在诸如药物设计或材料开发等化学实验中，常常需要判断哪类“亲电子”官能团更易参与反应。本研究受到“旋转陀螺”的启发，设计出一种可旋转的“分子探针”。它类似一个微型风车：中心固定，外围的苯环可以自由转动。当苯环旋转至特定位置（过渡态）时，所安装的亲电子基团会靠近分子内部的羰基氧原子（亲电子探针）。 我们发现，亲电子性越强的基团，其与亲电子探针之间形成的非共价作用力越强，从而降低旋转能垒并加快旋转速率。相反，较温和的亲电子基团与羰基氧原子之间作用较弱，旋转能垒升高，旋转速率减慢。图 1a 展示了不同亲电子基团对应的旋转能垒。 于是我们用旋转所需能量的变化来表示亲电子性，称为 ERB 值。结果显示，这个方法不仅能准确区分多种类型的亲电子基团，还适用于一些常见的有机反应，比如 Michael 加成、SN2 和 SNAr 反应，以及钯催化偶联等。 “分子转子”之所以能适用于这些有机反应的反应性，是因为其旋转过程中所经历的过渡态在结构上模拟了这些反应的真实过渡态。以迈克尔加成为例，分子转子羰基氧在旋转过渡态中靠近并与亲电子基团形成非共价相互作用，模拟了亲核试剂进攻亲电子中心时的关键相互作用（图1b）。这种相互作用的强弱决定了转子的旋转势垒，从而间接反映了亲电子基团在实际反应中的反应性。 更重要的是，ERB 的适用范围极广，从温和到极强的亲电子基团均可预测，且无需更换亲电子探针，方法简洁高效。同时，理论计算也能很好地再现实验结果，使得我们可以轻松地计算出“分子转子”的旋转能垒，有助于预测某些在合成或测量上具有挑战性的亲电子基团。 通过“分子转子”，我们把过去难以量化的微观相互作用变成了一个可以测量和比较的标尺，为筛选底物、开发新反应和教学演示提供了一种全新的工具。下一步，我们希望将这一策略推广至杂原子亲电子中心及更复杂的生物活性分子体系中，助力更多科研人员拓展其研究应用。
图1 分子陀螺旋转势垒示意图。
论文信息 Molecular Rotors as Reactivity Probes: Predicting Electrophilicity from the Speed of Rotation Dr. Hao Liu, Xiaolong Huang, Dr. Binzhou Lin, Harrison M. Scott, Dr. Ishwor Karki, Dr. Erik C. Vik, Dr. Perry J. Pellechia, Prof. Ken D. Shimizu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202510556
