北京时间2022年12月13日，南方科技大学/厦门大学夏海平教授、厦门大学林玉妹副教授团队在Nature Synthesis期刊上发表了一篇题为“Ring Contraction of Metallacyclobutadiene to Metallacyclopropene Driven by π- and σ-Aromaticity Relay”的研究成果。

该成果提出了一种基于π-和σ-芳香性接力驱动的策略，实现了首例金属杂环丁二烯到金属杂环丙烯的缩环反应，通过捕获反应中间体和DFT理论计算，揭示了反应机理和驱动力，为芳香性在合成化学中的应用提供了新思路，也激发了化学家探索芳香驱动在有机化学合成中的应用新模式。

论文通讯作者是夏海平、林玉妹；第一作者是卓凯玥、刘亚南。

芳香性是芳香化学的基石。传统π芳香性的特征是环状闭合共轭体系中π电子高度离域。σ-芳香性则是以σ-电子的离域化为特征，这是1984年由杜瓦率先提出的解释环丙烷异常磁性行为的理论。π-芳香性是合成芳香化合物的重要驱动力，由σ-芳香性驱动的反应很罕见。同时，金属杂小环的形成与转化是炔烃复分解、聚合反应、C-H键活化等的关键步骤，在有机合成和催化应用中具有重要价值。鉴于高的环张力，金属杂小环倾向于发生重排、加成等开环或扩环反应，缩环反应因通常会导致环张力增大而较少见。

图1：π-和σ-芳香接力驱动的缩环反应：金属杂环丁二烯→金属杂环丙烯。

在这项工作中，夏海平教授（南方科技大学/厦门大学）/林玉妹副教授（厦门大学）团队基于课题组特色的金属杂芳香化合物——“碳龙配合物”，因金属的d轨道和主族原子的p轨道形成dπ-pπ共轭而具有的独特的物理、化学性能，设计并合成了β位氯取代的金属杂环丁二烯并戊搭烯化合物2a-2c，其在酸性条件下发生缩环反应，生成金属杂环丙烯并戊搭烯化合物3a-3c（图2）。而此前的研究中，金属杂环丁二烯的缩环过程仅作为机理研究的中间体被推测。

图2：四元环化合物2a–2c缩环为三元环化合物3a–3c的研究。

为进一步理解缩环机理，作者进行了DFT计算。结果表明反应可能经历先开环-后关环的分步机理，即2a中金属杂环丁二烯被质子进攻，四元环开环后生成金属中心16电子的乙烯基卡宾中间体4a，随后，去质子化关环生成能量有利的最终产物3a（图3）。

图3：机理探究：DFT计算。

通过对酸的当量及种类的调控，在四氟硼酸乙醚的条件下，成功捕获了反应中间体4A（图4）。理论计算揭示了酸对缩环反应的影响在于不同中间体4A及4a的能量差异，以及中间体转化为最终产物3a的过程的能垒高低。即在四氟硼酸乙醚的条件下，中间体4A相比三氟乙酸条件下的4a具有更低的能量，且下一步关环所经历过渡态TS2'的能垒更高，室温下转化速率较慢，热力学上更有利，为中间体4A的捕获提供了可能。吉布斯自由能曲线表明化合物2a→4A→3a的过程能量持续降低，推测这一转化过程与芳香稳定化能有关。

图4：控制实验和关键中间体4A的分离。

随后，作者采用多种芳香性判据对模型化合物2a'、4A'和3a'的芳香性进行研究。拆分轨道的核独立化学位移（NICS）计算、感应电流密度（ACID）、等键反应等判据一致表明2a'中金属杂环丁二烯的π-反芳香性，中间体4A'的π-芳香性及3a'中金属杂环丙烯的σ-芳香性特征（图 5），揭示了“先开环-再关环”分步机理的驱动力：π-芳香性驱动四元环的开环释放了反芳香性；然后，在所生成三元环σ-芳香性的驱动下实现再次关环，生成具有π-和σ-双重芳香性稳定化的金属杂环丙烯并戊搭烯，扩展了芳香骨架，体系能量进一步下降。

图5：通过理论计算对模型化合物2a'、4A'和3a'的芳香性进行评估。图片来源：Nature Synthesis

碳龙配合物因过渡金属的d轨道参与π共轭而性能独特。该团队近期发展了以碳龙骨架为基础的新催化剂体系（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2301–2310）；设计合成了吸收光谱可抵达NIR-II的碳龙配合物（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202211734），该工作进一步展示了碳龙骨架这一新结构基元的潜在价值，展现了芳香驱动在有机化学合成中的应用新模式，为芳香化学的发展带来新机遇。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-022-00194-2