全文概要

南开大学张新星与北京师范大学朱重钦团队结合微液滴实验、分子动力学模拟与量子化学计算，系统研究了离子种类对水微液滴界面电场及其催化Menshutkin反应（吡啶与碘甲烷）的调控机制。研究发现，单价阴离子对反应产率的影响遵循Hofmeister序列（HCOO⁻ > F⁻ > Cl⁻ > NO₃⁻ > BF₄⁻ ≈ SCN⁻ > ClO₄⁻ > PF₆⁻），揭示了离子界面亲和性与水合能之间的协同作用是调控界面电场强弱的关键因素。

本文要点

1. 离子特异性调控机制：

• 阳离子（如Na⁺、K⁺）因高界面亲和性与强水合能力，增强界面氢原子密度，从而强化电场、促进反应；

• 阴离子则竞争性吸附于界面，削弱氢密度，抑制电场与反应活性；

• 强界面富集的阴离子（如PF₆⁻、ClO₄⁻）显著破坏水分子有序结构，降低反应速率。

2. 实验验证：

• 在盐浓度1000 μM条件下，HCOONa使反应产率提升至91.8%，而NaPF₆体系反应速率最低；

• 阳离子（Na⁺、K⁺）与Mg²⁺的界面行为差异进一步证实阳离子对电场的增强作用。

3. 理论支持：

• MD模拟显示界面存在氢富集的外层（Zone I）与氧富集的内层（Zone II），形成自发电场；

• 离子分布与结合能计算合理解释了不同离子对电场的差异化调控。

4. 应用前景：
该研究为理性设计电场增强型微液滴反应体系提供了理论基础，适用于大气化学、合成反应及生物体系中的界面过程调控。

文献详情
Jianze Zhang, Ziyuan Liu, Chenghui Zhu, et al. Ion-Specific Interfacial Electric Fields on Water Microdroplets for Tuning Menshutkin Reactions, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c11766

全文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c11766