C-H键的pKa值是一个重要的物理有机化学参数，为合理设计和开发涉及C-H键断裂与形成的反应提供了宝贵的定量分析与理性设计依据。目前C-H键的pKa标度在水和常规碳氢有机溶剂中已通过实验测定较为成熟地建立，基于这些实验数据进行理论计算和人工智能的预测方法也已正在蓬勃发展。但在有机含氟溶剂中，溶质分子C-H键的pKa标度长久以来一直是空白；此外，由于基础物化实验参数的缺乏，人们难以建立有机含氟溶剂的溶剂化模型，并基于此对这些溶剂中的反应过程通过理论计算或人工智能进行准确预测。有机含氟溶剂是一类对于有机绿色合成、医药卫生、电子信息等人类活动非常重要的新型反应介质。其中，极性氟代芳烃是一类特殊的有机含氟溶剂，可以显著促进质子转移反应和HAT与PCET反应，在工业和科学研究上有重大需求，近四十年来以此类溶剂为反应介质的反应发表量呈现指数性增长的趋势（图1）。然而，南开大学刘天飞课题组不久前发现有机分子在有机含氟溶剂容易发生簇集（Aggregate, 2024, 5, e543）。因此，由于相界面的存在，通过实验准确测定有机含氟溶剂中溶质C-H键的pKa值存在很大的挑战性。
图1. 极性氟代芳烃的结构和极性性质（A）；年发表量的指数性增长（B）；此类溶剂中质子转移PT反应和HAT/PCET反应的促进性能，和通过簇集效应加速电化学氧化催化反应（C、D、E）。
南开大学刘天飞课题组针对这一挑战取得了重要突破。最近，该课题组报道了一种在极性氟代芳烃中可溶的新型CF3SO2取代的锚点化合物，并以该锚点化合物在极性氟代芳烃中的自解离平衡常数作为基准点，首次通过实验和理论计算建立了在这类极性有机氟溶剂中C-H键的pKa标度（图2）。这些实验测定pKa值表现出优异的线性自由能关系，并且与它们相应的 DFT计算值有很好的线性相关性。
图2. 本文开发的全新适用于极性氟代芳烃的锚点化合物和主要研究内容，以及实验测定值、DFT理论计算值与σP参数之间的线性相关性。
随后，该团队发现，使用这些实验pKa数据和基于实验建立的理论方法，从热力学上考察，可以预测极性氟代芳烃比乙腈作为反应介质将更有利于酮衍生物的去质子化，从而增强了去质子化促进的 CO2固定反应性能。该团队通过实验数据证明了该预测的准确性（图3）。因此，本研究测定的pKa值可以作为极性氟代芳烃中C-H键形成和断裂反应的重要指导工具。
图3. 酮类化合物在极性氟代芳烃和乙腈中的去质子化驱动力分析；以及氟苯对酮类衍生物去质子化促进 CO2固定反应性能的提升。
本研究的重要发现实现了有机含氟溶剂中pKa键能标度从0到1的突破，填补了极性氟代芳烃中C-H键pKa值测定的实验和理论空白。本研究揭示了从化学键形成和断裂角度考察极性氟代芳烃类溶剂对质子转移反应、HAT/PCET反应促进的本质；建立了这类溶剂理论分析的溶剂化模型；基于键能数据可以推论在这类溶剂中质子转移反应相比于乙腈可以被显著提升，并且显著促进C-H键活化的二氧化碳固定反应。本研究对未来有机含氟溶剂中通过质子转移促进反应的发展具有重要意义。刘天飞课题组正在进一步扩展X-H底物和其他含氟溶剂的类型，丰富含氟溶剂中键能学的数据，并为在含氟溶剂中训练人工智能模型提供重要的实验数据基础。
本论文的第一作者为南开大学博士研究生孔祥梅；本研究得到了程津培院士的支持与指导；本论文的第一通讯单位是南开大学，通讯作者是刘天飞研究员。本研究得到了国家自然科学基金委员会、中央高校基本科研业务费专项资金、国家重点研发计划的经费资助。本研究得到了南开大学化学学院、元素有机化学国家重点实验室、物质绿色创造与制造海河实验室和清华大学基础分子科学中心的大力支持。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Determination of pKa values of C-H bonds in polar fluorinated arenes referred to a new CF3SO2-substituted anchor compound
Xiangmei Kong, Yunfei Liang, Zhenbo Guo, Tianxing Lin, Shan Liu, Zhiyi Liu, Tianfei Liu*, Jin-Pei Cheng
ChemSusChem, 2024, DOI: 10.1002/cssc.202402041
