JACS封面：钯催化成环反应“操控”分子的反芳香性

芳香性是最重要的有机化学概念之一。Hückel经验规则告诉我们，当闭合环状平面型的共轭多烯（轮烯）π电子数为4n+2时，具有芳香性，分子比较稳定；而当π电子数为4n时，分子具有反芳香性。芳香性分子内具有抗磁性（diatropic）环电流，键长趋于统一，分子也具有稳定性。相反，反芳香性分子内有顺磁性（paratropic）环电流，键长交替，分子也非常不稳定。相比于多环芳烃，尽管理论计算上表明，反芳香性分子具有更窄的带隙，有利于电荷的传输，但是基于反芳香性分子的研究非常少。这主要是因为反芳香性分子的不稳定性，使得这类分子缺乏高效的合成方法，极大限制了相关研究的发展。

斯坦福大学化学系的夏岩（Yan Xia）教授（点击查看介绍）自2013年建立实验室以来，一直致力于开发新的合成方法来制备具有特殊功能的有机材料和新型高分子骨架。2014年，夏岩团队成功开发了一种钯催化的降冰片二烯（norbornadiene）和二溴芳烃成环的高效反应（CANAL，Catalytic Arene-Norbornene AnnuLation; J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 17434），团队首先展示了利用这个反应合成一系列梯形高分子。随后，他们设想如果把降冰片二烯的桥上碳原子替换为氧原子，CANAL化学产物经过芳构化，可能直接高效得到新型含反芳香性环丁二烯的共轭体系。

夏岩实验室的博士研究生金泽鑫（Zexin Jin）和Yew Chin Teo实现了这个设想，于2017年春发表了通过CANAL合成反芳香新型分子的方法（图1上, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 1806）。值得一提的是，这种模块化的合成含反芳香性环丁二烯体系的方法相比于之前的方法具有非常大的优势，不仅产率高，原料更加易得，而且可以合成更多官能团化的环丁二烯共轭体系。晶体结构以及实验和计算结果表明，这类分子倾向于降低 “环丁二烯电流” ，从而使双键定域在四元环之外，来降低这类分子的反芳香性稳定它们的能量。那么，能不能进一步通过分子结构的设计，来调节（提高）四元环的反芳香性呢？

图1. [3]Naphthylene的分子设计。 图片来源：J. Am. Chem. Soc.

在这项工作中，博士生金泽鑫利用CANAL化学的区域选择性，设计并高效地合成了一类新的[3]Naphthylene分子（图1下）。尽管这三种[3]Naphthylene都是由三个萘分子和两个环丁二烯共轭而组成的，但是作者发现这三种分子具有完全不同的光谱学性质和稳定性。如图2所示，三种分子在365 nm的紫外灯下呈现出不同的颜色，紫外-可见以及荧光光谱完全不同，而荧光量子效率也不同。其中，锯齿形[3]Naphthylene具有吸收光谱更加红移，荧光量子效率最低，分子也更加不稳定；电化学结果表明它的HOMO更低，LUMO更高。作者将这种三种[3]Naphthylene的不同性质归因于他们的反芳香性不同：锯齿形[3]Naphthylene的反芳香性最高，而直形[3]Naphthylene的反芳香性最低。

图2. [3]Naphthylene的紫外-可见吸收和荧光光谱。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

随后，他们讨论了这三种[3]Naphthylene的反芳香性。作者所用的计算方法是NICS-XY扫描法，一种新的基于NICS的计算方法。相比于普通的单点NICS计算，这种方法可以扫描分子上方特定距离的NICS值，并且将σ轨道和π轨道的贡献分离，从而得到整个分子的环电流信息。正的NICS数值表明了反芳香性（paratropicity），负值表明了芳香性（diatropicity），绝对值的大小表明了它们的强弱。如图3所示，环A具有负值，表明环A具有芳香性；环B仍然是负值，但是比环A的数值小，说明了环B具有比环A更弱的芳香性；而环C是正值，说明了环丁二烯C具有反芳香性。通过比较三种[3]Naphthylene的计算结果，作者发现当萘分子的C2-C3键与四元环相连时，所得的四元环的反芳香性较弱，而当C1-C2键与四元环相连时，四元环的反芳香性较强，而且萘分子中与之相连的苯的芳香性反而更高。这一点可以从萘本身的分子结构来理解：由于萘分子本身就具有键交替，而四元环有使与之相连的键增长的作用（为了避免“环丁二烯电流”），所以当C1-C2键与之相连时，会削弱萘的键交替，使得键长更趋于统一；而C2-C3键与四元环相连则会增强萘的键交替，使芳香性降低。这一点也通过晶体结构的键长分析得到了佐证。

图3. [3]Naphthylene的NICS-XY扫描结果。  图片来源：J. Am. Chem. Soc.

随后，作者对三种分子和前体的核磁共振（NMR）图做了分析，中心的萘上的氢在芳构化之后均向高场移动，这是由于四元环的反芳香性和萘的芳香性降低导致的，与计算结果吻合。最后，作者通过对键长的分析以及基于晶体结构的HOMA（Harmonic Oscillator Model of Aromaticity）计算也进一步佐证了NICS-XY扫描的结果。

综上所述，夏岩教授课题组的这项工作利用新开发的高效钯催化成环化学，通过简单的分子的拓扑结构变化，调节了三种同分异构的[3]Naphthylene分子的反芳香性，展示了它们迥异的光学性质。这项工作例证了新颖高效的合成方法是如何助力对于反芳香性分子的探索，并为反芳香性分子的研究提供了新的思路，具有重要的科学意义。相关研究结果近期作为封面文章发表于《Journal of the American Chemical Society 》上，文章的第一作者是斯坦福大学博士研究生金泽鑫。

图4. 当期JACS 封面。 图片来源：J. Am. Chem. Soc.

该论文作者为：Zexin Jin, Yew Chin Teo, Simon J. Teat, Yan Xia

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Regioselective Synthesis of [3]Naphthylenes and Tuning of Their Antiaromaticity

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 15933-15939, DOI: 10.1021/jacs.7b09222

夏岩教授（后排左二）课题组合影，后排左三为金泽鑫。图片来源：斯坦福大学夏岩教授课题组网站

夏岩

http://www.x-mol.com/university/faculty/436

课题组链接

http://stanford.edu/group/xialab/