JACS：华东理工刘培念/李登远课题组表面合成领域最新研究成果！

二维晶体到晶体的转化是一种重要的分子晶体制备方法，可以通过不同的化学反应实现从一种晶体直接向其它各种晶体材料的转化，在晶体工程领域展现出独特的优势。晶体到晶体的转化是一种复杂的动态过程，涉及到共价键的断裂和形成，各种瞬态中间体中分子的几何形状、构型和构象，以及各种晶体微结构的变化。因此，在固体基底表面实现高化学选择性和高立体选择性的二维晶体到晶体的转化仍然是一个巨大的挑战。

近日，华东理工大学刘培念教授/李登远副教授课题组通过异腈的表面[1+1+1]环加成反应，原位制备了基于C–H···Cl氢键作用的二维三轴烯晶体，并发展了高化学选择性和立体选择性保持的逆-[2+1]环加成反应，实现了从异腈向三轴烯到累积三烯二维晶体的定向转化（图一）。通过扫描隧道显微镜（STM）和非接触原子力显微镜（nc-AFM）直接观察到了多种二维晶体转变过程中的关键反应中间体，并结合理论计算阐明了逆-[2+1]环加成反应涉及到三元碳环的开环、次序性的脱氯/氢钝化和脱异腈的过程，并且三轴烯到累积三烯二维晶体转化是一种逐步外延生长机制。

基于异腈成环/开环反应的二维晶体转化：

图一：从异腈向三轴烯到累积三烯二维晶体的定向转化

首先，设计合成了氯代联苯异腈前体分子Cl-ICBP，成功地在Ag(111)表面进行了高化学和非对映选择性的表面[1+1+1]环加成反应，得到了具有同向构型的三轴烯分子；然后通过C–H···Cl氢键作用实现了对映选择性的三轴烯分子识别和组装，原位制备了雪花状多孔型的二维三轴烯晶体。随后，373 K下退火发现雪花状多孔型二维三轴烯晶体发生了相变，部分结构转化成了更稳定的具有周期性的三角孔型二维三轴烯结构（图二和三）。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

图二：二维三轴烯晶体的形成和相变

图三：二维三轴烯晶体的高分辨率结构表征

进一步退火至393-433 K后，规整的三轴烯相完全消失，少量规整的累积三烯相出现。在不规整相中，我们直接观察到了各种逆-[2+1]环加成反应的中间体，包括三轴烯开环中间体、脱氯和脱异腈后形成的反式累积三烯金属有机中间体和少量顺式累积三烯（图四和五）。这些中间体的直接观察说明了逆-[2+1]环加成反应涉及到三元碳环的开环、脱氯、氢钝化和脱异腈的过程。

图四：直接观测三轴烯到累积三烯转化的中间体

图五：两个反向平行C-Ag···N键连接的累积三烯短链的高分辨结构表征

当退火到513-553 K后，成功制备出大面积二维反式累积三烯晶体。高分辨的STM和nc-AFM结构表征表明，新形成的二维晶体是由反式累积三烯、Ag和Cl吸附原子组成。反式累积三烯和Ag吸附原子通过选择性的N–Ag–N配位反应形成了同向构型的Ag配位反式累积三烯链，然后与表面吸附的Cl原子通过C–H···Cl氢键作用，最终形成了大面积、稳定的二维反式累积三烯晶体（图六和七）。

图六：形成的二维累积三烯晶体

图七:二维累积三烯晶体的高分辨结构表征

为了阐明三轴烯向累积三烯转化的反应机理，对包括三元碳环的开环、脱氯、氢钝化和脱异腈过程进行了理论计算。结果表明，开环和脱氯反应具有相似的能垒；脱异腈反应是能垒最高的过程，氢钝化是能量低的过程。结合实验结果和理论计算，提出了一种立体选择性保持的逆-[2+1]环加成反应机理，即三轴烯首先发生开环反应释放环张力，形成开环中间体I，中间体I依次进行脱氯/氢钝化以得到开环中间体II。最后，II经过立体选择性保持的脱异腈反应得到反式累积三烯产物，同时释放异腈单体（图八）。

图八:理论计算的三轴烯向累积三烯转化路径

为了探索三轴烯向累积三烯二维晶体转化的过程，我们对含有二维三轴烯晶体的样品进行了程序性退火和大规模STM成像。在433 K下对三轴烯样品进行退火后，偶尔会观察到被不规整相包围的相对规整、带有明显突起的累积三烯相；进一步在473 K下退火后发现相对规整、带有明显突起的累积三烯相的尺寸增加，同时不规整相的大小和数量减少；当同一样品进一步退火到513 K时，表面以平面规整的累积三烯相为主，尺寸可达到亚微米级，其中明显的突起部分几乎完全消失。这些实验结果表明，三轴烯向累积三烯二维晶体转变是一种逐步外延生长机制，其过程涉及高化学和立体选择性保持的逆-[2+1]环加成反应以及基于N–Ag–N配位反应和C–H···Cl氢键作用的对映选择性分子识别和组装（图九）。

图九:二维累积三烯晶体的逐步外延生长

相关成果近期以“Two-Dimensional Crystal Transition from Radialene to Cumulene on Ag(111) via Retro-[2+1] Cycloaddition”为题发表于J. Am. Chem. Soc. 2023, doi:10.1021/jacs.3c00962。该论文的通讯作者是华东理工大学化学与分子工程学院刘培念教授和李登远副教授，第一作者为该课题组博士研究生刘建伟、王瑛和亢丽霞。该研究工作得到了国家杰出青年科学基金等研究经费的资助。