2023年3月15日，Nature Chemistry杂志上报道了一篇来自北京大学郭雪峰教授团队的一篇重磅研究成果，标题为“Real-time monitoring of reaction stereochemistry through single-molecule observations of chirality-induced spin selectivity”。该成果报道了在单分子接头中进行迈克尔加成反应、质子转移和酮-烯醇互变异构的过程中实时监测立体化学变化的情况。作者利用手性诱导自旋选择性(CISS)效应，通过连续电流测量检测到了手性中间体的形成及后续反应步骤。这种方法为研究破坏对称性的反应提供了一种有前景的工具，并为CISS效应本身的起源提供了启示。
2024年9月23日，该工作受到了来自荷兰莱顿大学的Jan van Ruitenbeek教授及美国哥伦比亚大学Latha Venkataraman教授团队的公开质疑。质疑者在Nature Chemistry以题为“Questioning claims of monitoring the Michael addition reaction at the single-molecule level”的形式一一指出了文章中存在的各项漏洞。在该文章中，作者主要提出，该工作中的存在的主要问题包括器件制造方面的问题、缺乏表征、理论与实验之间的差异、非弹性电子隧穿光谱（IETS）的不可靠性以及将噪声误解为反应证据等几项问题。首先，质疑者声称，该工作中的器件的制造留下了许多未知因素。质疑者表示，文章作者描述的实验基于石墨烯电极的制造，这些电极之间隔开一小段距离，应该允许单个分子进行桥接。然而，电子束制造方法的精确度不足以实现可控的间隙距离。尽管作者声称石墨烯电极以羧基终止，但这尚未得到实验证实。且没有提供对分子桥接几何形状的独立验证。桥接分子的六个苯基也可能通过π堆叠在石墨烯上方结合，从而为许多不同的结合构象留出空间，而所描述的实验均未排除这种替代结合方式。其次，质疑者认为工作中测量电路的大小也存在问题，缺失了8个数量级！该部分的主要问题在于，论文作者没有遵循文献中已有的验证单分子导电性（或电流）的方法，即通过测量与已知产品相同的特征单分子导电性来验证。相反，作者选择使用基于密度泛函理论（DFT）的计算来确认测量到的电流可以归因于单分子连接。然而，通过比较实验数据和DFT计算结果，质疑者发现计算出的电流比实验测量值小了8个数量级。而DFT计算的已知误差通常会导致理论值过高，而不是过低，尤其是不会低8个数量级。因此，质疑者认为，50-300纳安培范围内的电流在0.3伏偏压下测量到的六苯基衍生物的电流不能归因于单分子连接。第三，质疑了论文作者使用非弹性电子隧穿光谱（IETS）作为支持单分子连接石墨烯电极的证据。质疑者指出，IETS光谱的记录需要较长的平均时间，而且通常很难获得可重复的光谱。由于实验中使用的调制电压为21.2毫伏，这限制了光谱峰的分辨率为36毫伏。然而，补充材料图中两个最显著的峰宽度仅为5毫伏，这与预期的分辨率不符，因此不能将这些信号解释为IETS信号。质疑者认为，这些数据的可靠性存在问题，因为实验中使用的调制电压限制了能够观察到的光谱峰的宽度。第四，质疑了论文作者声称的在冷冻溶剂中进行Michael加成反应的可能性。质疑者指出，论文作者声称在低于120K的温度下，在乙醇中进行了Michael加成反应，而乙醇的冰点为160K。要在160K的乙醇中进行Michael加成反应，需要使用标准的化学表征技术来证明反应确实发生了，但论文作者显然并没有这样做。此外，质疑者还对反应的能量学提出了质疑。他们指出，Michael加成反应通常需要在酸性条件下进行，并且需要催化剂来确保高产率。论文作者声称在2.57V/nm的电场下，理论反应能垒可以从16kcal/mol降低到2kcal/mol，但质疑者认为，要达到这样的电场强度，需要的偏压远超过实验中使用的300mV，即使在电场作用下，反应能垒的降低也不太可能达到论文作者所声称的程度。质疑者还提到Michael加成反应有六种可能的产物，但论文作者在他们的工作中只考虑了其中两种涉及质子转移的产物，而没有给出合理的解释。质疑者认为，没有充分的理由可以排除其他可能的产物，因此文章中的结论存在问题。最后，质疑者对论文作者声称的通过实时监测电流波动来观察Michael加成反应提出了质疑。在文章中，论文作者认为电流的波动是由于1,3-二羰基化合物与马来酰亚胺结合导致的，并将这种电流波动解释为实时观察到的Michael加成反应的证据。然而，质疑者指出，这种电流波动实际上是随机噪声（RTN），这是一种在许多纳米尺度系统中广泛研究和观察到的现象，可能由多种物理原因引起。尽管RTN可能由提出的反应在测量时间内发生，但观察到RTN并不能证明化学反应正在进行。质疑者进一步批评了论文作者的控制实验，这些实验目的在于验证在没有反应物的情况下RTN信号是否消失。质疑者认为这些控制实验是不充分的，因为它们使用的是不同的设备，并且电流远低于实验的电流。质疑者指出，RTN是由电流（和电压）激活的，因此有效的控制应该使用相同的设备和相同的电流。补充材料中的电流，尤其是在较低温度下，比实验中显示的电流小了多达30倍。对于较低的电流，RTN可能会消失。质疑者还指出，补充材料中每个温度下的电流都是不同的，并且随着温度的降低而系统地降低。在较低温度下，RTN会更加明显，为了避免开关出现，需要限制电流偏置。关注到相关质疑后，郭雪峰团队反应迅速，2个半月后即在Nature Chemistry杂质上刊登文章“Reply to: Questioning claims of monitoring the Michael addition reaction at the single-molecule level”，回应了相关质疑。首先，论文作者回应了关于他们实验数据解释的疑问。他们首先指出，在基于密度泛函理论（DFT）的理论模拟中，他们并不期望得到与实验电流值完全一致的数值，因为DFT计算有其局限性，并且石墨烯-分子-石墨烯单分子结（SMJs）的结构复杂。他们的目标是通过计算不同构型之间的电流差异来展示其一致性。他们采用了一种方法来纠正理论计算中的系统误差。首先计算了DFT非平衡格林函数（NEGF）下的透射函数，只考虑反应物状态的电流，通过一个因子来匹配计算电流与测量电流的值。之后，将这个因子应用于其他三种物种的计算I-V曲线上。最后，根据这个校正因子来修正电流值。作者强调，这种评估I-V曲线的方法虽然近似，但能够很好地代表测量数据，从而支持他们对数据的解释。他们还指出，用于校正反应物状态计算的相同因子也适用于其他三种状态的电流，无需额外的校正，这表明DFT计算中确实存在系统误差。其次，论文作者回应了关于他们能否测量可靠的非弹性电子隧穿光谱（IETS）的质疑。他们指出，考虑到他们测量的反应具有2.57 V/nm下2 kcal/mol的能量势垒，根据Eyring方程，反应速率在2 K下估计为10-20 s-1，这意味着在更低的电场强度下，反应速率会更慢。因此，目标物种的停留时间（超过10200年）是足够的，可以测量IETS。作者进一步解释说，他们测量的这种单分子结（SMJ）在不同温度和电压下显示出稳定的电流，并且频率直方图可以用一个高斯峰拟合，几乎没有噪声。他们还提供了一个控制实验，表明在0到1秒的时间内，没有观察到明显的电流随机切换，这支持了他们的假设，即观察到的信号确实是由于不同的化学物种引起的。第三，论文作者讨论了他们如何实现对化学反应包括手性转变的实时监测。他们指出，由于石墨烯电极的共价键合界面和高稳定性，显著提高了单分子结（SMJ）的稳定性，并大大减少了由于金属-分子界面重构导致的随机信号。他们的测量集中在单个分子上，并且指出在任何温度下都不存在相的概念。作者提供了额外的控制实验数据，显示在没有化学反应的情况下，测量的SMJ显示出稳定的电流，并且电流的频率直方图可以用一个高斯峰拟合，几乎没有噪声。他们还指出，在低温度下，没有观察到明显的电流随机切换，这表明在低温度下没有激活明显的随机噪声。此外，作者还提到，他们能够成功监测到Michael加成反应，并且通过在相同设备上监测裸马来酰亚胺的实时电流，并伴随着温度的降低，表明在低温度下没有观察到明显的电流随机切换。这进一步支持了他们的观点，即监测到的电流变化确实是由于化学反应引起的，而不是由于其他随机过程。
图1. 温度相关的电流记录。左：在300 K和0.3 V下实时监测单分子迈克尔加成。右：在去除反应物和碱后，以-0.2 K s-1的冷却速率实时监测裸马来酰亚胺。没有观察到电流的明显随机切换。质疑者和论文作者各自都拿出了对自己有利的证据和说法，论战还在继续……来源：高分子科学前沿。内容仅做学术分享之用，版权归原作者所有，若涉及侵权等行为，请联系我们删除，万分感谢！
