Nat. Chem.：表面化学反应的芳香性规律

副标题：炔基取代卟啉分子在Au(111)表面的环化和聚合反应芳香性规律研究

芳香性是衡量有机化合物反应性的最常用概念之一。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）关于芳香性提出了三个重要特征，一是具有更高的热力学稳定性，二是在外部磁场中能够产生逆磁性环电流，三是芳香体系中的共轭化学键键长相同，介于C-C单键与C=C双键之间。1931年，德国化学家休克尔曾提出休克尔规则来判断一般有机物和杂环化合物（如：苯、呋喃、吡咯等）的芳香性，但是大环类有机化合物的情况较为复杂，例如：无金属螯合的卟啉分子具有18个π电子的芳香体系和位于角落的双键烯烃，后者的碳原子反应活性更高（图1）。在表面化学领域，芳香性概念曾在反芳香性分子的合成中有所讨论，以及用来解释芳香性分子的不同价态如何影响键长，但芳香性与有机小分子之间的反应性却研究较少。尽管卟啉类大环芳香分子之间的表面偶联反应有所报道，但都没有讨论其中的芳香性规律。最近的研究表明官能团之间反应活性的差异取决于其是否连接在芳香环体系，但这些研究并没有对体系的芳香性进行定量研究，并且具有芳香性的基团也没有实际参与到反应中。另外，反应物本身的变化也可能会影响其它参数，这种效应在金属表面化学中尤为明显，即反应物的电子云杂化状态、分数电荷转移和几何约束条件很容易影响反应的热力学和动力学。

近日，德国慕尼黑工业大学的Johannes V. Barth和Alexander Riss等研究者探索了Au(111)表面炔基取代无金属螯合卟啉分子的环化与偶联反应活性与芳香性之间的关系，其中卟啉分子β位芳香碳原子和双键碳原子在结构上处于等价位置，因此这两种碳原子参与反应后的区域选择性结果更能反映体系芳香性的影响。此外，作者还通过扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）以及密度泛函理论（DFT）计算对该反应过程进行定量研究，揭示了卟啉反应物的芳香性在吸附到金属表面后仍有所保留并影响其反应活性。相关成果发表在Nature Chemistry 上。

图1. 无金属螯合卟啉分子中的芳香碳和双键碳。图片来源：Nat. Chem.

一、 炔基取代卟啉单元的环化和偶联反应

为了避免炔基取代的反应物发生聚合，作者将三甲基硅基（SiMe₃）保护的有机小分子1a在室温下沉积在金（111）表面基底上（图2c），其中一部分小分子1a聚集成簇，一部分则孤立地存在。每个小分子1a的形态为杆状，两端是亮点，这对应着大位阻的SiMe₃。在305 ℃对基底进行退火处理后，观察到>30个单元组成的一维纳米结构（图2d），其中大多数为规则排列的卟啉单元形成的直线型或弯曲型链状结构，偶有支链，部分形成由5-6个卟啉单元组成的纳米环状结构。此外，作者还发现大多数对应于SiMe₃的亮点消失，这可能是由于退火过程中SiMe₃被裂解并从基底上解离。

图2. 炔基取代无金属螯合卟啉分子的环化与偶联反应。图片来源：Nat. Chem.

为了阐明卟啉单元连接的方式，作者通过原子力显微镜进行测量（图3），结果显示聚合的卟啉单元中心间距为1.10-1.20 nm，并且在卟啉外周形成五元环状结构，作者推测这两种反应都是SiMe₃的裂解使得活性碳原子暴露出来，进而发生偶联反应或者环化反应（图2a）。其中偶联反应可以形成两种不同的异构体，高分辨图像的形态学可以体现出两者的区别（图3b），即（E）式偶联为直线型，（Z）式偶联呈现弯曲或环形，并且实验结果显示（Z）式偶联比（E）式偶联更常见（图3d）；而环化反应可形成cis-和trans-区域异构体，并且卟啉单元两侧形成的五元环相对位置决定了环化反应的区域选择性（图2b）。另外，统计学研究表明在该体系中绝大多数卟啉单元发生trans-环化反应，与卟啉单元是否发生偶联无关，并且形成的trans-环化产物全部或几乎都是2a-trans2类型。

图3. 卟啉分子环化与偶联反应的区域选择性和立体选择性。图片来源：Nat. Chem.

二、 卟啉单元环化反应的区域选择性

为了理解这种区域选择性的起源，作者选择炔基取代的卟啉1a（以减少原子数目变化带来的影响）为模型底物进行了密度泛函理论计算。图4a显示了反应物1a和三种不同产物（即2a-cis、2a-trans1和2a-trans2）与金属基底吸附的最稳定构型，其中2a-trans1和2a-trans2是不同的N-H互变异构体（即两组N-H键在内部处于相对的位置），并且不同的互变形式导致两种分子与基底吸附的最佳位点不同，从而影响芳香性。此外，DFT计算表明2a-trans2是能量最有利的产物（ΔE=-2.17 eV），其次是2a-cis（ΔE=-2.04 eV）和2a-trans1（ΔE=-2.01eV），这一结果解释了cis-产物较为少见的现象，同时由于所有产物的能量差异<0.2 eV（图4b），因此几种产物共存也较为合理。

三、 芳香性规律

以上反应现象也可以用芳香性规律进行解释。无金属螯合卟啉单元中18π电子芳香体系并不包含大环中的所有原子，而是省略了两组处于对角位置的Cβ=Cβ单元。根据芳香性规律预测，这种双键碳原子会优先与端炔碳原子反应形成最稳定的2a-trans2，这也与实验结果和DFT计算相吻合。只涉及一个双键碳原子和一个芳香碳原子的环化反应则可以得到2a-cis，而两个芳香碳原子参与的环化反应最不利，得到2a-trans1。随后，作者引入芳香性谐振子模型（HOMA）指数来表征化合物的芳香性，并利用DFT计算的键长数据来计算HOMA值（图4c），结果显示三种产物的HOMA值与DFT计算的反应能量结果一致，即能量最有利的产物2a-trans2具有最高的HOMA值，而能量最不利的产物2a-trans1则具有最低的HOMA值。综上，基于DFT计算的能量数据、定性直观的化学图像和芳香性的定量评估均具有一致的规律，并且都与实验观察到的环化产物的相对丰度保持一致。然而，还有两个重要指标值得讨论，即金属基底的作用和临近分子的影响。

图4. 卟啉产物的反应能、芳香性和热力学稳定性之间的相关性。图片来源：Nat. Chem.

金属基底的作用

为了研究基底的影响，作者对三种产物2a-cis、2a-trans1和2a-trans2的不同吸附位点进行了计算，结果显示同一种产物在不同吸附位点的反应能差异高达0.1 eV（图5a），这反映了分子在基底上不同位点的吸附能差异（图5b）。尽管吸附能差异与不同产物之间反应能的差异在同一数量级，但并不影响最初的结论：即2a-trans2是能量最有利的产物。此外，同一产物在不同吸附位点的计算HOMA值差异远小于不同产物之间的差异（图5c），这说明芳香性受不同吸附模型的影响很小。然而，作者发现表面吸附物种的HOMA值略小于没有基底吸附的分子，这可能是由于分子在吸附过程中原子受到了扰动，使得芳香体系的碳碳键长发生额外变化，芳香性略有下降。

临近分子的影响

前述大部分的讨论都基于单个分子，而环化反应也会受到卟啉分子的偶联反应以及临近分子的非共价相互作用影响。从实验中观测到的统计学规律来看，无论偶联还是单个分子都倾向于trans-环化反应，这说明偶联反应对环化反应影响很小。此外，临近分子的非共价相互作用可能会将目标分子推离最稳定的吸附位点，尽管不同的吸附位点对于HOMA值影响较小，但对反应能的影响较大。不过基于计算结果，这种临近分子效应也不太可能改变不同产物的反应能趋势。

图5. 卟啉分子的基底吸附位点对反应能、吸附能和芳香性的影响。图片来源：Nat. Chem.

四、 反应动力学研究

最后，作者对反应的动力学过程也进行了建模研究，反应物1a的环化分两个步骤，每个步骤有两种环化可能（图6c、6d），即卟啉外周β-芳香碳原子或β-双键碳原子参与的环化反应。第一个环化步骤生成半环化中间体2a-pre1和2a-pre2，两者分别在第二个环化步骤后生成2a-trans1和2a-cis1以及2a-cis2和2a-trans2。尽管2a-cis1和2a-cis2是互为镜像的等效结构，但它们源于不同的反应路径，因而在分析中加以区分。DFT计算显示涉及β-芳香碳原子的几种路径比不涉及β-芳香碳原子的路径能垒高达0.3 eV。考虑到每步转化有多个中间态，作者通过解反应路径相关的速率方程并利用计算得到的反应能垒来模拟反应的动力学过程（图6c），该模拟证实了生成2a-trans2的路径为优先反应路径。此外，作者还研究了反应动力学与加热速率的依赖关系（图6b），结果表明加热速率越慢，越有利于生成2a-trans2的反应路径，这可能是由于加热速率越快，反应进程中体系就越早达到更宽的能量范围，这有助于克服不利路径的反应能垒。基于这些预测结果，作者选择不同的加热程序进行了实验验证（图6a），结果显示相比于模拟结果，实验结果中trans-环化产物的产率更高并且其产率与加热速率有更强的依赖关系。总之，无论实验还是模拟结果都有一致的趋势：即越慢的加热速率增加了trans-环化产物的产率，实现了反应的动力学控制。

图6. 卟啉分子环化反应动力学过程。图片来源：Nat. Chem.

总结

本文的研究表明芳香性规律同样可以预测表面化学中无金属螯合卟啉分子的反应性，该卟啉分子优先生成trans-环化产物的区域选择性可以通过其具有二氮杂[18]轮烯的芳香体系进行解释。这些结果与理论计算估计的不同产物反应能的差异结论一致，同时不同产物的反应能差异也与它们的芳香性差异一致。其中产物的芳香性由HOMA值来定量，并且作者发现它们几乎不受基底吸附作用的影响。该研究结果展现了化学界普遍认可的芳香性规律也同样适用于表面化学的化学反应性，这一规律能够直接解释之前研究中关于卟啉环化反应的选择性问题。可以预见，这些发现将有助于指导表面化学中具有特定形态和功能的分子纳米结构的可控合成的前体设计。

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）：

The role of aromaticity in the cyclization and polymerization of alkyne-substituted porphyrins on Au(111)

Nan Cao, Jonas Björk, Eduardo Corral-Rascon, Zhi Chen, Mario Ruben, Mathias O. Senge, Johannes V. Barth, Alexander Riss

Nat. Chem., 2023, DOI: 10.1038/s41557-023-01327-6

（本文由熊55676供稿）