当今化学研究中面临的复杂和多元特征,程津培提出,应改变过去只考虑单一变量的思维模式,多维度、睿智地使用键能来理解复杂的化学反应体系。

结合当前有机化学研究热点,如“质子耦合电子转移”“过渡金属氧化物参与或生物催化的碳氢键活化/官能团化”“新型溶剂离子液体中异裂自由能”(pKa)等,程津培展示了如何“组合”地使用“有机化合物平衡酸度”和氧化还原电位预测质子耦合电子转移反应的活性,如何“互补”地使用共价键断裂和新键生成的能量解读碳氢键活化中“反直觉”的产物选择性,以及如何利用精准的有机化合物平衡酸度测定,揭示离子液体特殊的溶剂化行为和更合理地设计计算模型等。诠释了化学键能在揭示复杂体系的反应规律、指导合成设计、理解反应活性和选择性上的强大功能。此外,作者还客观评价了现有各类“有机化合物平衡酸度”标度的可靠性及适用范围,对该领域存在的挑战及未来的发展趋势进行了展望、并对未来研究应关注的方向提出独到见解。

“虽然过去的十几年,键能相关研究曾入低谷,但这丝毫不能动摇其在化学研究中的核心地位。”程津培指出,键能作为一种最基本、最重要的科学数据,时刻准备着迎接新的挑战,也必将再一次迎来它的黄金时代。

JACS每年发表论文3千余篇,其中仅20篇左右是由主编亲自邀请各重要前沿分支的领军学者,就领域性进展和前瞻撰写的Perspective文章,其对学科发展的重要意义和权威性不言而喻。近年来我国学者在JACS发文的增速独步全球,但以Perspective发表的极少。在JACS Spotlights的报道中对程津培院士团队成果进行了评价:“现今化学界理解化学键的形成、断裂和重组主要依靠对键能数据的细致分析,但是这种分析存在难点:化学键固有的能量与反应性的关系以及系统本身的复杂性都增加了观察难度,利用那些在少见反应情况下获得的键能数据来预测新的反应关系就变得更加困难。程津培院士的团队确定了可以用来量化键能的指标并且验证了这些键能数据是如何正确应用于复杂反应的。这些发现指出了以往以单一变量预测复杂反应的局限性。学界认为,通过程津培团队提出的方法对键能进行测量,比较精确地确定了有机化合物平衡酸度的值,有望对解决化学领域现有的挑战提供帮助。”