在有机合成、生物催化和物理过程中具有重要作用。手性是分子立体构型的固有属性。分子的手性在各种化学、物理，特别是生命过程中起着关键作用。。然而，分子的手性特征（这不可避免地导致集合平均化）对于阐明分子的手性所引起的不同特性至关重要。因此，单分子检测的手性测量仍面临巨大的挑战。

　　在这里，北京大学郭雪峰教授联合内盖夫本古里安大学Yonatan Dubi教授和加利福尼亚大学洛杉矶分校的Kendall N. Houk教授共同报告了在迈克尔加成过程中直接监测手性的变化，然后在单分子中进行质子转移和酮-烯醇同构。利用手性诱导的自旋选择效应，通过单分子结的连续电流测量，揭示了反应过程中的手性变化。高灵敏度的手性鉴定为研究对称性破坏反应提供了一个有前途的工具，并揭示了手性诱导的自旋选择效应本身的起源。相关成果以“Real-time monitoring of reaction stereochemistry through single-molecule observations of chirality-induced spin selectivity”为题发表在《Nature Chemistry》上。第一作者为杨晨，李延伟为共同一作。

　　手性对称性破坏反应的一个典型例子是1,3-二羰基化合物对马来酰亚胺的迈克尔加成。碱活化的碳原子的攻击在马来酰亚胺中产生了一个手性中心，随后是氢转移和酮烯醇同构化--这是有机合成和生物学中的两个重要过程（图1a）。破解这一机制，澄清决定速度的步骤（RDS），识别和解决手性问题是优化反应产量和效率的关键步骤。为了原位监测这样的反应，作者开发了一个混合单分子结设置，包括金属-石墨烯-分子纳米电路与一个特殊的磁化铁磁电极（图1b）

　　为了对反应进行完整的监测，作者在恒定的偏置电压（0.3V）下进行了电流测量（I-t测量）。在乙醇中加入反应物（乙酰乙酸乙酯；1μM）和碱（乙醇钠；1μM）后，观察到四个不同的电流水平（图2a）。通过比较I-t曲线和马来酰亚胺的曲线，可以确定反应物状态。由I-t图解决的其他三种反应状态可以被确定如下。状态2被归结为迈克尔加成的产物状态。状态3对应于迈克尔加成的电荷中性产物状态（H-PS），状态4是H-PS的烯醇形式，显示了可逆的酮-烯醇同构性。在图2a（右）中，作者绘制了上述四个反应状态的电流分布。图2b提供了这四个成分的计算I-V曲线。分布的最大值与理论计算的通过状态1-4的电流很一致（图2b），进一步证实了不同的I-t信号分配给反应的不同步骤。

　　利用对反应轨迹的定量分析，作者得出了上述过程的动力学和热力学参数，发现质子转移步骤是RDS。此外，RDS可以通过增加电压偏压来改变，从而可以操纵单分子装置中的化学反应（图2c,d）。实验得出的不同偏压下的反应速率与不同外部电场下计算出的能量屏障很一致（图2d）。随着偏置电压的增加，RDS从质子转移转移到迈克尔加成（图2c），而由于仪器的时间分辨率（∼17μs），对应于较快过程的信号消失了。

　　具有固定构型（S）的手性单分子产品（H-PSs）是通过马来酰亚胺和乙酰乙酸乙酯在三氟乙酸中的手性2-氨基苯并咪唑（图3a）催化下的反应制备的。I-V曲线K的温度范围内用的（未磁化的）Ni电极测量的（图3b）。然后通过施加平行于（和反平行于）其轴线的±T磁场对镍电极进行半岛官方体育磁化，并测量了稳定的H-PS物种的相应I-V曲线c-g）。与那些未被磁化的镍电极相比，这些I-V曲线显示了低温下CISS效应的明显特征。

　　利用分子参数，作者再使用空间界面理论拟合2K时的自旋依赖曲线c），其中提取的参数是Au自旋轨道耦合αA和自旋扭矩耦合α1。使用拟合参数，作者随后模拟了T = 10、20、50和150 K时的自旋相关曲线d-g中的实线）。随着温度的升高，CISS效应消失，这是因为温度引起的表面磁化的波动和费米分布的扩大。最后，不同温度下的极化P(V)显示了数据和理论之间的紧密配合（图3h）。数据和模拟之间的极好的一致性强烈支持了作者模型的有效性，并证实了CISS效应的空间界面机制。

　　这里描述的测量平台使作者能够超越CISS效应的常规测量，并在原位和实时监测分子分子的手性的变化。这种监测可以通过在没有手性催化剂的情况下冷却反应体系来实现（图4a）。对于一个固定的Ni磁化，翻转分子的手性会逆转多数和少数自旋载体的作用，导致电流的突然变化。

　　手性的实时监测在两个方面受到温度的影响：（1）CISS效应在大约120K时消失；（2）在低温下反应活性降低。然而半岛官方体育，反应可以通过施加强大的偏置电压被推到较低的温度。受益于随之而来的高电压下的外部电场，迈克尔加成的过渡状态可以减少（图4b）。使用一个相对较大的偏置电压使作者能够将温度降低到～60K，并且仍然观察到反应。然后作者记录了反应系统在60-120K时的I-t曲线，镍电极的磁化程度为+2T，偏置电压为0.3V（图4c-i）。图4c-i的中间一栏是左栏所示阴影区域的放大图，而图4c-i的右栏是电流水平的柱状图。在60K时，测量结果清楚地显示了两个对映体，从而证明了作者检测手性翻转的能力。

　　与温度有关的I-t测量进一步说明了迈克尔加成的情况。随着温度的升高，更快的R/S切换表明了更高的反应速率（图4c-i），这与阿伦尼乌斯公式一致。同时，马来酰亚胺状态（图4h-j；低电流峰值）逐渐出现（图4g-i），意味着平衡状态的转变。

　　如上所述，对单分子结中电流的实时监测使作者能够跟踪复杂的手性对称反应的各个步骤，并确定由此产生的化学产品的手性。这以迈克尔加成为例，其中反应的不同步骤都有特定的电流-电压反应，这可以用电来检测。为了检测手性产物，作者使用了分子结的自旋阀设置。这种设置在不同的温度下应用，使作者能够通过CISS效应量化不同对映体对外加电压的反应。这些数据成功地适应了基于CISS效应的空间界面理论的模型，为CISS效应的（高度争论）起源提供了新的线索。最后，作者证明了CISS效应可以被用来跟半岛官方体育踪分子连接处的手性变化。

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