电子催化的主客体识别
众所周知，电子是一种基本粒子。我们中学都学过，在化学反应中，原子或分子中电子的得失往往意味着化学反应的发生。因此，我们通常认为电子是直接参与化学反应的最重要的媒介。除此之外，电子对于化学反应其实还具有更多意义和价值。早在2014年，科学家们就指出，电子在化学反应中还可以充当催化剂的角色。这一观点不仅进一步扩大了催化剂的研究范畴，还将电子在化学反应中的重要性又提高了一个等级。类似于共价键和配位键的生成与断裂，部分主客体之间的络合与解络合作用可以被看做能垒较低的“化学反应”。在某些刺激响应性的主客体络合物中，人们可以通过外加刺激信号，通过调整主体或客体的电子云密度或电荷来控制弱键的形成与破坏，因此我们可以看到，电子在这种弱相互作用主导的非共价键的形成与解离方面也同样占据着重要的地位。
J. F. Stoddart，诺奖得主，出生于1942年，现年80岁。
受到电子催化模式的启发，近日，美国西北大学J. F. Stoddart课题组实现了基于电子催化的主客体络合，该工作以题为“Electron-catalysed molecular recognition”发表在《Nature》上。该工作的第一作者为焦阳博士与邱允俨博士。
【原理介绍】
作者设计了通过使用外加少量“电子”来调控本来不能络合的主客体之间的络合。如下图所示，主体仍然选择该课题组长期发展的吡啶大环，只不过在初始状态中该大环为双阳离子双自由基状态（R2(·+)）。客体设计为一端为3，5-二异丙基苯基的大位阻基团，另一端为3，5-二甲基吡啶阳离子的端基（PY+），轴上是单阳离子单自由基形式的吡啶盐（D+(·+)）。通过外加电子源试剂提供的电子，可以将R2(·+)或D+(·+)转变为R·+或D+ 。这种转变可以降低主客体之间的库伦斥力。通过量子化学计算，可知在加入电子使主体或客体还原后，R2(·+)穿过客体D+的PY+端基，以及R·+穿过客体D+(·+)的PY+端基的能垒分别为8.8或9.3 kcal mol-1，相比于加电子之前的R2(·+)-D+(·+)状态的结合能垒15.0 kcal mol-1都要低。较低的络合能垒促进了主客体络合物顺利络合，形成一种关键中间体。随后该中间体可以释放电子转变为三自由基络合物，释放的电子可以继续还原下一个主体-客体对。即使主客体之间的络合在常规条件下是动力学禁止的，但通过这种方式，可以实现少量的电子即可催化大量主客体之间的络合。
图1. 电子催化识别的原理
【原理实现】
为了验证该机理的可行性，作者首先测试了常规条件下主体R2(·+)和客体D+(·+)之间的络合作用。将二者溶解于乙腈中，通过近红外谱及荧光紫外谱检测发现，经过大约10小时后，仅有极少量的主客体之间发生了络合。这表明客体上的能垒阻碍了主客体之间的络合作用。通过加入月4 mol%的二茂钴CoCp2作为电子供体，作者在近红外谱中观察到了1080 nm的吸收峰的出现，该峰是三自由基络合物的特征峰，同时在600 nm处的BIPY·+的吸收峰也同时出现。这进一步印证了以上原理的可行性。在70分钟内，该反应达到稳定。通过动力学计算，可以发现加入二茂钴后主客体之间的络合速率比不加时加快了640倍。增加二茂钴的量到4 mol%到8 mol%，可以显著加快络合速率，在10分钟内即可使反应完成。降低二茂钴的量致4 mol%到2 mol%然后再到1 mol%，络合速率则会减慢。
图2. 红外谱检测主客体络合物的形成
【络合机理探索】
为了进一步探索分子识别机理，作者将整个电子催化的过程拆分为单独的步骤进行。
第一步是将1当量的二茂钴加入等量混合的主体R2(·+)和客体D+(·+)中。在近红外谱中可以瞬间观察到1700 nm处吸收峰的出现，该吸收峰是双自由基络合物，及原理介绍部分关键中间体的特征吸收峰。
第二步是进一步加入过量的主体R2(·+)和客体D+(·+)，通过吸收峰的位移，可以判断溶液中双自由基络合物向三自由基络合物的转变。
为了进一步验证双自由基络合物关键中间体的存在，作者设计合成了一个索烃Cat6+。通过逐步滴加二茂钴，可以使六个正电荷的索烃Cat6+转变为三自由基形式Cat3(·+)。进一步滴加二茂钴，溶液的颜色由蓝紫色转变为棕色，红外吸收峰从1080 nm逐渐转变为双自由基在1640 nm的特征吸收。此外，作者还获得了双自由基索烃的单晶结构，进一步验证了中间体的存在。在这一过程中，电子是催化剂，二茂钴只是电子的“载具”。因此，只要各物种的氧化还原电势搭配合理，原则上应该可以有较多的物种可以充当该过程中的还原剂。
图3. 络合机理探索及关键中间体的验证
【电极控制的络合】
由于电子的催化作用，所以在调控过程中可以不拘泥与加入化学物质来进行氧化环氧反应，通过加入电极，也可以控制该过程。作者推测，如果 BIPY(0) 和 BIPY2+ 的寿命足够长于分子识别所需的时间，那么电极处电子的注入和去除可以促进 R2(•+) 和 D+(•+) 之间的络合。
由于R2(·+)和D+(·+)都含有 BIPY·+ 自由基阳离子，可以从电极接受/失去电子，因此在电化学过程中有几种可能的分子识别途径。其中一种可能是，阴极还原和阳极氧化都施加在R2(·+)上，分别产生等量的R·+ 和R2+(·+)。电化学引发后，部分R·+可以与D+(·+)快速结合，形成[D⊂R]+2(·+)双自由基复合物。随后，该中间体可以与 R2(·+) 进行 单电子转移（SET），生成 [D⊂R]+3(·+) 三自由基复合物作为最终产物，并生成新的R·+以重新启动循环。当[D⊂R]+2(·+)双自由基配合物与R2+(·+)发生SET以回收R2(·+)作为起始材料或将电子回传 (BET) 到阳极时，催化循环终止并生成 [D⊂R]+3(·+) 三自由基复合体。通过增加电解条件例如电流和搅拌速度等，可以显著加快分子识别速度。例如将电解电流从0.5 mA增加到1.0 和2.0 mA，可以增加主客体络合物的识别速度。增加搅拌速度则会减慢识别的速率。
图4. 电极催化的络合
总结，该工作提出了一种全新的主客体识别方式，打破了传统主客体络合物的研究和应用策略。将为超分子化学领域做出开创性的贡献。