阿克伦大学王军鹏课题组发表了题为“Mechanochemistry of Cyclobutanes”的综述文章，系统梳理了环丁烷作为力化学领域重要模型分子的研究进展，包括其反应性与机理、动力学与立体选择性，以及在材料设计中的应用。文章展现了环丁烷力化学的前沿进展，并为未来的研究提供了重要的方向指引。
在化学反应的启动方式中，热和光是最常见的手段，而力化学通过机械力触发化学反应，因其方向性和可控性而日益受到关注。环丁烷以其特殊的结构和化学稳定性，在力化学中表现出独特的优势。本综述从以下三个方面系统总结了环丁烷在力化学领域的研究进展：
环丁烷的力化学反应表现出独特的环裂解特性：在机械力作用下，环丁烷分子发生环裂解，生成两个烯烃分子（图1）。这一过程本质上是机械力降低了反应的活化能，触发了本不易发生的化学反应。研究表明，环丁烷的裂解路径包括通过形成双自由基中间体的逐步裂解机制。这种逐步裂解的机制能够通过分子结构上的功能基团调控，比如引入具有电子吸引效应的基团（如氰基）可以显著降低反应所需的力阈值。此外，文章还详细讨论了如何通过单分子力谱（SMFS）和超声降解实验表征环丁烷的力响应行为，这些技术为量化反应的动力学参数和力耦合效率提供了关键手段。
环丁烷在机械力作用下的动力学过程决定了其产物的立体选择性。研究发现，环丁烷裂解的立体化学产物（如 EE、EZ 和 ZZ 异构体）的比例受机械力大小和分子结构的显著影响。例如，某些特定构型的拉伸方向会优先生成某种烯烃异构体。这种选择性主要源于双自由基中间体在裂解过程中的旋转行为。通过调控分子中基团的立体化学特性，例如使用顺式或反式的拉伸附着点，可以显著改变反应速率和产物分布。此外，分子的区域化学（即拉伸点的位置）也会对反应路径产生影响。例如，在不同位置进行拉伸可能完全阻止或激活环裂解反应，这为定向设计具有特定反应性的力化学分子提供了新的可能性。
环丁烷力化学的独特反应特性和高稳定性使其成为开发下一代高性能材料的理想候选基元。近年来的研究展示了环丁烷基元在聚合物网络中应用的多样性及其对材料性能的深远影响。
该综述近日以“Mechanochemistry of Cyclobutanes”为题在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。详见: Obregon R, Wang J. Mechanochemistry of Cyclobutanes, Sci. China Chem., 2024, DOI: 10.1007/s11426-024-2344-0。本文将收录于“2024 Emerging Investigator Issue”。
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