对称双烷基化四嗪在气-水界面的有序组装与反应动力学研究：分子对称性对界面Diels-Alder反应的影响

本研究针对界面受限环境中逆电子需求Diels-Alder（IEDDA）反应效率低下的问题，通过设计对称双烷基化四嗪衍生物C18-Tz-C18，结合Langmuir单层技术与贝叶斯机器学习，揭示了分子对称性通过增强界面有序性促进预反应体系高效转化的机制，为功能性界面系统设计提供了新思路。

　　

在生物正交化学和材料工程领域，逆电子需求Diels-Alder（IEDDA）反应因其高效性和选择性成为重要工具，但界面受限环境下的反应机制尚不明确。尤其当分子被限制在气-水界面这种二维空间时，其取向、迁移率和局部浓度梯度与体相溶液存在显著差异，导致反应动力学难以预测。先前研究表明，单烷基化四嗪（C18-Tz）与降冰片烯两亲物（C16-NCA）在界面反应中存在效率低下和相分离不明确的问题，这主要归因于分子不对称性和界面混溶性差。

为解决这一挑战，日本第一药科大学（Daiichi University of Pharmacy）的研究团队设计了一种对称双烷基化四嗪衍生物C18-Tz-C18，通过系统比较其与C16-NCA在不同制备方式（预反应混合与共铺展）下的单层行为，结合贝叶斯机器学习预测体相反应速率，揭示了分子对称性对界面反应的关键调控作用。该研究发表于《Next Materials》，为功能性界面系统的理性设计提供了新范式。

研究采用四大关键技术：1）Langmuir单层技术（表面压力-面积/表面电位-面积等温线）定量分析分子排列；2）荧光显微镜（FM）观测相分离域形态；3）核磁共振（¹H/¹³C NMR）验证产物结构；4）贝叶斯高斯过程回归模型预测体相反应速率常数k₂。

【单组分薄膜的相行为与域形态】

C18-Tz-C18单层表现出陡峭的表面压力上升（崩溃压力60 mN m^-1）和高达300 mV的表面电位，FM图像显示明确的液晶（LC）域形成，证实对称双烷基链显著增强界面有序性。

【预反应混合单层的界面特性】

预反应3天的1:1混合体系（X_C18-Tz-C18=0.5）出现32 mN m^-1处的特征斜率变化，表面电位达340 mV，显著高于任一纯组分，表明生成两亲性产物。FM显示LC域边界随反应时间逐渐清晰。

【共铺展单层的反应抑制现象】

直接共铺展的体系未观察到ΔV增强或相行为改变，证实界面空间约束会显著抑制IEDDA反应，与体相预测速率k₂=6.29 M^-1s^-1形成鲜明对比。

【分子对称性的核心作用】

相比单烷基化C18-Tz，C18-Tz-C18的对称结构通过双硬脂酰链的范德华作用促进紧密排列，使反应产物域更规则。贝叶斯模型证实该优势非源于本征反应活性差异（p>0.05），而是界面预组织程度提高所致。

该研究创新性地证明：分子对称性通过优化界面预组织而非改变本征活性来调控表面受限反应，为诊断涂层、药物载体等需精确界面反应的系统提供了设计原则。未来可通过分子动力学模拟进一步揭示二维环境下立体电子效应的定量影响。