纯物理规律驱动的化学反应：碳链增长的新方式
纯物理规律驱动的化学反应：碳链增长的新方式
电荷“同性相斥，异性相吸”是一个众所周知的基本物理现象。如果来到微观世界，将带电小球微缩至离子级别，同电性相斥的原理同样适用。然而，这种排斥力往往被忽视或未充分应用。在有机化学中，碳链增长是一种经典的反应，其中分子平动能转化为振动能可以有效促进反应的发生。
图1. 两个碳正离子碰撞反应原理图。图片来源：Nat. Commun.
东华理工大学张小平教授与来自吉林大学、中国科学院大连化学物理研究所的科研团队提出了一个大胆的假设：能否利用正电荷之间的排斥力将有机离子的平动能快速转化为振动能，从而诱发一些不受官能团限制的化学反应？为了验证这一假设，为了用实验来验证上述科学假设，团队提出了一种新的反应模型：即充分利用同性电荷之间的排斥力来诱导碳链增长（CCE）反应（图1），该反应可能发生在任意两个带正电荷的有机物质之间。首先，采用常见的离子化手段（如电喷雾电离等）将有机分子（如丙酮）带上正电荷，形成2个有机阳离子（如质子化丙酮，R1a、R1b）。阳离子R1a、R1b的羰基碳原子上的正电荷距离远大于能够观测到电荷排斥效应的作用半径，这时候两个阳离子之间的影响小到可以忽略不计，无法触发它们之间的有效相互排斥作用。接着，采用正电场将这些有机阳离子进行加速，并且使它们相向飞行，当它们的距离逐渐减小时，两阳离子之间的相互作用持续增加，排斥作用逐渐成为主导作用。当距离进一步减小时，两个带有相同电荷的阳离子开始在反应截面边缘接触。由于存在惯性作用，它们仍然会继续靠近对方。一旦距离稍微减少，则将由于二者之间距离过近而导致排斥力直线剧增，导致由正电荷之间的排斥力产生的排斥能显著大于C-C键能，从而诱导较小的阳离子(即离去基团，如典型的甲基、氨基、苯基阳离子)与碳碳骨架之间的链接发生断裂，从而发生离去基团带着一个正电荷离开，与此同时，剩下的骨架残余部分与另外一个阳离子由于惯性而进一步彼此接近，最终因为电子的重新分配而发生牢固的偶联反应，成功地实现了碳链增长，即发生了CCE反应。