碳碳單鍵，是構(gòu)成物質(zhì)的最為基本的結(jié)構(gòu)之一，其穩(wěn)定性自是不言而喻。但是，也正是因?yàn)樗姆€(wěn)定，也阻礙了很多合成的發(fā)生。在近半個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直試圖找到合適的方法將碳碳單鍵斷裂，在根本上拓寬新分子的合成方法，從而真正實(shí)現(xiàn)合成領(lǐng)域的隨心所欲。
1944年，現(xiàn)代有機(jī)合成之父羅伯特?伯恩斯?伍德沃德教授在有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)中第一次實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物碳碳單鍵斷裂。在這之后，隨著對過渡金屬的了解加深，人們發(fā)現(xiàn)了它可以大大拓寬實(shí)現(xiàn)碳碳單鍵的斷裂的方法。但是，實(shí)驗(yàn)的適用性、廣泛性和可操作性依然還是存在一定的限制。其中，如何能夠有選擇性地?cái)嗔炎约合胍獢嗔训膯捂I，成為了最大的難題——在已知的幾乎所有的碳碳單鍵斷裂反應(yīng)中，優(yōu)先斷裂的總是相對較活躍的單鍵。
直到近日，英國帝國理工大學(xué)Mark R. Crimmin博士和其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種鋁化物，有史以來第一次做到了可以有選擇性地?cái)嗔崖?lián)苯烯中最堅(jiān)硬的苯環(huán)碳碳鍵，而自動忽略相對活躍的中心四圓環(huán)，這種奇特的選擇性還是第一次被發(fā)現(xiàn)。該研究毫無疑問地為有機(jī)金屬合成領(lǐng)域打開了一扇新的大門。其研究成果以“Chemoselective C–C σ-Bond Activation of the Most Stable Ring in Biphenylene”為題，被發(fā)表在最新一期的《Angewandte Chemie》上。
圖 1：碳碳單鍵激發(fā)的化學(xué)選擇性
【如何做到？】
聯(lián)苯烯被選為此次研究的對象，它擁有兩個(gè)苯環(huán)，環(huán)與環(huán)之間由碳碳鍵連接組成了一個(gè)四圓環(huán)。苯環(huán)自身的碳碳單鍵非常穩(wěn)定，此外由于苯環(huán)6個(gè)π電子的離域作用以及電子云的均勻分布，穩(wěn)定性更為加強(qiáng)。而處在中心位置的四圓環(huán)，由于其反芳香性和相對幾何扭力較大，其鍵與鍵之間的鍵能也就相對較弱，比較容易斷裂。在這次實(shí)驗(yàn)之前所有關(guān)于聯(lián)苯烯的所有反應(yīng)中，都是斷裂其中間的四圓環(huán)而非苯環(huán)本身（如圖一）。該次實(shí)驗(yàn)的特殊性和超前性也由此體現(xiàn)。
具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟為（如圖2）：首先，兩倍量的鋁類卡賓化合物1和聯(lián)苯烯在100℃地反應(yīng)條件下反應(yīng)3個(gè)小時(shí)，化合物1選擇其中的一個(gè)苯環(huán)進(jìn)行配位，導(dǎo)致該苯環(huán)中的C2-C3或者C4-C5單鍵斷裂，得到兩個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物2和3 （比例1：0.7）。該類產(chǎn)物均含有兩個(gè)帶鋁的五圓環(huán)。產(chǎn)物2中間體在-35℃下的苯酚或四氫呋喃溶液中結(jié)晶，而產(chǎn)物3則可在苯酚溶液重結(jié)晶析出。
圖 2：反應(yīng)合成路線圖。
作者也嘗試了在相對較低的反應(yīng)溫度下合成（25℃），并于7天后得到了另一個(gè)反應(yīng)中間體4。中間體4是由鋁化物和聯(lián)苯烯發(fā)生（4+1）環(huán)加成反應(yīng)得來。此外，作者還發(fā)現(xiàn)在改變反應(yīng)溫度至100℃之后，通過再次加入鋁類化合物，該中間體4仍能夠得到類似產(chǎn)率的反應(yīng)產(chǎn)物2和3。
【為什么可以做到？】
作者首先嘗試了用多核核磁共振光譜和單晶X射線衍射儀來了解并確認(rèn)所有產(chǎn)物的組成。核磁共振光譜確認(rèn)了C3和C4對應(yīng)的氫出現(xiàn)在 5.32和7.44 ppm。產(chǎn)物2本身在C5和C6處有兩個(gè)異構(gòu)中心，其存在也被1D-NOE光譜證實(shí)。產(chǎn)物3和中間體4則在單晶射線衍射儀中得到確認(rèn)，其具體的構(gòu)成如圖所示。
圖 3：產(chǎn)物3（a）和產(chǎn)物4（b）在單晶X射線衍射儀中的結(jié)構(gòu)
然后，作者通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算，探究該類碳碳單鍵斷裂的原因。研究表明：首先，反應(yīng)得到中間體4需要相對較大的能量，同時(shí)反應(yīng)達(dá)到過渡態(tài)TS-1。此時(shí)，鋁類化合物再次加入，通過與過渡態(tài)的親核反應(yīng)，可以推動反應(yīng)到達(dá)一個(gè)相對更低的中間過渡態(tài)TS-2，并形成中間態(tài)Int-1。通過對TS1和TS2的自然軌道分析，作者發(fā)現(xiàn)鋁類化合物的親核性是形成最終反應(yīng)物2和3的關(guān)鍵。通過幾何重組，中間態(tài)Int-1更趨向于低能量態(tài)-中間態(tài)T2。在這之后，兩種可能的碳碳單鍵激發(fā)過程可能會發(fā)生，這兩種過程都會引起單鍵的遷移反應(yīng)，從而斷裂碳碳單鍵。并且，兩種過程最終都會使最終產(chǎn)物趨向于一個(gè)能量更低的穩(wěn)定態(tài)。
圖 4：反應(yīng)能量趨勢流程圖，數(shù)字為能量值，單位（kcal mol-1.）
【為什么只有該類化合物可以做到？】
為什么該類鋁類卡賓化合物相較于許多其他的有機(jī)金屬能夠展現(xiàn)出完全不同的反應(yīng)原理呢？從前沿分子軌道的角度上看，該分子的形狀和能量表現(xiàn)形式與其他分子有著根本的不同。首先在過渡金屬中，鋁的3p軌道小于其4d和5d軌道。其次，該類鋁化合物的HOMO-LUMO能級相互正交，這導(dǎo)致了其對應(yīng)的3p軌道有一個(gè)相對于其他過渡金屬而言較小的徑向伸縮。再者，在該類反應(yīng)中，聯(lián)苯烯需要高度扭曲來配合反應(yīng)發(fā)生，當(dāng)反應(yīng)中多出的另一等量的自由的鋁類化合物和中間體發(fā)生親核反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的中間態(tài)因?yàn)樘继紗捂I的氧化加成而造成其自身的空間扭力過大，無法達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的能量平衡，從而選擇趨向于形成一個(gè)更加平緩的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致苯環(huán)斷裂碳碳單鍵并進(jìn)行集合重組,最終形成能量更低的穩(wěn)定的分子。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/anie.202011594
