《Chemistry – A European Journal》：Mechanistic Insights Into Luminol Chemiexcitation: The Role of the Amide Carbonyls
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鲁米诺化学发光源于其双环内过氧化物中间体分解过程中发生的化学激发过程，涉及过氧键断裂和分子氮释放。在本研究中，研究人员采用多组态量子化学和密度泛函理论研究了该分解反应的机理。对不含苯胺环且不含来自鲁米诺酰胺羰基的烷氧基的简化模型的计算表明，由O–O键断裂引发的
鲁米诺化学发光源于其双环内过氧化物中间体分解过程中发生的化学激发过程，涉及过氧键断裂和分子氮释放。在本研究中，研究人员采用多组态量子化学和密度泛函理论研究了该分解反应的机理。对不含苯胺环且不含来自鲁米诺酰胺羰基的烷氧基的简化模型的计算表明，由O–O键断裂引发的反应路径是不可行的，而由氮气释放起始的路径与协同分解路径具有相似的活化势垒。然而，只有分步机理能够到达有利于向发射激发态布居转移的区域。因此，协同机理作为竞争通道存在，降低了化学激发和化学发光产率。将研究扩展到包含烷氧基的较大模型以及完整鲁米诺分子后，能量趋势转向有利于分步或异步分解，其中C–N键断裂先于O–O键断裂，从而驱动体系进入化学激发区域。通过自然键轨道分析表明，正是烷氧基孤对电子的供电子作用削弱了C–N键。
鲁米诺化学发光机理研究：酰胺羰基在化学激发中的关键作用
**研究背景与问题**
化学发光是化学反应过程中产生光发射的现象。鲁米诺（5-氨基-2,3-二氢酞嗪-1,4-二酮，LH?）自1928年Albrecht首次研究以来，因其在法医分析、生物医学诊断和环境监测等领域的广泛应用而备受关注，近年来还被提出作为自发光光动力治疗的光源。在非质子溶剂中，鲁米诺在强碱作用下脱质子形成二价阴离子，其与氧气反应生成双环内过氧化物中间体（BEP2?），随后经历氮气（N?）消除形成含1,2-二氧杂环己烯（1,2-二氧杂环己二烯，1,2D）的单环内过氧化物（MEP2?），再经热裂解生成激发态的3-氨基邻苯二甲酸阴离子，最终通过发射光子回到基态。尽管已有大量研究，但BEP2?分解过程中过氧键断裂与氮气释放的精确顺序，以及鲁米诺分子中酰胺羰基所扮演的角色，仍属未解之谜。本研究旨在回答两个核心问题：BEP2?能否不经MEP2?直接化学激发为3AP2?*？鲁米诺中转化为烷氧基阴离子的酰胺羰基在化学激发中起什么作用？
**研究内容与结论**
研究人员采用多组态量子化学方法，对鲁米诺化学发光中过氧键断裂和分子氮释放的关键步骤进行了详细计算分析。首先使用最简双环内过氧化物模型（R-BEP），探索了三种可能机理：分步机理1（先释放N?）、分步机理2（先断裂O–O键）和协同机理3（同时断裂）。通过临界点优化、单点能量修正和二维势能面扫描，确定了能量可行的反应路径和导致化学激发的区域。随后将模型扩展至包含两个烷氧基的RO-BEP2?和完整鲁米诺双阴离子BEP2?。结果表明，在R-BEP模型中，机理1比机理2更有利，后者因过高的活化势垒而被排除；机理3与机理1竞争，但仅机理1能有效到达化学激发区域。扩展到更大模型后，机理1的势垒随模型增大而降低，在RO-BEP2?中变为无势垒，在BEP2?中仍保持很低，而协同机理的势垒变化不大，因此氮气释放优先的路径在更真实模型中更加占优。自然键轨道（NBO）分析表明，烷氧基O?取代基的孤对电子向σ*(C–N)轨道强烈供电子，削弱了C–N键，这解释了机理1势垒降低的电子起源。该研究明确了酰胺羰基在鲁米诺化学激发中作为产率增强剂的关键作用。
**主要技术方法**
本研究主要采用以下关键技术方法：一、态平均完全活性空间自洽场（SA-CASSCF）方法结合原子自然轨道（ANO）基组进行几何优化；二、扩展多态完全活性空间二阶微扰理论（XMS-CASPT2）对能量进行动态电子相关校正；三、密度泛函理论（DFT）B3LYP/6-31G(d,p)方法用于更大分子模型的二维势能面扫描；四、自然键轨道（NBO）分析，包括Wiberg键级（WBI）计算和二阶微扰供体-受体相互作用分析。研究未涉及样本队列，为纯理论计算研究。
**研究结果**
**2.1 反应机理**
通过在SA-CASSCF水平下优化关键极小值和过渡态，并采用XMS-CASPT2单点能校正，确定了R-BEP模型中三种机理的能量特征。机理1中，N?释放的过渡态（R-BEP）ts-NN在XMS-CASPT2水平下的势垒为5.8 kcal/mol，产物（1,2D+N?）min能量比反应物低约43.2 kcal/mol。机理2中，O–O键断裂过渡态（R-BEP）ts-OO在XMS-CASPT2水平下势垒高达31.4 kcal/mol，且无法在该水平下成功优化为鞍点。对协同机理3的过渡态优化也未成功。通过二维势能面扫描，确认了机理2中O–O键断裂导致能量大幅上升，而机理1的瓶颈是N?释放，后续O–O键拉伸的势垒仅约3.9 kcal/mol。机理3的势垒约为6.0 kcal/mol，与机理1（5.3 kcal/mol）非常接近，因此两者为竞争路径。
**2.2 化学激发**
通过计算基态S?与第一激发三重态T?和单重态S?之间的能量简并区域，评估了各机理的化学激发效率。结果表明，机理1路径上在1,2D区域附近存在S?–T?和S?–S?能量差较小的区域，有利于布居转移；而机理2涉及的中间体区域能量过高，无法实现有效化学激发；协同机理3路径上的能量差始终大于20 kcal/mol，明显不利于激发态生成。因此，只有分步机理1能够有效引导体系进入化学激发区域。
**2.3 超越R-BEP模型**
在RO-BEP2?和BEP2?模型中，采用DFT方法进行二维扫描，发现机理2仍高度不利。机理1的势垒在R-BEP中为4.6 kcal/mol，在RO-BEP2?中变为接近零，在BEP2?中约为1.6 kcal/mol；而机理3的势垒分别为8.7、6.0和10.2 kcal/mol，变化不大。因此，机理1相对机理3的优势随模型增大而增强。NBO分析显示，O?孤对电子对σ*(C–N)的供电子作用占总供电子相互作用的约58%，使C–N键的WBI从R-BEP中的0.92降至0.83，而O–O键的WBI基本不变。由于机理1的最高能量点对应C–N键级约为0.63，反应物中C–N键已预先削弱，所需降低的键级更少，从而显著降低势垒。WBI比值分析进一步确认，C–N键比O–O键更弱且先行断裂，且随烷氧基引入，异步性增强。
**结论总结**
本研究详细阐明了鲁米诺化学发光中化学激发的机理。在R-BEP模型中，先释放N?的分步机理是主要路径，协同机理作为降低化学激发量子产率的竞争通道存在。在包含烷氧基的更大模型和完整鲁米诺分子中，这一机理图像得以保持，且氮气释放优先的趋势更加明显。NBO分析将这一行为归因于O?取代基孤对电子向σ*(C–N)的有效供电子，削弱了C–N键。酰胺羰基在鲁米诺母体中的真实作用正是通过增强分解的异步性使体系进入化学激发有利区域，从而提高化学激发量子产率。此外，SA-CASSCF与XMS-CASPT2结果的对比凸显了动态电子相关在多组态计算中的关键作用，缺失动态相关会导致对势垒和反应能量的严重低估。本研究将鲁米诺各化学基团的功能完整归类：1,2-二氧杂环己烯环为化学激发促进剂，苯胺环的氨基为电子供体，邻苯二甲酸骨架为发光体，烷氧基为化学激发产率增强剂。未来需要动态模拟以定量确定键断裂的时间序列和反应量子产率，该研究为其他化学发光体系的异步机理分类奠定了基础。
