有史以来第一次！选择性断裂更稳定的碳碳单键

　　碳碳单键，是构成物质的最为基本的结构之一，其稳定性自是不言而喻。但是，也正是因为它的稳定，也阻碍了很多合成的发生。在近半个世纪以来，科学家们一直试图找到合适的方法将碳碳单键断裂，在根本上拓宽新分子的合成方法，从而真正实现合成领域的随心所欲。

　　1944年，现代有机合成之父罗伯特伯恩斯伍德沃德教授在有机合成实验中第一次实现了有机物碳碳单键断裂。在这之后，随着对过渡金属的了解加深，人们发现了它可以大大拓宽实现碳碳单键的断裂的方法。但是，实验的适用性、广泛性和可操作性依然还是存在一定的限制。其中，如何能够有选择性地断裂自己想要断裂的单键，成为了最大的难题——在已知的几乎所有的碳碳单键断裂反应中，优先断裂的总是相对较活跃的单键。

　　直到近日，英国帝国理工大学Mark R. Crimmin博士和其团队发现了一种铝化物，有史以来第一次做到了可以有选择性地断裂联苯烯中最坚硬的苯环碳碳键，而自动忽略相对活跃的中心四圆环，这种奇特的选择性还是第一次被发现。该研究毫无疑问地为有机金属合成领域打开了一扇新的大门。其研究成果以“Chemoselective C–C σ-Bond Activation of the Most Stable Ring in Biphenylene”为题，被发表在最新一期的《Angewandte Chemie》上。

　　图 1：碳碳单键激发的化学选择性

　　【如何做到？】

　　联苯烯被选为此次研究的对象，它拥有两个苯环，环与环之间由碳碳键连接组成了一个四圆环。苯环自身的碳碳单键非常稳定，此外由于苯环6个π电子的离域作用以及电子云的均匀分布，稳定性更为加强。而处在中心位置的四圆环，由于其反芳香性和相对几何扭力较大，其键与键之间的键能也就相对较弱，比较容易断裂。在这次实验之前所有关于联苯烯的所有反应中，都是断裂其中间的四圆环而非苯环本身（如图一）。该次实验的特殊性和超前性也由此体现。

　　具体的实验操作步骤为（如图2）：首先，两倍量的铝类卡宾化合物1和联苯烯在100℃的反应条件下反应3个小时，化合物1选择其中的一个苯环进行配位，导致该苯环中的C2-C3或者C4-C5单键断裂，得到两个反应产物2和3 （比例1：0.7）。该类产物均含有两个带铝的五圆环。产物2中间体在-35℃下的苯酚或四氢呋喃溶液中结晶，而产物3则可在苯酚溶液重结晶析出。

　　图 2：反应合成路线图。

　　作者也尝试了在相对较低的反应温度下合成（25℃），并于7天后得到了另一个反应中间体4。中间体4是由铝化物和联苯烯发生（4+1）环加成反应得来。此外，作者还发现在改变反应温度至100℃之后，通过再次加入铝类化合物，该中间体4仍能够得到类似产率的反应产物2和3。

　　【为什么可以做到？】

　　作者首先尝试了用多核核磁共振光谱和单晶X射线衍射仪来了解并确认所有产物的组成。核磁共振光谱确认了C3和C4对应的氢出现在 5.32和7.44 ppm。产物2本身在C5和C6处有两个异构中心，其存在也被1D-NOE光谱证实。产物3和中间体4则在单晶射线衍射仪中得到确认，其具体的构成如图所示。

　　图 3：产物3（a）和产物4（b）在单晶X射线衍射仪中的结构

　　然后，作者通过密度泛函理论（DFT）计算，探究该类碳碳单键断裂的原因。研究表明：首先，反应得到中间体4需要相对较大的能量，同时反应达到过渡态TS-1。此时，铝类化合物再次加入，通过与过渡态的亲核反应，可以推动反应到达一个相对更低的中间过渡态TS-2，并形成中间态Int-1。通过对TS1和TS2的自然轨道分析，作者发现铝类化合物的亲核性是形成最终反应物2和3的关键。通过几何重组，中间态Int-1更趋向于低能量态-中间态T2。在这之后，两种可能的碳碳单键激发过程可能会发生，这两种过程都会引起单键的迁移反应，从而断裂碳碳单键。并且，两种过程最终都会使最终产物趋向于一个能量更低的稳定态。

　　图 4：反应能量趋势流程图，数字为能量值，单位（kcal mol-1.）

　　【为什么只有该类化合物可以做到？】

　　为什么该类铝类卡宾化合物相较于许多其他的有机金属能够展现出完全不同的反应原理呢？从前沿分子轨道的角度上看，该分子的形状和能量表现形式与其他分子有着根本的不同。首先在过渡金属中，铝的3p轨道小于其4d和5d轨道。其次，该类铝化合物的HOMO-LUMO能级相互正交，这导致了其对应的3p轨道有一个相对于其他过渡金属而言较小的径向伸缩。再者，在该类反应中，联苯烯需要高度扭曲来配合反应发生，当反应中多出的另一等量的自由的铝类化合物和中间体发生亲核反应时，产生的中间态因为碳碳单键的氧化加成而造成其自身的空间扭力过大，无法达到一个稳定的能量平衡，从而选择趋向于形成一个更加平缓的结构，从而导致苯环断裂碳碳单键并进行集合重组,最终形成能量更低的稳定的分子。