近日，美國杜克大學胡藝馨博士和所在團隊，合成了一些官能團。
圖 | 胡藝馨（來源：胡藝馨）
相比普通的碳-碳鍵，這些官能團中包含的化學鍵更弱一些，進而可以在盡量不摧毀普通碳-碳鍵的同時，組織一些鍵發生斷裂，借此擴大了機械酸化學的潛在應用。
本次成果最大應用前景在于：能将氟化氫安全、穩定地儲存在高分子固體材料中，并且可以使其在機械力的刺激之下高效地釋放。
同時，當處于空氣中的時候，在水分的參與之下，高分子固體材料會開始降解、并逐漸液化。
此外，高分子固體材料還能以原位的方式産生氟化氫，這會讓氟化氫的分布更加均勻，更加友善進行高分子鍊官能團反應等後續反應。
據介紹，高分子力化學——主要通過高分子鍊傳導機械力，使得鍊上特定的化學鍵或官能團，在外力的參與之下發生化學反應。
有時，這些機械力參與的化學反應，可以生成一些獨特的化學産物，并且這些産物無法通過熱或光來激活生成。
在日常生活中，力化學可謂無處不在。僅僅是撕開一個包裝袋，就包含一些力化學原理。
此前，學界已經造出不少類别的力響應官能團。在受到外界力的作用之後，有的會發生顔色變化，有的可以産生熒光，有的可以釋放小分子。
在該領域之内，研究重點之一便是設計力化學基團，并将它們嵌入高分子鍊上，讓高分子材料在機械力的刺激之下，可以釋放小分子。
受益于所釋放小分子的性質，上述政策理論上可以讓力響應高分子材料實作各種新功能。
此前，胡藝馨所在團隊以及另一隻團隊曾相繼報道過幾種可以釋放氯化氫小分子（HCl）的力化學基團。
氯化氫的水溶液就是人們常說的鹽酸。憑借自身的酸性，鹽酸可以催化各種水解與聚合反應，在工業中有着廣泛用途。
氯離子，是一個很好的離去基團。從化學原理來說，通過機械力，可以很容易地釋放氯化氫（HCl）。
于是，該課題組将注意力轉移到氟化氫（HF）上，因為它與氯化氫（HCl）非常類似，但又非常特别。
同時，他們将研究目标定為：能否設計、并合成出一種力響應釋放氟化氫的力化學基團？
和氯離子不同的是，氟離子并不是一個出色的離去基團。是以，力響應生成氯化氫的設計思路，并不能簡單地移植到力響應生成氟化氫上。
目前，沒有任何一個力響應官能團可以釋放氟化氫。因為氫氟酸具有強腐蝕性，是以無論是儲存、還是使用都存在危險性。
而如果一個高分子可以在簡單、直接的外界刺激之下，就可以釋放氟化氫，而且高分子本身具備熱穩定的特點。那麼，在氟化氫的使用和儲存，就會極大提升其安全性和便捷性。
同時，氟化氫中氟離子的應用，也可以拓寬質子的應用。比如，氟離子可以與矽醚官能團發生反應。
之前，該課題組曾經開展過釋放氯化氫的研究，而本次研究正是基于上一研究。然而，他們依然沒有十足的把握，能讓氟離子離去。
于是他們做了兩個結構：一個是甲基取代的 gem-difluorocyclopropane（gDFC）（M1）,還有一個是烷氧基取代的 gDFC（M2）。
結果，他們發現開環結構包含了氟離子遷移，這是因為氧原子的取代，導緻了開環結構的變化。而之前在沒有氧原子取代的 gDFC 中，并沒有發現氟離子遷移的情況。
為此，胡藝馨所在團隊的合作者，開展了分子動力學模拟，嘗試解釋氟離子遷移的原理。
通過進一步研究，他們發現雖然兩者在結構上存在相似性，但是碳取代基數量不同，導緻在化學反應結果上出現了顯著差别。
據介紹，M1 在超聲之後開環結構開始變得穩定；而 M2 在超聲之後的開環結構開始變得不穩定，并且會在有水的情況下發生水解，進而使高分子鍊斷裂，進而釋放出來氟化氫。
圖 | 兩個不同力響應基團的區分，M1 的開環結構穩定，而 M2 開環結構會被水解釋放氟化氫（來源：JACS）
他們還發現，M2 開環之後的水解過程，是一個酸催化的過程。是以，當産生氟化氫之後，将催化産生更多的氟化氫，是以這是一個自催化放大的釋放過程。
據了解，這也是力響應基團釋放氟化氫的第一個案例，和以往的熱力學釋放氟化氫有着較大不同。
同時，他們也發現中間體可以和水反應生成氟化氫。這也意味着，A2 類似的中間體都可以釋放氟化氫。
（來源：JACS）
對于氟化氫的産生，該團隊也做了多方驗證。除了在核磁共振波譜中觀察到氟化氫的生成之外，他們還通過一種氟離子有機小分子熒光探針确認了氟離子的存在。
同時，他們還通過實驗确認：氟離子脫離高分子鍊，的确進入了溶液之中。
（來源：JACS）
确認産生氟化氫之後，他們開始思考所産生的氟化氫，能否被用于高分子的降解。
據了解，該團隊的合作者曾合成一種可降解高分子材料[1]。由于主鍊上的矽醚官能團，在酸性條件下或含有氟離子的條件下，這種高分子材料可以完成快速降解。
于是，針對本次研究中合成的力化學基團，他們通過超聲刺激來讓其産生氫氟酸，并利用所産生的氫氟酸，針對含有矽醚官能團的高分子進行原位降解。
這其中包含兩個反應的競争：一是 P2（由 M2 組成的高分子鍊）産生的氫氟酸自催化速率，二是氫氟酸和矽醚的反應速率。
結果顯示：氫氟酸的自催化速率，遠遠高于氫氟酸和矽醚的反應速率，進而讓 P3 能被降解得更加完全，進而為實作力響應降解宏觀高分子材料奠定了實驗基礎。
（來源：JACS）
事實上，該團隊原本打算沿用力響應釋放氯化氫的設計思路。
原本參與本次項目的那位學生，最初也是抱着試一試的心态，将力響應釋放氯化氫的設計思路，完全移植到力響應釋放氟化氫上，借此得到了 M1 結構。
可惜的是這種思路完全沒有奏效，後來胡藝馨研究之後發現，M1 并不能釋放氟化氫，而這大機率是由于氟離子很難離去。
同時，M1 力開環後的産物、與氟原子和氧原子連結的是一個季碳，這讓氟原子或氧原子很難被别的試劑“進攻”。
在研究進入瓶頸之時，胡藝馨突然想到自己同時在研究的另一個體系[2] ，也許可以提供一些新思路。
在多次嘗試合成之後，她成功設計出了 M2 結構。M2 力開環之後的産物上、與氟原子和氧原子連結的是一個叔碳，這可以讓氟原子更好地離去。
後來，胡藝馨發現和 M1 的不同之處在于，當針對 M2 的高分子鍊完成超聲之後，濃縮并加入氘代氯仿，質子核磁譜的峰非常清晰。
但是，如果 M2 和 M1 一樣，沒有任何氟離子離去的反應，那麼高分子鍊上的質子核磁譜的分裂不應該如此清晰。
而且，通過尺寸排除色譜法分析之後，高分子鍊的品質也下降了很多。
于是，胡藝馨通過尋找各種變量，希望找到導緻 M2 不一樣的原因。
當時，她并不知道氟化氫和氫氟酸的氟峰積分時刻在變化，而且氫氟酸的位移也不固定。
“是以中間卡殼了一段時間，總感覺變量太多，拿不準到底是什麼機理。那時，碰巧我朋友從英國來看我，我就和她去紐約玩了倆天。回來後第二天就發現，隻需要加水就可以使其降解且釋放氟化氫，”她說。
這更讓她意識到，有時人需要通過休息來變換思考方式，也需要花時間來整理思路。
為驗證産物結構的正确性，她又做了打質譜和二維核磁譜等表征，也對比了直接把氫氟酸放到同樣的氘代四氫呋喃裡的化學位移。
事實上，研究中胡藝馨并不清楚是否真的有氫氟酸産生，是以她就先假設這個分子可以産生高濃度氫氟酸，甚至可以和玻璃反應。
于是，她全副武裝用攝像頭檢測超聲過程中的變化，同時也很誇張地在超聲裝置周圍貼上了好幾個“不要靠近，有氫氟酸産生”的提示語，來提醒同僚注意安全。
結果随着實驗的重複，其發現氫氟酸的産生濃度并沒有很高，也沒有想象中那麼危險。
最終，相關論文以《機械力觸發的自放大高頻釋放和聚合物解構級聯》（Self-Amplified HF Release and Polymer Deconstruction Cascades Triggered by Mechanical Force）為題發在 JACS[3]。
胡藝馨是第一作者，美國杜克大學的斯蒂芬·克雷格（Stephen L. Craig）教授、美國麻省理工學院希瑟·庫裡克（Heather J. Kulik）教授和傑裡邁亞·約翰遜（Jeremiah Johnson）教授，以及 Craig 教授組畢業的學生林仰舉教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：JACS）
對于本次發現的體系來說，還有許多潛在方向值得探究。而利用原位力響應生成的氫氟酸、以及力響應自降解的特性，來實作材料在宏觀層面的性質改變，是課題組目前最感興趣的新方向。
參考資料：
1.Nature 2020, 583, 542–547
2.J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 5, 2876–2881
3.Hu, Y., Wang, L., Kevlishvili, I., Wang, S., Chiou, C. Y., Shieh, P., ... & Craig, S. L. (2024). Self-Amplified HF Release and Polymer Deconstruction Cascades Triggered by Mechanical Force.Journal of the American Chemical Society.
營運/排版：何晨龍