铝刀切苯环

大家可能都听过凯库勒发现苯环结构的故事，据称，凯库勒的灵感来自梦里一条首尾相连的蛇。且不论故事的传奇程度，苯分子在化学史上的确比较特殊，它特殊的结构和物理化学性质也配得上它的历史地位。从分子轨道理论来看，可以认为苯的6个p轨道相互作用形成6个π分子轨道，电子高度离域，不存在传统意义上的单/双键。正因为拥有如此稳定的结构，以至于近两百年来苯环上反应主要集中在C-H键的断裂上（如卤代、硝化、磺化、氧化和傅-克反应等），甚至尝试破坏芳香性将苯环氢化也是及其困难的，更遑论C-C键的断裂了。事实上，鲜有苯和芳香烃的C-C键被切断的报道，其中最为著名的例子还是1885年报道的由重氮乙酸乙酯产生的卡宾对苯环插入的Buchner扩环反应。

试想一下，如果苯的C-C键能通过便捷的手段进行操作，那么由其衍生的物质将变得更加丰富。目前这些操作尚需要昂贵的过渡金属参与（如铑），而廉价的主族金属（如铝）在这个领域尚未有所突破，其主要原因在于铝是缺电子的，具有亲电性，并且不像过渡金属一样具有d轨道，常用作Lewis酸（如AlCl₃）。虽然制备成铝酸盐（[AlX₄]⁻）后可以翻转极性，但其作为亲核试剂的应用目前还几无报道。相比之下，铝的+1价氧化态（如[AlX₂]⁻）则可以作为亲核试剂，但由于其热力学不稳定性而易发生歧化反应。2018年，牛津大学的Simon Aldridge教授（点击查看介绍）和Jose Goicoechea教授（点击查看介绍）等人在Nature 上首次报道了稳定的[AlX₂]⁻二聚体——[K{Al(NON)}]₂（下图，化合物1）^[1]，并证明其作为亲核试剂可应用在苯的C-H键氧化加成上（点击阅读相关）。近日，为了研究[AlX₂]⁻聚集程度对其化学性质的影响，该研究团队用钾离子掩蔽剂[2.2.2]穴状配体（下图，2.2.2-crypt）解离化合物1中的钾离子制备了[AlX₂]⁻单体——单核化合物[K(2.2.2-crypt)][(NON)Al]（下图，化合物2），并发现该单体比二聚体1活性更强，可在室温下对苯分子的C-C键进行可逆氧化加成。相关结果发表在J. Am. Chem. Soc.上。

[AlX₂]⁻二聚体和单体。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

X射线单晶衍射显示单体2（下图a）中铝复合物的结构类似二聚体1，Al−N键和Al−O键的键长与1接近，但并不含有短的Al•••Al或K•••Al相互作用（<7 Å），且¹H NMR显示质子的化学位移与1有很多不同。这些证据都表明溶液中单体2的[K(2.2.2-crypt)]⁺和[(NON)Al]^-是相互分离的。在反应性上，单体2也与二聚体1很不同。Simon Aldridge教授等人之前的工作已经报道二聚体1在60 ℃下反应96 h才能完全切断苯分子C-H键 ^[1]，而此次制备的单体2只需在室温下反应48 h就能切断苯分子的C-C键，生成杂金属七元环化合物3。3的结构也由X射线单晶衍射进行了表征（下图b）。其中Al−C键长为1.980 Å，而C−C键键长分别为1.343, 1.442, 1.352, 1.451和1.352 Å，已经与苯分子的1.39 Å有明显区别，显示出明显的单/双键交替结构。而且更有意思的是——这种C-C键活化是可逆的，在60-80 ℃下可以解离出苯，与氘代苯进行交换生成3-d6，原位NMR证实了该过程（下图c）。同时，该过程的ΔH^‡和ΔS^‡分别为119.3(2.2) kJ mol^-1和23.9(6.5) J mol^-1 K^-1，也与根据密度泛函理论（DFT）按照解离机理计算的吉布斯自由能ΔG^‡（111 kJ mol^-1 at 80 °C）一致。

化合物2和3阴离子的分子结构及室温下苯分子可逆C-C键活化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

如果上述原位NMR和计算模拟还不能完全说服您相信该C-C键活化是可逆的，那么下面的实验结果将彻底打消您的疑虑。研究人员分别用单体2和金属环化物3与萘进行反应，在80 ℃下反应16 h后，两种起始原料都得到了相同比例的C-H键活化产物4a和4b，这就说明单体2对苯分子C-C键在温和条件下的活化是可逆的。

化合物2和3参与的萘C-H活化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

如何探究这种史无前例的反应的具体机理呢？毫无疑问DFT计算是有效的手段。考虑到计算效率的问题，研究人员在计算时将NON基团上的叔丁基用甲基替代。首先需要确认为何发生C-C键活化而非C-H键活化？通过DFT计算发现，这两种活化方式实际上分别是动力学过程和热力学过程，并且这两种过程在能量上差别较大（ΔG = −17 kJ mol^-1和−146 kJ mol^-1），同时这决速的过渡态能量也相差超过20 kJ mol^-1，使得在室温下得到动力学产物3′。在实验中，研究人员也观察到加热2或3的苯溶液到80 ℃可以得到热力学产物5。其次需要确认C-C键活化的具体过程。研究人员认为这一反应经历了两步过程：第一步是单体2与苯分子发生[2+1]环化生成双环中间体int（这一过程也被2与乙烯得到相应的杂金属环丙烷所证实），单体[(NON)Al]⁻中Al中心孤对电子的最高已占轨道HOMO有利于该过程，而二聚体1中该轨道却被稳定化；第二步是双环中间体int的6π电环化开环得到七元杂金属环化合物3′。

DFT计算C-C键和C-H键活化机理。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

基于3可以被氘代苯和萘取代的事实，研究人员进一步思考是否可以被其他亲电试剂取代？不出意料的，当加入Me₂SnCl₂后，3中C-Al键被Al-Cl键取代，生成卤代物7和有机锡试剂8，后者双键的立体化学完全与3一致。

非环产物生成。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

总结

尽管这不是首例对苯环进行“分子手术”的例子，但这是化学家第一次用稳定的主族金属复合物实现苯分子C-C键活化。这种铝复合物可在常温下实现苯C-C键的可逆活化，以至于文章的作者之一Petra Vasko都说“一开始我们不敢相信，这让Jamie Hicks（本文一作）不得不回头去重复了好几次实验” ^[2]。这种方法无疑开启了苯的更多元的应用场景。诚然，正如Jose Goicoechea教授所说，目前只做了一个将苯环开环成线性分子的例子，仅仅是一个概念验证性实验，他们未来的一个远大目标是使用催化剂量的铝复合物实现该转化。^[2]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Reversible, Room-Temperature C-C Bond Activation of Benzene by an Isolable Metal Complex

Jamie Hicks, Petra Vasko, Jose M. Goicoechea, Simon Aldridge

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 11000−11003, DOI: 10.1021/jacs.9b05925

导师介绍

Simon Aldridge

https://www.x-mol.com/university/faculty/2602

Jose Goicoechea

https://www.x-mol.com/university/faculty/2642

参考文献：

1. Jamie Hicks, Petra Vasko, Jose M. Goicoechea & Simon Aldridge. Synthesis, structure and reaction chemistry of a nucleophilic aluminyl anion. Nature, 2018, 557, 92,

2. Aluminum complex busts open benzene's ring

https://cen.acs.org/synthesis/reagents/Aluminum-complex-busts-open-benzenes/97/web/2019/07

（本文由峰千朵供稿）