综述：通过计算化学方法在反芳香金属环领域取得的最新进展 朱立明（Lvming Zhu）， 王亚荣（Yarong Wang）， 李阳（Yang Li）

《Chemistry》：Recent Advances in Antiaromatic Metallacycles Through Computational Chemistry Methods Lvming Zhu, Yarong Wang and Yang Li

　　摘要 近年来，由于反芳香化合物独特的电子结构和性质，它们在光电材料、催化合成和生物医学领域受到了显著关注，成为有机化学研究的前沿。在过去五年中，已经报道了多种新型的反芳香金属杂环化合物。然而，由于过渡金属d轨道的参与，这些化合物的电子结构与传统反芳香体系有显著不同。在这方面，计算方法，特别是密度泛函理论，在评估和理解反芳香性方面发挥着重要作用。本文综述了过去五年中报道的反芳香金属杂环化合物的代表性例子，特别强调了计算化学方法在表征其反芳香性质中的关键作用，旨在为这一快速发展领域的未来研究提供有价值的见解。 1. 引言芳香性是化学中的一个基本概念，近200年来一直吸引着化学家的关注，并且自法拉第在1825年分离出苯以来一直在不断发展[1]。值得注意的是，近年来，由于反芳香化合物在材料科学、催化转化和药物发现方面的突破性应用，它们受到了学术界的广泛关注。然而，这些化合物内在的热力学不稳定性和高化学反应性仍然对它们的合成和表征带来了重大挑战。目前，芳香性和反芳香性的定义仍然不明确。广泛接受的芳香性和反芳香性分类主要基于Hückel芳香性[2]、Baird芳香性[3]和M?bius芳香性[4,5]。1931年，Hückel提出了著名的[4n + 2]规则[2]：在一个平面、单环的sp2杂化原子系统中，具有(4n + 2) π电子的化合物被认为是芳香的（图1a）。1967年，Breslow引入了反芳香性概念，用于描述含有4n π电子的系统，以补充芳香性[6]。早在此之前，1958年，Craig首次描述了基于轨道对称性的另一种芳香性类型，通常称为Craig型芳香性（图1b）[4]。在这种情况下，所需的轨道相位反转是通过pπ–dπ离域实现的[7,8]。随后，在1964年，Heilbronner首次提出了M?bius芳香性，它与经典的Hückel芳香性不同[5]：基态下的环状4n电子苯并茂化合物如果采用扭曲的M?bius条带的几何结构，可能会表现出M?bius芳香性（图1c）。1972年，Baird指出，Hückel规则的例外不仅发生在M?bius拓扑结构中，也发生在三重态。具体来说，他认为当分子处于其第一个激发三重态时，具有4n个离域π电子的平面共轭环系统是芳香的[3]。此外，根据参与离域的轨道类型，芳香性可以进一步分为σ芳香性[9,10,11]、π芳香性、δ芳香性[12]等。图1. 芳香性类型及其代表性分子。(a) 苯；(b) 金属五烯；(c) 环壬四烯阳离子。常见的反芳香有机化合物包括环丁二烯和[4n] π电子苯并茂化合物，这一领域在之前的研究中已经进行了全面综述[13]。随着有机金属化合物的大规模合成及其性质的日益详细研究，过去五年中报道了许多反芳香金属化合物。由于过渡金属d轨道的参与，这些金属化合物表现出与传统芳香体系不同的电子结构特征，使得传统的标准（如Hückel规则）难以应用[14]。目前，用于评估有机金属化合物反芳香性的实验标准包括共面性、键长均等化、NMR化学位移和反应性[15]。然而，这些实验标准无法直接测量反芳香性，因为反芳香性的确定主要依赖于电子离域程度的评估，而实验方法无法直接观察过渡态或电子流动[16,17]。相比之下，计算化学提供了一系列基于密度泛函理论（DFT）的计算方法[18,19,20]，包括核独立化学位移（NICS）[21]、诱导电流密度的各向异性（AICD）[22]和包含规范的手性诱导电流（GIMIC）[23,24]（用于磁性性质），以及芳香稳定能（ASE）[25]（用于能量性质）。因此，计算化学方法对于理解这些化合物的反芳香性和分类它们的不同类型反芳香性非常重要。尽管我们和我们的合作者之前已经使用计算和实验方法综述了金属杂环化合物的合成、结构和一般反芳香特征[26]，但由于仅通过实验观察难以分析金属杂环化合物的反芳香性，因此仍然有必要从计算角度专门讨论如何确定和分析这些系统的反芳香性。本文回顾了过去五年中报道的反芳香金属杂环化合物的代表性例子，特别强调了计算化学方法在表征其反芳香性质中的关键作用。我们旨在为这一快速发展领域的未来研究提供有价值的见解。 2. 有用的计算方法评估反芳香性质的计算化学方法主要涉及磁性质、能量性质、几何性质和基于轨道的性质标准。鉴于基于磁性质的方法应用最广泛，我们将在本节简要介绍这些方法及其优缺点。 2.1. NICS NICS可以被视为一种利用绝对磁屏蔽来确定芳香性或反芳香性的方法[21]。最初，NICS方法通过计算环中心虚拟原子的绝对各向同性磁屏蔽的负值来量化芳香性和反芳香性，表示为NICS(0)[21]。为了减少环中心平面σ键的干扰，引入了NICS(1)，将虚拟原子放在平面上方1 ?处，从而更好地反映π电子的离域[27]。此外，与NICSiso（表示三个空间分量（xx, yy和zz）的无权重平均值）相比，基于NICS(1)并通过提取垂直于分子平面的张量分量（zz分量）获得的NICS(1)zz值，更能有效地隔离π体系的特征，消除了σ电子框架的磁贡献[27]。由于其概念上的简单性和计算上的便利性，NICS方法已在各种分子结构中得到广泛应用。普遍接受的观点是，负的NICS值与芳香性相关，而正值表示反芳香性[21]。例如，经典反芳香化合物环丁二烯和五烯的NICS(1)zz值分别为+65.1 ppm和58.2 ppm[28]和[29]。然而，NICS方法对局部化学效应非常敏感，包括来自平面内局部σ键电子、孤对电子和局部极化电子的贡献[30]。特别是，在评估金属杂环化合物时，NICS值可能会受到过渡金属中心周围强局部顺磁电流的影响[31,32,33]。这些磁响应源于允许的对称性占据到未占据的激发，涉及低能未占据轨道[34,35]，根据它们的区域产生明显的屏蔽或去屏蔽效应，尤其是在虚拟原子位于金属附近时，可能导致反芳香性的错误分配[36]。此外，对于复杂的多环系统，依赖单一NICS值不足以准确捕获局部和全局电流密度分布[30,37]。因此，直接比较结构不同的系统之间的NICS幅度可能会在评估它们的相对反芳香强度时产生误导[30,37]。 2.2. AICD AICD通过计算磁诱导电流的各向异性张量来表示电子离域[22]。它通过分析在外部磁场垂直于分子平面的情况下分子中诱导电流的方向来评估电子离域[22]。在芳香系统中，会产生顺时针方向的环电流，而反芳香系统则会产生逆时针方向的环电流。相比之下，非芳香系统仅在个别原子周围显示局部各向异性的诱导电流，并不维持连续的环电流[38]。通过绘制各向异性诱导电流密度的等值面图，AICD方法可视化了诱导电流的方向，直接反映了电子离域的程度和环电流的方向，从而允许评估反芳香性[39]。然而，这种方法仅提供了电流流动的定性描述。由于结果可能对DFT和CSGT方法的选择敏感，因此精确量化电流强度仍然具有挑战性[39]。此外，在复杂的非平面系统中，通过AICD可视化环电流可能会变得模糊。因此，通常建议将AICD与其他分析技术结合使用以实现多维交叉验证。 2.3. GIMIC GIMIC是一种从核磁屏蔽计算中提取诱导电流密度的分析工具[23,24]。它通过处理密度矩阵和磁场导数矩阵来计算分子系统的诱导电流密度矢量场，从而能够定量分析分子内不同位置的电流强度和方向[23,24]。与AICD方法相比，GIMIC方法可以通过定义横截面并计算电流矢量的积分通量来定量确定特定化学键的电流强度。这为评估反芳香性提供了客观和可比较的指标，弥补了AICD方法主要限于定性视觉分析的不足[24]。此外，虽然原始的GIMIC程序主要依赖于总电流密度[40]，难以区分σ电子和π电子的独立贡献，但Nasibullin等人开发的新方法可以通过包含规范的原子轨道成功地评估轨道对磁诱导电流密度易感性的贡献[41]。尽管GIMIC有所改进，但它通常与其他方法结合使用，以提供更全面和令人信服的反芳香性评估。 3. 反芳香化合物 3.1. 具有反芳香四元环的化合物与苯并茂（环丁二烯）[28]类似（具有内在不稳定的反芳香框架，在AICD和GIMIC分析中都观察到了逆时针方向的环电流），Xia等人在2022年合成了含有锇的杂环环丁二烯化合物（1a–c）[42](图2)。在这些化合物中，含锇的环丁二烯环表现出反芳香性。随后对1a的简化模型进行了理论计算，其中PPh3配体被PH3取代，C3上的苯基被省略。锇环丁二烯单元显示出正的NICS(1)zz值+25.8 ppm，并在AICD图中显示出明显的逆时针环电流，表明其反芳香性。图2. 合成的锇杂环环丁二烯化合物及其简化模型[42]。 3.2. 具有反芳香五元环的化合物环戊二烯阳离子（图3a）是一种典型的反芳香有机化合物，通过氢化物提取从环戊二烯衍生而来，含有四个π电子。根据Hückel的4n π电子规则（n = 1），这种电子配置使得系统反芳香，导致其稳定性低于类似的非芳香或芳香化合物。在20世纪，另一种含有四个π电子的杂环戊二烯——五苯硼醇[3b]也被确认为反芳香，其NICS(1)zz值为+26.1 ppm[43,44,45]。图3. (a) 环戊二烯阳离子的结构；(b) 五苯硼醇的结构；(c) 贝里洛尔化合物2的结构及其转化；(d) 化合物2的AICD图；(e) 化合物2模型复合物的ASE反应方程[43,44,45,46]。经[46]许可复制。版权所有2021 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA。直到2020年，Braunschweig等人才确认含有铍的杂环戊二烯2[(CAAC)BeC4Ph4]（图3c）具有反芳香性[46]。该化合物包含一个环状的(烷基)(氨基)卡宾（CAAC）配体，与铍配位，以及提供四个π电子的C4Ph4片段。2的还原产生芳香的贝里洛尔3，这是一个二阴离子金属杂环化合物，而加入第二个路易斯受体（t-BuNC，叔丁基异氰化物）则产生本质上是非芳香的贝里洛尔4（显示可忽略的反芳香性）。NICS计算表明，在BeC4环平面上方和下方1 ?处测量的NICS(1)zz和NICS(-1)zz值分别为+14.1 ppm和+13.5 ppm，表明其反芳香。此外，AICD分析（图3d）显示了逆时针方向的环电流，这是反芳香系统的特征。化合物2的简化结构（其中Ph基团被H原子取代）的ASE计算值为负（图3e），表明环的不稳定性，并进一步支持了其中四π电子BeC4环的反芳香特性。实验还展示了反芳香的beryllole 2向芳香和非芳香化合物的转化。2024年，Fu等人[47]首次研究了金属环戊二烯化合物MC4R4的反芳香性质。通过单晶X射线衍射确定了5a的结构，发现它包含一个融合的五环结构，中心有一个局域化的五元OsC4环（图4a）。计算结果显示，模型化合物5M（[Os]=OsCl2(PH3)2）中OsC4环的NICS(1)zz值为+35.19 ppm，在AICD和GIMIC图中观察到逆时针环电流，证实了锇-环戊二烯环的反芳香特性（图4b,c）。此外，电子结构分析表明，三个占据的π分子轨道形成了一个五中心六电子（5c-6e）类型的Craig反芳香系统。图4. (a) 金属环戊三烯化合物5的结构；(b) 模型化合物5M的AICD图；(c) 模型化合物5M的GIMIC图 [47]。经美国化学学会许可复制。2024年，Xia等人[48]合成了一种新的芴-金属环戊二烯-融合五苯并蒽类似物6（图5a）。单晶X射线衍射确认该化合物由一个芴-融合五苯并蒽部分和一个共轭的五元金属环组成。为了便于计算，使用了一个简化的模型复合物6M，其中PPh3配体被PH3取代，并省略了芳基取代基，以评估化合物6的芳香性。正的NICS(1)zz值（环L为+7.2 ppm，环R为+5.1 ppm）以及AICD分析显示的逆时针环电流表明这些五元环具有弱反芳香性。此外，观察到复合物6在低能量区域的吸收增强，这可以归因于共轭的芳基取代基，它们改变了五苯并蒽的HOMO能级并减小了HOMO–LUMO能隙。图5. (a) 芴-融合金属五苯并蒽类似物6的结构及其模型复合物6M的NICS(1)zz值；(b) 芴-环戊二烯-融合五苯并蒽类似物7的结构及其NICS(1)zz值 [48]。在化合物7中，铱片段被CH基取代，提出了从富电子的七元环到电子贫乏的五元环L和R之间的竞争性分子内电荷转移[49]（图5b）。由于环R可以参与整体芳香性，因此电荷转移更可能有利于环R而不是环L，从而导致环R的芳香性和环L的反芳香性。与化合物7相比，由于R环中加入了金属片段，复合物6M的π共轭性降低，而融合的L和R环可以视为显示反芳香性的金属环戊二烯类似物。因此，这种独特的结构促成了其特征性的反芳香性。2025年，Bai等人报告了锇环戊三烯二阳离子8中五元金属环的Craig-M?bius反芳香性[50]。单晶X射线衍射结果表明，阳离子的中心部分是一个具有显著键长交替的局域化五元OsC4环。为了简化计算，研究人员用PH3替换了PPh3构建了模型化合物8′。根据磁学标准，其金属环的NICS(1)zz值为18.8 ppm，表明其具有反芳香性质。此外，AICD和GIMIC分析都显示OsC4环上有显著的逆时针paratropic环电流，电流强度在-3.45至-4.55 nA/T之间，进一步验证了其反芳香性。从能量标准来看，等吸附反应能为负值，表明金属环在热力学上相对不稳定。电子结构分析显示，与传统遵循4n电子规则的Hückel反芳香系统不同，8′具有三个π分子轨道，其中一个涉及pπ-dπ相互作用，导致中心Os原子的轨道发生相位移动。这形成了一个五中心六电子（5c-6e）类型的Craig-M?bius系统，解释了这种物质的独特反芳香性质。图6. 锇环戊三烯二阳离子8的结构及其模型复合物8′的NICS(1)zz值（以ppm为单位）[50]。3.3. 具有多个反芳香环的化合物五苯并蒽是一种由两个环戊二烯环组成的邻位融合的双环烃。它含有八个π电子，是一种典型的反芳香共轭多环烃[51]。2022年，Chen等人[15]报告了第一个含有[4n + 2] π电子的平面Craig型反芳香化合物，这一发现补充了关于π-芳香性和反芳香性的现有研究。芳香的锇五苯并蒽化合物被脱质子后形成了八个相应的反芳香复合物，如图7所示（9-CAN、9b-CAN、9c-CAN、9a、9b、9a-bpy、9b-bpy和9c-bpy，分别对应于Os上的配体和三元环上的取代基的变化）。图7. (a) 化合物9-ACN的结构及其模型复合物9-ACN′的NICS(0)zz值和AICD图；(b) 化合物9的结构及其模型复合物9′的NICS(0)zz值和AICD图；(c) 化合物9-bpy的结构及其模型复合物9-bpy′的NICS(0)zz值和AICD图 [15]。经美国国家科学院许可复制。为了研究这八个反芳香复合物的性质，通过用较小的PMe3配体和氢原子替换PPh3配体和PR3取代基，构建了简化的模型9′、9-ACN′和9-bpy′。五元环9′（分别表示为环L和环R）的NICS(0)zz值为+40.6和+40.9 ppm，9-ACN′（环L为+38.5 ppm，环R为+40.7 ppm）和9-bpy′（环L为+34.3 ppm，环R为+38.3 ppm）也获得了正的NICS(0)zz值。在所有三个模型复合物的AICD图中都观察到显著的逆时针环电流。它们的电子结构分析表明，五个占据的π分子轨道共同形成了一个八中心十电子（8c-10e）类型的Craig反芳香系统。2023年，Xia等人[52]报道了一种高度变形的反芳香金属环状化合物10，其中包含一个环状金属-乙烯基单元（图8a）。单晶X射线衍射分析确认它采用了融合的异金属苯骨架，单双C–C键有明显的交替。为了研究其芳香性，对简化模型复合物10M进行了DFT计算，其中PPh3配体被较小的PH3配体取代。正的NICS(1)zz值（环L为+15.4 ppm；环R为+11.9 ppm）表明其具有反芳香特性，环L较大的NICS值表明环L比环R更反芳香，这与环L更强的屏蔽效应一致。这一分配得到了AICD分析的支持，该分析显示环电流沿融合环的边缘呈逆时针分布。图8. (a) 反芳香金属复合物10的结构及其模型复合物10M的NICS(1)zz值（以ppm为单位）和AICD图；(b) 磷取代衍生物10LP、10RP和10NP的结构及其各自的NICS(1)zz值 [52]。经美国化学学会许可复制。为了进一步了解复合物10的芳香性，研究了磷取代基对其的影响，包括10LP、10RP和10NP（图8b）。计算结果表明，随着磷取代基数量的减少，这三个复合物的NICS(1)zz值逐渐增加。其中，10NP的NICS(1)zz值为环L为+27.1 ppm，环R为+26.3 ppm。这些结果表明，磷取代基的存在可以减轻10的反芳香性。此外，研究还发现，L环上的磷取代基对减轻反芳香性的影响大于R环上的取代基，因为10LP的NICS(1)zz值略低于10RP的NICS(1)zz值。因此，磷取代基的引入有助于稳定反芳香系统，这种效应也在金属桥头萘中观察到[53]。总体而言，10的稳定性可以归因于过渡金属参与缓解环应变，以及磷取代基对减少反芳香性的贡献。3.4. 反芳香卟啉类化合物卟啉类化合物是基于吡咯亚单元的一类分子，具有与卟啉相似的结构和性质。Norcorrole是一种通过从卟啉的芳香骨架中去除两个meso碳原子而产生的大环分子，具有16π电子的反芳香骨架[54,55]。苯融合通常会增强反芳香化合物的稳定性，同时减弱它们的反芳香性。然而，norcorrole系统却表现出相反的现象。2018年，Shinokubo等人[56]合成了镍配位的norcorrole化合物11、12和13（图9）。DFT计算显示，四个中心环的NICS(0)值均为显著正值，范围从+41.4 ppm到+74.6 ppm。此外，在AICD图中观察到明显的逆时针环电流。融合的苯环的加入缩小了HOMO–LUMO能隙，显著增强了norcorrole 16π电子骨架的顺磁环电流和反芳香性。图9. (a) 镍配位的norcorrole化合物11的结构；(b) 镍配位的norcorrole化合物12的结构；(c) 镍配位的norcorrole化合物13的结构，以及它们的NICS(0)值（以ppm为单位）和AICD图 [56]。经Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA许可复制。2019年，Shinokubo等人[57]合成了Ni(II) 10-硼杂环并苯化合物14（图10a）。14的1H NMR光谱显示了明显的反芳香特性。此外，DFT计算显示环①–④的NICS(0)值为显著正值，在AICD图中观察到四个环周围的逆时针环电流。进一步分析表明存在有效的共轭，这显著降低了LUMO能级，导致HOMO–LUMO能隙变窄，并且近红外吸收带变弱。图10. (a) Ni(II) 10-硼杂环并苯复合物14的结构及其NICS(0)值和AICD图 [57]；经美国化学学会许可复制。 (b) 金属corrole衍生物15的结构及其镍复合物15Ni的NICS(1)zz值和AICD图 [58]。经美国化学学会许可复制。2021年，Osuka等人[58]通过不同的金属配位和路易斯酸相互作用获得了反芳香的金属碳化物衍生物15（图10b），并通过光谱表征、单晶X射线衍射和DFT计算证明了该系列产品的反芳香性。DFT计算表明，15Ni的环①–④的NICS(1)zz值为显著正值，在AICD图中观察到明显的逆时针环电流。值得注意的是，添加路易斯酸三(五氟苯)硼烷有效地促进了羰基的极化，并显著增强了碳化物16π电子骨架的反芳香性。2022年，Shen等人[59]合成了一种电中性的镍配位苯并corrole自由基，具有优异的光稳定性和热稳定性以及高效的光热转换性能。这种17π电子的镍自由基可以通过单电子氧化还原过程转化为相应的16π电子反芳香阳离子16。化合物16中环①–④的NICS(1)zz值分别为90.7 ppm、72.7 ppm、90.7 ppm和120.9 ppm，表明其中心环的反芳香特性（图11）。同时，通过数值积分计算了从键a到键h的电流强度，积分对象是垂直于所选键的横截面中的电流。键a–h的电流强度分别为-49.1、-39.3、-29.4、-40.7、-40.8、-29.2和-34.5 nA/T，形成了逆时针环电流，表明其反芳香性。图11. 镍配位苯并corrole阳离子16的结构及其NICS(1)zz值 [59]。2024年，Hiroshi等人[60]合成了带有norbornadiene（NBD）配体的Pd(II) 10-铂杂环并苯复合物（图12a），并通过单晶X射线衍射和DFT计算确认了NBD复合物的平面结构。化合物17中环①–④的NICS(1)zz值分别为9.84 ppm、13.6 ppm、13.7 ppm和13.6 ppm，表明其中心环的反芳香特性。与此同时，通过采用GIMIC方法对电流强度进行研究，分析了其简化模型复合物（其中苄基被氢原子替代）的电流密度敏感性，该方法通过积分穿过垂直于选定键的截面的电流密度来实现。该键（黄色）的电流强度在?23.1到?18.2 nA/T之间，形成了一个逆时针方向的环电流（图12b,c），表明其具有反芳香性。复合物中Pt中心的5dyz和5dzx轨道与相邻碳原子的2pz轨道有效重叠，从而在Pt中心形成了有效的π共轭，使得化合物17具有明显的反芳香特性。基于光谱分析和DFT计算对化合物17的磁性性质进一步研究表明，存在显著的逆时针环电流以及较窄的HOMO-LUMO能隙。图12：(a) Pd(II) 10-Pt(NBD)杂卟啉复合物17的结构及其NICS(1)zz值；(b) 显示NBD模型复合物电流密度敏感性的GIMIC分析；(c) 对化合物17中逆时针派生环电流的GIMIC分析 [60]。经授权转载自[60]。版权所有2024美国化学会。

4. 结论

芳香性和反芳香性作为化学中的核心概念，自发现以来一直推动着理论和实验研究的深入发展。对反芳香性的研究不仅加深了我们对化学键性质的理解，还为功能性分子的设计提供了重要支持。在本文中，我们介绍了几种基于DFT的计算方法，并总结了这些方法在典型金属环（四元环、五元环、多环体系以及卟啉类分子）中的应用，证明了现代计算化学方法具有足够的准确性和可靠性，为反芳香分子的设计和合成奠定了坚实的基础。然而，尽管取得了显著进展，仍有许多挑战需要解决。一个主要问题是缺乏一个统一的评估反芳香性的计算化学方法标准[61]。尽管现在可以通过能量、磁性、结构和轨道指标来评估反芳香性，但这些指标并不完全等效，可能不会始终导致一致的结论，有时甚至会复杂化或偏颇反芳香性的判断。此外，在评估反芳香性时，某些计算方法可能会被过度依赖或超出了其最佳适用范围，导致不可靠的评估结果[62]。这种误用通常源于对方法适用性的不合理推断或计算参数的选择不当。如前所述，仅依赖NICS来评估含过渡金属的金属环存在问题，因为局部磁性的干扰[30,37]。这些问题值得计算化学和实验化学的研究人员加以关注。