環(huán)帶烴類化合物的合成研究取得新進(jìn)展
近期，清華大學(xué)化學(xué)系王梅祥教授研究組在環(huán)帶烴類化合物的合成領(lǐng)域取得突破，研究成果相繼發(fā)表在今年的《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 1196-1199；J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 4576-4580）與《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, DOI: 10.1002/anie.202002827.）上，并引起國(guó)際同行的關(guān)注與好評(píng)。
化學(xué)家們對(duì)于具有優(yōu)美結(jié)構(gòu)和獨(dú)特性能的“非天然產(chǎn)物”的研究熱情由來(lái)已久，如對(duì)環(huán)帶烴分子的關(guān)注和研究可追溯到上世紀(jì)五十年代。環(huán)帶烴類分子是由碳環(huán)稠合而成的雙鏈大環(huán)化合物。從并環(huán)類型上看，可以分為鋸齒型（zigzag）A、扶手椅型（armchair）B和螺旋型（chiral）C（圖1）。從形式上的碳-碳鍵的類型來(lái)看，環(huán)帶烴包括完全共軛的、部分共軛的和完全飽和的分子。因?yàn)槠娈惖姆肿咏Y(jié)構(gòu)和理論所預(yù)測(cè)的優(yōu)越理化性能，環(huán)帶烴分子被提出后，包括2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Stoddart教授在內(nèi)的合成化學(xué)家，在上世紀(jì)80年代后期便嘗試這些化合物的“人工全合成”。自1991年碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于上述三種環(huán)帶烴可分別看成是鋸齒型、扶手椅型和螺旋型單壁碳納米管的最短單元，可能作為模板或晶種生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)均勻的單壁碳納米管，更是引發(fā)了一股對(duì)環(huán)帶烴類分子的研究熱潮。得益于2008年Jasti和Bertozzi在環(huán)對(duì)苯撐（cyclo-para-phenylenes，簡(jiǎn)稱CPPs）合成方法的開(kāi)拓性研究和貢獻(xiàn)，近年，日本學(xué)者Itami和Isobe等在日本ERATO計(jì)劃的強(qiáng)力資助下，率先合成了扶手椅型（B）的環(huán)帶烴分子。最近螺旋型環(huán)帶烴（C）也被成功合成。然而，由于缺乏有效的合成方法以及理論所預(yù)測(cè)的高張力和開(kāi)殼層性質(zhì)，鋸齒型（A）環(huán)帶烴的穩(wěn)定性不高，合成研究長(zhǎng)期停滯不前，全共軛的鋸齒型環(huán)帶芳烴更是從未有過(guò)報(bào)道。
圖 1. 鋸齒型，扶手椅型以及螺旋型環(huán)帶芳烴結(jié)構(gòu)
王梅祥課題組建立和發(fā)展了全新和通用的“跨灣造橋” 策略和多重分子內(nèi)反應(yīng)方法，充分利用雷嗩芳烴本身預(yù)組織的單環(huán)結(jié)構(gòu)和所具有的錐式構(gòu)象，通過(guò)在雷嗩芳烴“灣區(qū)”的位點(diǎn)裝配合適的反應(yīng)基團(tuán)，隨后一步實(shí)現(xiàn)4個(gè)或6個(gè)跨越“灣區(qū)”的化學(xué)橋聯(lián)反應(yīng)，高效地構(gòu)建了不同類型骨架結(jié)構(gòu)的環(huán)帶分子，通過(guò)“成帶”后化學(xué)修飾，合成各種環(huán)帶烴化合物，并首次觀測(cè)到全共軛的環(huán)帶芳烴化合物的形成，在環(huán)帶烴研究方面取得進(jìn)展。
首先，他們利用廉價(jià)易得的雷嗩[4]芳烴與雷嗩[6]芳烴作為原料，經(jīng)酚羥基的三氟甲磺?；癝tille偶聯(lián)反應(yīng)構(gòu)建了多烯基取代的大環(huán)中間體，隨后通過(guò)分子內(nèi)的關(guān)環(huán)烯烴復(fù)分解反應(yīng)（RCM）構(gòu)建了環(huán)帶[n]芳烴[n]卓烯（n = 4, 6）。通過(guò)環(huán)帶[4]芳烴[4]卓烯化合物的選擇性催化氫化，實(shí)現(xiàn)烯烴雙鍵徹底還原以及部分苯環(huán)的還原，合成了高度不飽和的環(huán)帶烴衍生物。合成中，每步轉(zhuǎn)化反應(yīng)涉及8或12個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)，反應(yīng)條件溫和、總體效率高，原料廉價(jià)易得，是一個(gè)合成不同大小尺寸環(huán)帶烴的實(shí)用方法。環(huán)帶[n]芳烴[n]卓烯具有獨(dú)特的圓臺(tái)錐結(jié)構(gòu)和空腔，最大內(nèi)徑達(dá)1納米左右（圖2），作為富電子空腔的主體分子，可以選擇性地包合有機(jī)小分子。此外，環(huán)帶[n]芳烴[n]卓烯及衍生物可望作為模板，生長(zhǎng)具有異質(zhì)結(jié)的碳納米管。該成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 1196-1199.），清華大學(xué)博士生張乾為本文的第一作者。
圖 2. 圓臺(tái)錐型環(huán)帶[n]芳烴[n]卓烯及衍生物的合成與結(jié)構(gòu)
基于“跨灣造橋”策略在合成環(huán)帶[n]芳烴[n]卓烯中的成功表現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向化學(xué)家們已經(jīng)探索了幾十年的夢(mèng)想分子——環(huán)帶[n]芳烴。從雷嗩[4]芳烴衍生物出發(fā)，經(jīng)簡(jiǎn)單的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化后，即可生成雷嗩[4]芳烴每個(gè)“灣區(qū)”含有單個(gè)異丙烯基與芐醇基的雷嗩[4]芳烴衍生物。然后通過(guò)分子內(nèi)的“一鍋”四重Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)獲得不同取代基取代的氫化環(huán)帶[8]芳烴。因芳基的取向不同，可以分離得到不同的非對(duì)映異構(gòu)體。這類環(huán)帶烴分子在晶體結(jié)構(gòu)中展示出方型的環(huán)帶狀空腔，其中的環(huán)己二烯片段采取船式構(gòu)象釋放部分的張力（圖3）。
圖 3. 氫化環(huán)帶[8]芳烴的合成與結(jié)構(gòu)
繼而，他們將“跨灣造橋”策略成功的延伸到更大尺寸環(huán)帶烴類化合物的合成。以雷嗩[6]芳烴為原料，通過(guò)選擇性甲基化獲得兩種不同結(jié)構(gòu)的六甲基化雷嗩[6]芳烴衍生物。避免了繁瑣的分離與純化，混合物直接轉(zhuǎn)化為六三氟甲磺酸酯衍生物，通過(guò)Suzuki偶聯(lián)合成得到含有丙烯基取代的中間體。也可通過(guò)與Zn(CN)2偶聯(lián)引入氰基，隨后經(jīng)格氏反應(yīng)與NaBH4還原生成芳香芐醇的中間體。兩種中間體混合物分別經(jīng)“一鍋”六重Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)生成相應(yīng)的氫化環(huán)帶[12]芳烴產(chǎn)物。晶體衍射分析表明這類化合物有著納米尺寸的六邊型環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)和空腔（圖4）。
圖 4. 氫化環(huán)帶[12]芳烴的合成及其納米尺寸空腔
為了合成全共軛的環(huán)帶[8]芳烴，他們進(jìn)一步探索了氫化環(huán)帶[8]芳烴的氧化芳構(gòu)化反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)孜锱cDDQ試劑反應(yīng)時(shí)，不僅使氫化環(huán)帶[8]芳烴發(fā)生脫氫芳構(gòu)化，所生成的高張力環(huán)帶中間體還會(huì)進(jìn)一步與體系中的DDQ發(fā)生[4+2]環(huán)加成反應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件控制，得到了不同的環(huán)帶烴與DDQ的加合產(chǎn)物。當(dāng)在高活性的親雙烯體四氰基乙烯（TCNE）存在時(shí)，合成了環(huán)帶烴與TCNE的加合產(chǎn)物，并實(shí)現(xiàn)了不同加合產(chǎn)物之間的化學(xué)轉(zhuǎn)換（圖5）。最后，他們探索了環(huán)帶[8]芳烴的四DDQ加合物在不同條件下的逆Diels-Alder反應(yīng)，以獲得環(huán)帶[8]芳烴目標(biāo)分子。由于目標(biāo)產(chǎn)物的不穩(wěn)定性，他們雖然未能在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)條件分離獲得該產(chǎn)物，但是在MALDI質(zhì)譜條件下，他們監(jiān)測(cè)到了環(huán)帶[8]芳烴的分子離子峰（圖6），這也是歷史上首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到環(huán)帶[8]芳烴分子。
圖 5. 八氫化環(huán)帶[8]芳烴的氧化芳構(gòu)化反應(yīng)
圖 6. 環(huán)帶[8]芳烴的MALDI-TOF質(zhì)譜圖以及理論優(yōu)化的結(jié)構(gòu)
有關(guān)環(huán)帶[8]芳烴的研究發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 4576-4580.）上，清華大學(xué)博士生時(shí)談浩與郭慶輝為本文的共同第一作者。有關(guān)環(huán)帶[12]芳烴的研究發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, DOI: 10.1002/anie.202002827.）上，清華大學(xué)博士生時(shí)談浩為本文的第一作者。
研究工作獲得國(guó)際同行的好評(píng)，環(huán)帶[8]芳烴的研究工作被《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》雜志選為封面文章，并推送了論文（圖7A）。ChemistryViews等（圖7B和7C）報(bào)道了他們的研究。近日，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Stoddart教授在Chem（https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.03.019）（圖7D）雜志上撰寫文章，評(píng)價(jià)了J. Am. Chem. Soc.論文工作，認(rèn)為他們合成策略巧妙（“ingenious idea”）；標(biāo)志著碳納米管中含有高張力的最簡(jiǎn)構(gòu)筑單元設(shè)計(jì)和合成方面的一個(gè)突破（“The present work, which constitutes the first synthesis and observation of the belt[8]arene derivatives, represents a breakthrough in designing and synthesizing the simplest building blocks with extreme high ring-strain energies that are present in CNTs.”）；該突破可能打開(kāi)了鋸齒形碳納米管更加可控和精準(zhǔn)合成之門（“This breakthrough could open doors to moor controlled and precise synthesis of zigzag carbon nanotubes”）；對(duì)環(huán)帶烴研究領(lǐng)域作出了一個(gè)重要貢獻(xiàn)（“have made a significant contribution to the field of hydrocarbon belts”）。
圖 7. 研究成果受到國(guó)際同行的廣泛關(guān)注
本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和清華大學(xué)雙E計(jì)劃的資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12181
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00112
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202002827
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