有机分子是我们日常使用的材料的基石——从我们的衣服和咖啡杯到我们手机的屏幕显示。控制这些有机分子的反应是设计具有功能特性的材料的关键。

鉴于几乎所有有机分子都含有这些键，以碳氢(CH)键为目标的反应长期以来一直具有科学意义。由莫纳什大学FLEET领导的一项新研究(本周发表在美国化学学会杂志上)发现，单个金原子可能为针对特定CH键的反应提供低能量途径。

化学反应的“圣杯”

“FLEET的目标之一是开发可在低能技术中利用其电子特性的材料，”通讯作者A/AgustinSchiffrin教授说。

有机分子可以作为构建这些材料的有用构件，前提是分子之间的反应可以在原子尺度上进行控制。

碳氢键是有机分子中最常见的键之一。正因为如此，在化学反应中靶向特定CH键的能力被一些研究人员描述为“圣杯”。不幸的是，CH活化反应面临两大挑战：

难以仅针对一个特定的键进行反应(选择性差)。

打破这些键需要大量能量(高活化能)。

莫纳什大学的研究人员发现，单个金原子可能为CH活化提供了一条途径。

研究人员将少量单个金原子与有机9,10-二氰基蒽(DCA)分子结合在银Ag(111)的原子平坦表面上。

“我们使用原子级实验技术——扫描隧道显微镜和原子力显微镜——对样品进行成像和表征，”主要作者、FLEET博士BenjaminLowe解释道。莫纳什的学生。“这些技术揭示了DCA分子的碳原子和金原子之间不寻常的共价键。”

这种共价键的形成表明特定的CH键必须首先被破坏。研究人员与捷克科学院的理论合作者合作，发现了一种反应途径，表明由单个金原子与成对的DCA分子形成的金属有机中间态可以帮助这种反应进行。

值得注意的是，揭示的反应途径只能解释一个特定CH键的CH断裂。研究人员发现打破这种特定的CH键(活化屏障)所需的能量显着降低，从而使反应能够在室温下进行。

FLEET首席研究员AgustinSchiffrin解释说：“这项研究直接解决了两个最大的挑战，即选择性差和高活化屏障，这限制了有机分子中CH键的特异性解离。”“我们的方法可能会打开合成新型有机和金属有机纳米材料的大门，这些材料具有可用于电子、光电子、传感、催化等的特性。”

下一步是什么?

鉴于各个领域对有机分子反应的广泛兴趣，这种有前途的反应具有许多潜在的应用，例如聚合物制造和药物产品的改性。

在FLEET，研究人员希望利用这种选择性和高效的反应来生产具有理想电子特性的原子级薄材料。

论文“SelectiveActivationofAromaticCHBondsCatalyzedbySingleGoldAtomsatRoomTemperature”于2022年11月发表在美国化学会杂志上。

该研究由莫纳什大学物理与天文学院牵头，捷克共和国科学院物理研究所和捷克共和国帕拉茨基大学的共同作者。