碳龙化学新反应：芳香性接力驱动使小环更小

最近，我国原创的“碳龙化学”再次取得重要进展：提出了一种基于π-和σ-芳香性接力驱动的策略，首次实现金属杂环丁二烯到金属杂环丙烯的缩环反应（图1）。相关成果发表于《自然-合成》（Nature Synthesis）。

图1. π、σ芳香接力驱动缩环：金属杂环丁二烯→金属杂环丙烯。

芳香性是芳香化学的基石，首例芳香化合物“萘”的分离可以追溯到1820年，随后苯、蒽、菲及其衍生物被陆续合成分离，当时科学家们对该类物质普遍的认知停留在独特的芳香气味、抗磁性、稳定性和“易取代、难加成”的反应特性，直至1931年，著名的[4n+2]电子数芳香性规则——休克尔规则的提出，使芳香性有了判定依据，大大推动了芳香化学的发展。传统的芳香性通常以环状闭合共轭体系中π电子高度离域为特征，即π-芳香性，而σ-芳香性则是以σ电子的离域化为特征，由杜瓦在1984年率先提出，用于解释环丙烷异常磁性行为。π-芳香性是合成芳香化合物的重要驱动力，由σ-芳香性驱动的反应却极为罕见。本文采用π-芳香性、σ-芳香性双驱动策略，在“碳龙配合物”体系实现了反常的缩环反应（图1）

“碳龙配合物”（Carbolong Complexes）是由夏海平团队发现的一类金属杂芳香化合物，通过金属的d轨道和主族原子的p轨道形成dπ-pπ共轭，构筑稳定的桥位金属杂稠环骨架，具有独特的物理、化学性能（Acc. Chem. Res., 2018, 51, 1691；Acc. Chem. Res., 2023, DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00750）。如，曾在碳龙配合物中发现两类重要的金属杂小环：弱π-反芳香性的金属杂环丁二烯（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 6181）和强σ-芳香性的金属杂环丙烯（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3102）。本文研究的是这两种重要小环之间的转化。

金属杂小环是炔烃复分解等诸多重要金属催化有机反应的中间体，研究其构筑与相互转化对于许多有机反应机理的认识极为重要。鉴于高的环张力，金属杂小环倾向于发生重排、加成等开环或扩环反应，缩环反应因通常会导致环张力增大而较少见。

本文设计并合成了含金属杂环丁二烯的碳龙化合物2，发现其在酸性条件下发生“4→3”缩环反应，转化为含金属杂环丙烯的碳龙化合物3（图2）。此前的研究中，金属杂环丁二烯的缩环过程仅作为机理研究的中间体被推测。

图2. 金属杂环丁二烯到金属杂环丙烯的反常缩环反应

DFT理论计算表明缩环反应可能经历先开环-后关环的分步机理，即金属杂环丁二烯被质子进攻，开环后生成金属中心16电子的乙烯基卡宾中间体，随后，去质子化关环生成能量有利的最终产物。调控酸的当量、种类控制实验及关键开环中间体4A的捕获证实了这一过程（图3）。

图3. 机理探究：DFT计算

为探究罕见小环缩环反应的驱动力，本文对芳香性的变化进行研究。多种判据一致表明碳龙分子2中的金属杂环丁二烯具有较强的π-反芳香性；关键的开环中间体4具有π-芳香性；产物3中的金属杂环丙烯骨架具有σ-芳香性（图4）。结合捕获的反应中间体和DFT理论计算，揭示了反应历程和驱动力：经历了开环-再关环的分步过程，即π-芳香性驱动碳龙分子2中四元环的开环反应，释放了反芳香性得到开环中间体4；然后，在所生成碳龙产物3中三元环σ-芳香性的驱动下实现再次关环，生成具有π-和σ-双重芳香性稳定化的碳龙化合物3，扩展了芳香骨架，体系能量进一步下降。在整个转化过程中，π-与σ-芳香性的两步驱动形成接力。

图4. 芳香性计算

综上，本工作打破传统思维，通过巧妙的设计，实现了具有挑战性的首例金属杂环丁二烯的缩环反应，展示了碳龙骨架这一系列新结构基元的潜在应用价值，并通过细致的理论计算和控制实验验证了反应机理，提出了一种基于π-和σ-芳香性接力驱动的策略，将激发化学家探索芳香驱动在有机化学合成中的新模式，为芳香性在合成化学中的应用提供了新思路，也为碳龙化学的发展带来新机遇。

该工作是夏海平/林玉妹团队发展的碳龙化学新反应，该团队最近还发现以碳龙骨架为基础的新催化剂体系（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2301）。并设计合成了吸收光谱可抵达近红外二区（NIR-II）的碳龙配合物（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e20221173）。

该工作是在夏海平（南方科技大学/厦门大学）和林玉妹（厦门大学）共同指导下完成。博士生卓凯玥与已毕业硕士生刘亚南为论文共同第一作者，博士生阮凯东、博士后华煜晖共同参与了该工作。

该工作发表之后，Wiley旗下的 ChemistryViews 第一时间发表了题为“Making Small Rings Even Smaller”的亮点评述 ^[1]；Thieme出版社的Synform也发表了3页的专访 ^[2]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ring contraction of metallacyclobutadiene to metallacyclopropene driven by π- and σ-aromaticity relay

Kaiyue Zhuo, Yanan Liu, Kaidong Ruan, Yuhui Hua, Yu-Mei Lin & Haiping Xia 

Nat. Synth., 2023, 2, 67–75, DOI: 10.1038/s44160-022-00194-2

参考资料：

1. Making Small Rings Even Smaller

https://www.chemistryviews.org/making-small-rings-even-smaller/ 

2. Ring Contraction of Metallacyclobutadiene

https://www.thieme.de/statics/dokumente/thieme/final/en/dokumente/tw_chemistry/CFZ-Synform-Ring-Contraction-of-Metallacyclobutadiene_LitCov.pdf    

课题组网站：

https://hpxia.xmu.edu.cn/index.htm 

欢迎博士后和科研助理加入课题组，研究方向：有机合成方法学（手性催化优先）、金属有机化学、高分子化学、光电材料。工作地点：深圳（南方科技大学）。联系邮箱：xiahp@sustech.edu.cn