四丁氧基取代的quintulene：一种缺失的碗状环芳烃

《SCIENCE ADVANCES》：Tetrabutoxy-substituted quintulene: A missing bowl-shaped cycloarene

　　

corannulene和sumanene的合成开创了迅猛发展的巴基碗（buckybowl）化学领域。quintulene作为环芳烃（cycloarenes）家族中长期缺失的一员，代表了一种独特的碗状芳香族化合物，其曲率源于边缘拓扑结构和中心空腔。然而，由于其高的几何应变（geometric strain），其合成在40多年来一直难以实现。在此，研究人员报道了通过合理设计的折叠（fold-in）策略合成四丁氧基取代的quintulene 1。单晶分析证实了其碗状几何构型，碗对碗（bowl-to-bowl）反转能垒为19.1 kcal/mol。quintulene 1具有Clar型局域芳香性（localized aromatic character），与其他环芳烃一致，但易于发生氢化和过度氧化。值得注意的是，显著的结构应变减弱了quintulene 1中苯环段的局域芳香性，使其能够发生近乎定量的五重Diels-Alder反应。这项工作不仅填补了环芳烃化学的关键空白，而且强调了几何应变和电子结构如何重塑弯曲π体系中的反应活性。

研究背景

碳同素异形体中，石墨烯构成原子级平整的二维片层，富勒烯则弯曲为闭合的球形笼状结构。碗状多环芳烃作为介于两者之间的独特拓扑形态，其固有曲率赋予分子特殊的光电性质与碗对碗反转动力学，因此在有机电子学和超分子化学中具有广阔前景。长期以来，碗状芳香化合物的经典构建范式依赖五元环嵌入以诱导正高斯曲率，corannulene与sumanene即为代表性分子。quintulene是一类理论上预测但长期未能合成的环芳烃，完全由环形稠合的苯环单元组成，并具有径向排列的C–H键，其碗状几何源于边缘拓扑与中心五边形空腔，与传统的依赖五元环嵌入的碗状分子截然不同。环芳烃家族中，kekulene、septulene、octulene等均已实现合成，唯独quintulene缺失逾四十年，主要障碍在于其极高的几何应变——理论预测其总应变能高达57.17 kcal/mol，远高于corannulene（41.6 kcal/mol）和sumanene（40.7 kcal/mol），为环芳烃家族之最。因此，发展有效的合成策略并阐明应变对性质的影响，是环芳烃化学亟待解决的关键问题。

研究内容与结论概述

研究人员设计并开发了一种折叠（fold-in）策略，成功合成了四丁氧基取代的quintulene 1。该策略以Z-选择性Wittig反应、分子内McMurry大环化反应和Yamamoto偶联反应为核心步骤，构建了高度应变的碗状骨架。X射线单晶衍射证实了1的碗状几何构型，碗深达1.81 ?，明显大于corannulene的0.87 ?。变温核磁共振（VT-NMR）实验测得碗对碗反转能垒约为19.1 kcal/mol，理论计算预测了经由“夹子”形过渡态的翻转机制，能垒为25.6 kcal/mol。结构与理论分析表明，quintulene 1以Clar型局域芳香性为主导，但正曲率和显著的结构应变削弱了苯环段的局域芳香性，从而赋予分子类似蒽的三烯反应活性，使其能够与DMAD发生近乎定量的五重Diels-Alder反应。该工作填补了环芳烃家族中长期缺失的关键成员，并揭示了应变与曲率调控弯曲π体系反应性的新机制。

主要技术方法

研究采用的主要技术方法包括：基于Z-选择性Wittig反应构建烯烃前体，利用McMurry大环化反应形成预组织大环，以及通过Ni(cod)₂/2,2′-联吡啶介导的Yamamoto偶联实现高度应变C–C键的构筑。结构表征采用X射线单晶衍射，动态行为通过变温核磁共振（VT-NMR）研究，电子性质结合紫外-可见吸收光谱、荧光光谱和循环伏安法（CV）测定。理论计算方面，使用密度泛函理论（DFT）优化几何结构和计算应变能，利用TD-DFT模拟电子跃迁，并通过NICS、ACID、ICSS等磁学指标分析芳香性。单晶样品通过将甲醇缓慢扩散至三氯甲烷溶液获得。

研究结果

分子设计与合成

研究设计了两种合成路线。路线I以不对称二溴取代的phenacene 2为起始物，经二重Wittig反应与二溴化ylide试剂3偶联，以54%产率得到具有Z构型烯烃的中间体4；随后经缩醛水解和分子内McMurry环化得到预组织大环5（两步产率54%），其结构经X射线晶体学确认；最后通过Yamamoto偶联实现关键成环，获得quintulene 1，产率34%。研究发现，延长反应时间（3天）会导致镍(0)介导的应变促进还原，生成部分氢化产物8。路线II则预先将4中的两个烯烃氢化为亚乙基单元，经脱甲基和McMurry环化得到大环7（51%产率），Yamamoto偶联以45%产率得到8，但尝试将8氧化脱氢为1的多种条件均告失败，得到复杂混合物，归因于quintulene在高应变驱动下的过氧化倾向。这些结果表明，quintulene及其类似物在合成上极易发生还原和过氧化副反应，正是其长期难以制备的根本原因。

光学和电化学性质

紫外-可见吸收光谱显示，1在二氯甲烷中具有良好分辨的吸收峰，最大吸收波长为317 nm，相较于kekulene（327 nm）发生蓝移，符合其π共轭路径缩短的特征。主要吸收带位于296、317和350 nm，来源于多个高占据分子轨道（HOMO?n）到低未占据分子轨道（LUMO+m）的电子跃迁。380–500 nm的弱吸收尾归因于对称性禁阻跃迁。荧光光谱在499和518 nm处有分辨良好的发射峰，绝对荧光量子产率为2.11%，较低的效率源于低能量区域弱吸收。循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）表明，1呈现多个准可逆氧化过程，三个氧化波的半波电位（E_1/2^ox）分别为0.58、0.74和1.01 V（相对于Fc⁺/Fc）。

分子几何和电子结构

X射线晶体学分析揭示，1的骨架由五个菲样三环扇区组成，每个扇区中央环含有一个烯键。分子呈碗状，曲率均匀分布于各组成环，碗深1.81 ?。晶体中分子以凹面对凸面的方式堆叠成滑移柱状排列，相邻碗间存在3.32–3.38 ?的分子间π-π接触。键长分析显示四类C–C键：外围五个近等价的烯键（1.354–1.376 ?），连接烯键的C(sp²)–C(sp²)单键（1.436–1.459 ?），三个苯环内的芳香键（1.381–1.428 ?），以及内缘连接未共享苯环的单键（1.460–1.464 ?）。这支持Clar型局域芳香模型，即π电子主要离域在五个独立的苯环中。谐振荡子芳香性指数（HOMA）计算显示，含烯键六元环的HOMA值为0.27–0.29，呈非芳香性；而苯环A、B、C的HOMA值为0.83，表征局域芳香性。LOL-π可视化进一步证实五个独立苯环和五个烯键的存在。磁学指标方面，二维ICSS图显示内腔和外围为去屏蔽区，三维ICSS图表明屏蔽球主要位于碗骨架，NICS(1)zz为负值，但芳香环的NICS值比菲（?29.2）和蒽（?34.8）弱。ACID图显示外缘存在顺时环电流回路，内缘为逆时环电流，径向键附近电流密度近乎为零，体现局域芳香性主导并伴有不可忽视的全局超芳香性，这与kekulene等已知环芳烃一致。值得注意的是，quintulene内缘的电子离域程度高于外缘，源于其碗状拓扑和显著应变。

碗对碗动力学

¹H NMR谱显示，1在C₂D₂Cl₄中于298 K呈现清晰信号，内、外缘质子均位于低场区，支持局域芳香性。内缘质子因化学环境相似，在约10.5 ppm处出现三组略微分离的单峰（比例1:2:2），随温度升高逐渐合并为一条时间平均单峰，表明在高温下碗对碗反转速度快于NMR时间尺度。变温NMR测得合并温度为383 K，对应反转能垒约19.1 kcal/mol。DFT计算（B3LYP/def2TZVP）预测翻转经由“夹子”形过渡态，能垒为25.6 kcal/mol，与实验值合理吻合。浓度依赖的荧光和NMR测试确认了高浓度下的聚集行为，与晶体中滑移柱状堆叠一致。

几何应变控制的反应性

鉴于quintulene碗状曲率和应变可能活化中心苯环，研究人员将其与DMAD进行Diels-Alder反应。实验发现，该反应在105°C即可进行，并实现五重环加成，得到产物9；而蒽与DMAD的反应需要145°C，表明应变激活了中心环的三烯反应性。DFT计算确认所有五个DMAD单元以相同向外取向加成，能量最低。相比1，9中苯环的HOMA值升至0.93–0.95，显著高于1的0.83，说明应变的释放驱动反应进行。相比之下，平面kekulene在相同条件下保持稳定。芳香稳定化能（ASE）计算显示，quintulene中心苯环的ASE（基于外、连接、内双键水解分别估算为34.7、50.7、28.3 kcal/mol）明显低于kekulene（41.0、69.0、38.9 kcal/mol），证实曲率诱导的应变削弱了局域芳香性，放大了中心环的三烯特征，从而促进高效Diels-Alder环加成。

总结与结论

本工作通过折叠策略成功合成了四丁氧基取代的quintulene，填补了环芳烃家族中的长期空白。X射线单晶分析确证了碗状几何，VT-NMR测得碗对碗反转能垒为19.1 kcal/mol，翻转经由夹子形过渡态。结构与计算研究表明，quintulene具有Clar型局域芳香性，但伴随不可忽视的全局离域，且显著曲率和应变削弱了苯环段的局域芳香性，使分子易于氢化、过氧化，并表现出增强的三烯反应性，能够与DMAD发生近乎定量的五重Diels-Alder反应。该研究不仅填补了环芳烃家族中的关键空白，也为其他具有非平凡拓扑结构的应变π体系（如扭曲环芳烃）的合成提供了新思路，同时凸显了应变与曲率在重构弯曲π体系反应性方面的核心作用，有望拓展面向功能性富碳架构的合成工具库。