芳香性是最重要的有機化學概念之一。Hückel經驗規則告訴我們，當閉合環狀平面型的共軛多烯（輪烯）π電子數為4n+2時，具有芳香性，分子比較穩定；而當π電子數為4n時，分子具有反芳香性。芳香性分子內具有抗磁性（diatropic）環電流，鍵長趨于統一，分子也具有穩定性。相反，反芳香性分子內有順磁性（paratropic）環電流，鍵長交替，分子也非常不穩定。相比于多環芳烴，盡管理論計算上表明，反芳香性分子具有更窄的帶隙，有利于電荷的傳輸，但是基于反芳香性分子的研究非常少。這主要是因為反芳香性分子的不穩定性，使得這類分子缺乏高效的合成方法，極大限制了相關研究的發展。
斯坦福大學化學系的夏巖（Yan Xia）教授（點擊查看介紹）自2013年建立實驗室以來，一直致力于開發新的合成方法來制備具有特殊功能的有機材料和新型高分子骨架。2014年，夏巖團隊成功開發了一種鈀催化的降冰片二烯（norbornadiene）和二溴芳烴成環的高效反應（CANAL，Catalytic Arene-Norbornene AnnuLation; J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 17434），團隊首先展示了利用這個反應合成一系列梯形高分子。隨后，他們設想如果把降冰片二烯的橋上碳原子替換為氧原子，CANAL化學產物經過芳構化，可能直接高效得到新型含反芳香性環丁二烯的共軛體系。
夏巖實驗室的博士研究生金澤鑫（Zexin Jin）和Yew Chin Teo實現了這個設想，于2017年春發表了通過CANAL合成反芳香新型分子的方法（圖1上, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 1806）。值得一提的是，這種模塊化的合成含反芳香性環丁二烯體系的方法相比于之前的方法具有非常大的優勢，不僅產率高，原料更加易得，而且可以合成更多官能團化的環丁二烯共軛體系。晶體結構以及實驗和計算結果表明，這類分子傾向于降低 “環丁二烯電流” ，從而使雙鍵定域在四元環之外，來降低這類分子的反芳香性穩定它們的能量。那么，能不能進一步通過分子結構的設計，來調節（提高）四元環的反芳香性呢？
圖1. [3]Naphthylene的分子設計。 圖片來源：J. Am. Chem. Soc.
在這項工作中，博士生金澤鑫利用CANAL化學的區域選擇性，設計并高效地合成了一類新的[3]Naphthylene分子（圖1下）。盡管這三種[3]Naphthylene都是由三個萘分子和兩個環丁二烯共軛而組成的，但是作者發現這三種分子具有完全不同的光譜學性質和穩定性。如圖2所示，三種分子在365 nm的紫外燈下呈現出不同的顏色，紫外-可見以及熒光光譜完全不同，而熒光量子效率也不同。其中，鋸齒形[3]Naphthylene具有吸收光譜更加紅移，熒光量子效率最低，分子也更加不穩定；電化學結果表明它的HOMO更低，LUMO更高。作者將這種三種[3]Naphthylene的不同性質歸因于他們的反芳香性不同：鋸齒形[3]Naphthylene的反芳香性最高，而直形[3]Naphthylene的反芳香性最低。
圖2. [3]Naphthylene的紫外-可見吸收和熒光光譜。圖片來源：J. Am. Chem. Soc.
隨后，他們討論了這三種[3]Naphthylene的反芳香性。作者所用的計算方法是NICS-XY掃描法，一種新的基于NICS的計算方法。相比于普通的單點NICS計算，這種方法可以掃描分子上方特定距離的NICS值，并且將σ軌道和π軌道的貢獻分離，從而得到整個分子的環電流信息。正的NICS數值表明了反芳香性（paratropicity），負值表明了芳香性（diatropicity），絕對值的大小表明了它們的強弱。如圖3所示，環A具有負值，表明環A具有芳香性；環B仍然是負值，但是比環A的數值小，說明了環B具有比環A更弱的芳香性；而環C是正值，說明了環丁二烯C具有反芳香性。通過比較三種[3]Naphthylene的計算結果，作者發現當萘分子的C2-C3鍵與四元環相連時，所得的四元環的反芳香性較弱，而當C1-C2鍵與四元環相連時，四元環的反芳香性較強，而且萘分子中與之相連的苯的芳香性反而更高。這一點可以從萘本身的分子結構來理解：由于萘分子本身就具有鍵交替，而四元環有使與之相連的鍵增長的作用（為了避免“環丁二烯電流”），所以當C1-C2鍵與之相連時，會削弱萘的鍵交替，使得鍵長更趨于統一；而C2-C3鍵與四元環相連則會增強萘的鍵交替，使芳香性降低。這一點也通過晶體結構的鍵長分析得到了佐證。
圖3. [3]Naphthylene的NICS-XY掃描結果。 ?圖片來源：J. Am. Chem. Soc.
隨后，作者對三種分子和前體的核磁共振（NMR）圖做了分析，中心的萘上的氫在芳構化之后均向高場移動，這是由于四元環的反芳香性和萘的芳香性降低導致的，與計算結果吻合。最后，作者通過對鍵長的分析以及基于晶體結構的HOMA（Harmonic Oscillator Model of Aromaticity）計算也進一步佐證了NICS-XY掃描的結果。
綜上所述，夏巖教授課題組的這項工作利用新開發的高效鈀催化成環化學，通過簡單的分子的拓撲結構變化，調節了三種同分異構的[3]Naphthylene分子的反芳香性，展示了它們迥異的光學性質。這項工作例證了新穎高效的合成方法是如何助力對于反芳香性分子的探索，并為反芳香性分子的研究提供了新的思路，具有重要的科學意義。相關研究結果近期作為封面文章發表于《Journal of the American Chemical Society 》上，文章的第一作者是斯坦福大學博士研究生金澤鑫。
圖4. 當期JACS 封面。 圖片來源：J. Am. Chem. Soc.
該論文作者為：Zexin Jin, Yew Chin Teo, Simon J. Teat, Yan Xia
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