清華大學程津培院士課題組:鍵能方法學創新與當代有機化學的理性發展

眾所周知，化學反應的本質是通過化學鍵的斷裂和再構實現鍵的重組。因此，化學鍵的能量，即鍵能（BDE，pKa等），是控制這一過程最核心的本徵要素，是決定反應的內因。近一個世紀以來，鍵能學的研究取得了許多矚目成就，如：積累了大量的各類鍵能參數資源、建立了與化合物結構及反應活性相關的許多線性自由能關係（如著名的Hammett方程、Brφnsted方程等）；這些成果為人們深刻理解化學物質轉化的規律和機制、設計新試劑新反應等提供了定量依據，促進了化學研究從傳統的「試錯」模式向理性設計的演進。然而，近年來隨著所研究的有機體系變得越來越複雜（如C-H鍵活化/官能團化、生物及光催化等），人們用傳統的解析方式往往不易觀察到鍵能和反應活性之間簡單的對應關係。從而導致對鍵能的指導價值失去信心，一定程度上也影響了鍵能學研究的進步。

在該篇關於鍵能學的Perspective文章中，作者指出，現實研究中鍵能作用的所謂「失效」，主要是由於人們不恰當地使用鍵能數據（如用傳統的線性分析處理多元複雜體系），或者使用了不適宜的鍵能數據源造成。針對當今化學研究中面臨的複雜和多元特徵，作者提出應改變過去只考慮單一變量的思維模式，多維度、睿智地使用鍵能來理解複雜的化學反應體系。

結合當前有機化學研究熱點【如質子耦合電子轉移（即PCET）、過渡金屬氧化物參與或生物催化（如P450輔酶）的C-H鍵活化/官能團化、新型溶劑離子液體中異裂自由能（pKa）等）】，作者令人信服地展示了如何「組合」地使用pKa和氧化還原電位預測PCET反應的活性，如何「互補」地使用共價鍵斷裂和新鍵生成的能量解讀C-H鍵活化中「反直覺」的產物選擇性，以及如何利用精準的pKa測定，揭示離子液體特殊的溶劑化行為和更合理地設計計算模型等。詮釋了化學鍵能在揭示複雜體系的反應規律、指導合成設計、理解反應活性和選擇性上的強大功能。此外，作者還客觀評價了現有各類pKa標度的可靠性及適用範圍，對該領域存在的挑戰及未來的發展趨勢進行了展望、並對未來研究應關注的方向提出獨到見解。

雖然過去的十幾年，鍵能相關研究曾入低谷，作者指出，這絲毫不能動搖其在化學研究中的核心地位。鍵能作為一種最基本、最重要的科學數據，時刻準備著迎接新的挑戰，也必將再一次迎來它的黃金時代。

 

作者感謝基金委、教育部、清華大學、南開大學等對該工作的大力支持。