▎學術經緯/報導
前些時日，我們介紹了一篇關於苯合成的文章（武漢大學雷愛文組Angew：可見光誘導下溫和高效合成苯）。在大多數人的印象中，苯是一種具有芳香穩定性的閉環結構，只有在高溫、強氧化劑等苛刻條件下才能發生開環，很難轉化為其他線性的產物。然而最近，英國牛津大學的Simon Aldridge教授與Jose M. Goicoechea教授合作，利用前期工作發展的一種具有親核性的Al(I)負離子物種實現了室溫條件下苯的開環，並高選擇性地得到線性三烯類產物，相關工作發表在J. Am. Chem. Soc.上。
▲圖片來源：參考資料[1]
德國化學家凱庫勒首次提出了苯的閉環結構，成功解釋了苯參與的許多反應現象。他認為，苯是六個碳原子環合成的正六邊形，碳與碳之間以C-C單鍵、C=C雙鍵交替成鍵。但這種結構無法解釋苯相比於「環己三烯」存在的特殊穩定性，如苯的氫化熱更低、在常規條件下無法像其他不飽和烴那樣發生加成反應，同時也無法解釋苯的六個碳原子等價的現象。隨後苯的結構又得到了進一步修正，苯環中的C-C鍵是一種介於單鍵與雙鍵之間的特殊化學鍵，6個π電子離域均勻分布，合理地解釋了6個C-C鍵鍵長均等及苯環的完全對稱結構，苯的熱力學穩定性也由此得到了證實。
這一特性也決定了苯在參與大多數反應時能夠保留六元碳環母核結構。苯可以與金屬配合物的金屬中心通過π平面配位，由此活化C-H鍵，發生去質子化或氧化加成反應，但實現苯環C-C鍵斷裂的方法為數不多。早期經典的方法包括Buchner擴環反應，重氮乙酸酯在加熱、光照等條件下形成卡賓活性物種，進而與苯發生[2+1]環加成、6π電環化得到環庚三烯羧酸酯。隨後，人們又通過其他原位產生的瞬態高活性物種（如卡賓、三線態的矽烯）實現了苯環C-C鍵的氧化活化。但這些方法也均局限於苯環增元擴環，尚無有效的開環策略。
2018年，Simon Aldridge教授與Jose M. Goicoechea教授設計了一種二甲基氧雜蒽穩定的鋁酸鉀二聚體化合物[K{Al(NON)}]2（1）。Al通常以+3價氧化態的形式存在於化合物中，含有+1價Al的化合物熱力學不穩定，十分容易發生歧化反應。1則是通過4,5-雙（2,6-二異丙基苯氨基）-2,7-二叔丁基-9,9-二甲基氧雜蒽中的兩個氨基與Al(I)中心鍵連，與此同時，吡喃環中的氧也對其具有配位穩定作用。形成的Al(I)陰離子具有很強的親核性，可以很容易地與Brønsted酸及不同碳中心親電試劑（如MeOTf、MeI）反應，還可在室溫下活化H2。1可以在300 K的固體及苯溶液中穩定存在，當溫度升高至330 K時，苯的C-H鍵可對Al(I)中心進行形式上的氧化加成得到[K{Ph(H)Al(NON)}]2。
▲1的X射線晶體衍射結構（圖片來源：參考資料[2]）
▲1作為親核試劑參與的反應（圖片來源：參考資料[2]）
作者通過擴散排序核磁共振譜（DOSY NMR）對1進行結構表徵，1在C6D6溶液中仍舊以二聚體的形式穩定存在。他們想到苯與1發生反應可能是因為1的聚集程度發生改變，於是在1的THF溶液中加入K+螯合劑（[2.2.2]cryptand）捕獲其中的K+，得到[K(2.2.2-crypt)][(NON)Al]（2），2在固體狀態下為單體。
▲二聚體1在K+螯合劑的作用下形成單體2（圖片來源：參考資料[3]）
相比之下，苯與1反應需要在60 ℃下進行96 h，而與2在室溫下48 h即可完成。作者發現，苯的C-C鍵對Al(I)中心發生氧化加成，形成金屬雜七元環「AlC6H6」物種3，這一過程也是可逆的。以往實現苯的C-C鍵活化需要原位形成瞬態的活性物種參與反應，但對於該反應，2能夠結晶分離，在惰性氣體氛圍下可長時間保存在容器中。化合物1的製備過程也十分簡單，鹼K[N(SiMe3)2]對(NON)H2攫氫後與AlI3反應，隨後在過量還原劑KC8的作用下得到目標產物。3進一步與MeSnCl2在室溫下混合便可得到苯環開環的線性產物8。
▲苯在2的作用下發生C-C鍵活化（圖片來源：參考資料[3]）
▲1的製備方法（圖片來源：參考資料[2]）
▲3發生開環得到線性產物8（圖片來源：參考資料[3]）
他們還通過密度泛函理論（DFT）計算研究1、2與苯反應活性不同的原因。單體[(NON)Al]-中Al(I)的孤對電子佔據最高已佔軌道（HOMO），由此可與苯發生[2+1]環加成，但在二聚體1中，Al(I)的孤對電子得到穩定，反應活性較低。此外，C-C鍵活化與C-H鍵活化均為放熱過程，後者在能量上更為穩定，為熱力學產物（5）；但C-C鍵活化的過渡態能壘較低，因而在室溫條件下便可發生[2+1]環加成、6π電環化得到動力學產物（3）。
▲C-C鍵與C-H鍵活化的DFT計算（圖片來源：參考資料[3]）
哥倫比亞大學的Gerard Parkin教授對這項工作給予了高度的評價：不論利用什麼金屬參與反應，能實現苯環的C-C鍵斷裂都是一項驚人的舉措。更何況該反應使用的是主族金屬鋁，這類金屬通常比過渡金屬的活性還差。不過，該反應目前也只限於實驗室合成，考慮到反應試劑的成本較高，其距離工業化生產中用於裂解芳香烴類石油化工產品還有很長的路要走。美國化學會旗下的《化學與工程新聞》（C&EN）也對這一前景進行了展望，期待人們可以向目標不斷靠近。
題圖來源：Pixabay
參考資料
[1] Carmen Drahl et al., (2019). Aluminum Foils Aromaticity. C&EN, DOI: 10.1021/cen-09729-scicon4
[2] Jamie Hicks et al., (2018). Synthesis, Structure and Reaction Chemistry of a Nucleophilic Aluminyl Anion. Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0037-y
[3] Jamie Hicks et al., (2019). Reversible, Room-Temperature C-C Bond Activation of Benzene by an Isolable Metal Complex. J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.9b05925
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