双重挑战：高张力且反芳香的碳龙化合物- 大数跨境

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2023-04-02

导读：夏海平课题组报道了首例高张力且反芳香碳龙化合物-金属桥头茚。这一发现使得高张力和反芳香两种不稳定因素同时存在于单一金属杂环成为现实，其中该化合物包含六元环内最小金属亚乙烯键角

高环张力和反芳香性是不利于环稳定存在的两种重要因素。通常，高张力环（例如苯炔和异苯）和反芳香化合物（例如环丁二烯和戊搭烯）都不能在室温下稳定存在。在单一环内同时实现这两种不稳定因素对科学家们提出了更高的挑战。同时，受限于高环张力和反芳香化合物的稳定性，这类反常规化合物的转化化学（例如骨架重排和芳香性转变）仍有待研究。

碳龙化学（Carbolong Chemistry）是由夏海平教授研究团队发现、创立并命名的具有中国标签的化学，已被国际经典有机化学教科书March's Advanced Organic Chemistry 第八版正式收录 ^[1]。经过十几年的研究，碳龙化合物的合成、反应性以及应用开发取得了全面系统的成果，并于近期总结为两篇重要综述（Chem. Rev. 2020, 120, 12994; Acc. Chem. Res., 2023, DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00750，封面文章）。之前的研究主要集中于芳香性碳龙物种，有些具有高环张力。反芳香化学是芳香化学的重要组成部分，反芳香物种具有特殊的光物理性质，因此，反芳香碳龙物种的研究是碳龙化学的重要发展方向。近期，夏海平课题组报道了两类反芳香性碳龙化合物：首例弱反芳香性的金属萘（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 15587）和首例高Craig 反芳香性物种—8碳龙配合物（PNAS 2023, 120, e2215900120, 点击阅读详细）。尽管芳香和反芳香碳龙配合物研究均已取得重要进展，但它们最多仅包含一种不稳定因素（高环张力或反芳香性），如何将两种不稳定因素同时引入一个分子（即构筑具有高张力的反芳香环）成为新的挑战，并可能带来新的化学。

近日，夏海平课题组报道了首例高张力且反芳香碳龙化合物-金属桥头茚。这一发现使得高张力和反芳香两种不稳定因素同时存在于单一金属杂环成为现实，其中该化合物包含六元环内最小金属亚乙烯键角（147.4°，图1中）。令人惊奇的是该化合物能保持稳定至180 ℃。同时，高张力和反芳香性致使其具有丰富的反应性。例如，通过亲核加成反应可以实现反芳香环的骨架重排（图1左），通过亲电加成反应能够实现芳香性的开关调控（图1右）。相关工作发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）。

图1. 高张力且反芳香的金属桥头茚化学。

通过多齿碳链配体或配体前体直接螯合金属可一锅法高效制备碳龙化合物（Nat. Commun., 2017, 8, 1912，点击阅读详细）。基于上述新思路，夏海平课题组利用1,4,7-辛三炔-3,6-二醇（L）与锇配合物在酸性条件下一锅法得到了首例含有金属亚乙烯基元的金属桥头茚化合物1-Cl（图2a）。理论计算表明，1-Cl中的弯曲型金属亚乙烯基元具有高张力，对比于有机体系，金属的引入会增大键角，减小环张力（图2b）；季鏻的引入会削弱金属杂环的反芳香性，起到稳定作用（图2c/2d）；金属桥头茚环的磁感应电流密度显示为逆时针方向，存在顺磁环电流，具有反芳香性（图2e）。

图2. 高张力且反芳香的金属桥头茚的合成、环张力和芳香性研究。

机理计算表明反应中添加的三苯基膦（可亲核进攻配位的炔基，C→D）和酸（促进生成共轭结构，D→F）对产物的生成起到重要作用（图3a）。于是作者利用多炔配体L直接与锇配合物反应，以较高产率分离到了活性中间体2。中间体2在三苯基膦和酸的作用下可以转化为金属桥头茚1-Cl（图3b）。

图3. 金属桥头茚的生成机理研究。

弯曲型金属亚乙烯结构导致金属桥头茚有高环张力，隐含着丰富的化学反应性。例如：1-Cl在空气氛下分别与二氧化硒和亲核试剂（氢氧根负离子，由叔丁醇钾与水原位生成）反应得到氧化产物3-BF₄和4-Cl（图4a）。有趣的是，3-BF₄和4-Cl的主环部分是同分异构体。3-BF₄是由金属亚乙烯直接被氧化获得，而4-Cl的产生经历了金属杂环骨架重排过程。理论研究显示六元环仍具有一定的反芳香性（图4b）。因此1-Cl到4-Cl的转化不仅经历骨架重排过程，还伴随着反芳香性的转移。为了进一步探究骨架重排过程，作者将反应条件由空气氛变为氮气氛，以较高产率得到了活性中间体5。中间体5包含一个累积三联烯的基元，可以分别与亲核试剂氯化铵和四丁基碘化铵反应得到骨架重排产物4-Cl和6-I（图4c）。

图4. 金属桥头茚环内金属亚乙烯反应性研究。

由于金属桥头茚具有反芳香性，在亲电试剂（如酸、液溴和亚硝四氟硼酸盐）作用下，可得到首例金属桥头茚炔化合物（7~9，金属桥头茚炔是金属苯炔的衍生物，具有芳香性，图5a）。其中芳香化合物7在碱性条件下可重新生成反芳香化合物9。基于此，作者利用酸碱试剂实现了芳香性可逆调控，并探索了该过程中紫外-可见吸收光谱的变化。实验表明：该转化可进行多次循环，为这类反芳香性化合物的应用奠定了基础（图5b）。

图5. 反芳香金属桥头茚与芳香金属桥头茚炔的转化。

小结

至此，夏海平教授课题组首次报道了高环张力且反芳香性金属杂环化合物，打破常规，在单一环内同时实现两种不稳定因素。通过理论计算以及反应性研究，丰富了这一特殊高张力且反芳香物种的化学。并利用其化学反应特点，实现了光物理性质的调控，有望应用于光学材料。诺贝尔化学奖Roald Hoffmann曾经说过“The desire to make the molecule that violates the norm is part of that human struggle.”（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 4474）。作者认为，设计合成反常规的分子不仅可以发现新的化学，并往往派生出新材料、新理论，甚至全新学科。反芳香碳龙物种的研究不仅为碳龙化学打开了新的一扇窗，而且对反芳香化学发展提供了新的思路。

该工作受到国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会基金、广东省催化重点实验室基金和深圳市杰出人才培养经费等项目资助。

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