追尋芳香性的大一統(tǒng)

編譯 劉迪一

近兩個(gè)世紀(jì)以來，研究人員一直試圖明確芳香性的完整定義，但不斷發(fā)現(xiàn)新類型的芳香性讓他們遲遲不得大一統(tǒng)。

芳香性毫無疑問是一個(gè)幾乎所有化學(xué)從業(yè)者都耳熟能詳?shù)母拍睿?dāng)學(xué)界以更嚴(yán)肅的態(tài)度來探討它時(shí)，往往會出現(xiàn)“有爭議的”“可疑的”“有問題的”甚至“化學(xué)無用功”這樣的表達(dá)。

美國休斯敦大學(xué)的計(jì)算有機(jī)化學(xué)家吳朱迪表示：“人們對芳香性這個(gè)詞的態(tài)度是復(fù)雜的。有些人覺得它太含糊，含糊到似乎已經(jīng)不算嚴(yán)肅的科學(xué)。而在我看來，這也是它的出眾之處——一個(gè)模糊的概念卻可以提供有用的化學(xué)解釋。”

最大的化合物公共數(shù)據(jù)庫PubChem包含近1.1億個(gè)結(jié)構(gòu)。據(jù)估計(jì)，其中2/3是完全或部分芳香性的。基于對芳香性如何影響化合物特性的理解，研究者能設(shè)計(jì)出從藥物到分子發(fā)光體的一系列物質(zhì)。比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)的量子化學(xué)家梅賽德斯·阿隆索（Mercedes Alonso）說：“我認(rèn)為芳香性是與化學(xué)中最重要的性質(zhì)真正相關(guān)的概念之一。它不僅是一種電子特性，還關(guān)乎結(jié)構(gòu)，更影響化合物的超分子排列和生物活性。”

芳香性的問題在于，盡管已有兩百年的研究歷史，卻無明確的定義、規(guī)則或?qū)嶒?yàn)方法可用于“識別”它。舉個(gè)最直觀的例子，在結(jié)構(gòu)上與苯相差懸殊的七硼烷陰離子多面體B7H72-、平面四邊形配合物Al42-或由1 000多個(gè)碳原子組成的巨大分子輪都被認(rèn)為是芳香族。

這個(gè)巨大的分子輪—擁有超過1 000個(gè)碳原子和162個(gè) π電子—已經(jīng)測試了我們對芳香性的認(rèn)知極限

在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究計(jì)算物理有機(jī)化學(xué)的雷娜·波拉娜（Renana Poranne）表示：“這是一個(gè)悖論。一方面，芳香性的定義很不明確；另一方面，它對于幫助我們確定化合物或預(yù)測其特性顯然非常有用。”但這也是令研究者著迷的地方。“人們希望理解芳香性，因?yàn)槲覀冞€沒有理解它。”

盡管化學(xué)家所能使用的簡略規(guī)則越來越多，計(jì)算方法非常豐富，但他們?nèi)詴砸庀氩坏降姆绞桨l(fā)現(xiàn)新的芳香性。到目前為止，學(xué)界已描述了20多種不同類型的芳香性，那么化學(xué)家距離明確可將所有類型統(tǒng)一起來的芳香性定義還有多遠(yuǎn)呢？

休克爾規(guī)則無法解釋所有芳香性

許多化學(xué)研究者在他們的本科教科書或第一年的講座中第一次接觸到芳香性的概念。根據(jù)這些，識別芳香性只需四個(gè)簡單規(guī)則：分子必須是平面、環(huán)狀結(jié)構(gòu)且具有連續(xù)的p軌道和4n+2個(gè)π電子（n是整數(shù)）。

休克爾規(guī)則可能是關(guān)于芳香性的所有規(guī)則中最容易記住的，由德國物理化學(xué)家埃里希·休克爾（Erich Hückel）于1931年提出，是他用來處理不飽和有機(jī)分子的簡單量子力學(xué)計(jì)算的一部分。休克爾發(fā)現(xiàn)，擁有4n+2個(gè)π電子令芳香族分子的成鍵軌道被填滿，從而具備類似惰性氣體的電子排布。（稀有氣體正因電子層/成鍵軌道被填滿而具有非凡的穩(wěn)定性。）在休克爾規(guī)則提出近20年后，化學(xué)家首次使用它驗(yàn)證了環(huán)庚三烯酮的芳香性。

未必只有平面結(jié)構(gòu)的分子才具備芳香性，一些有著莫比烏斯環(huán)結(jié)構(gòu)的芳香族，例如輪烯和卟啉，就是最好的例子

然而，隨著研究者開展越來越多關(guān)于休克爾規(guī)則的研究，學(xué)界逐漸發(fā)現(xiàn)它并不適用于所有芳香族，而僅適用于一小部分。事實(shí)上，用吳朱迪的話說，苯這個(gè)最經(jīng)典的芳烴“不能代表大多數(shù)芳烴分子”。

一系列芳香族化合物都不是平面結(jié)構(gòu)，例如硼-氫簇化合物以及富勒烯。（當(dāng)然，巴克敏斯特富勒烯C60的芳香性仍存爭議，說它是芳香的、反芳香的和非芳香的聲音都有。）而新出現(xiàn)的σ芳香族和δ芳香族也使得學(xué)界關(guān)于芳香性是否僅適用于具有p軌道的分子的爭論愈發(fā)激烈。此外，三鉭氧化物簇TaO-的33d軌道包含離域電子，而三氫陽離子H+3的芳香性基于其s軌道電子的離域。

另一方面，有些分子看起來很“芳香”，但實(shí)際上并不屬于芳香族，例如環(huán)硼氮烷。這一人送外號“無機(jī)苯”的六元環(huán)由硼、氮原子交替排列成環(huán)，擁有6個(gè)π電子并符合其他所有芳香性規(guī)則。但根據(jù)波拉娜的說法：“事實(shí)證明，由于硼原子的負(fù)電性和氮原子的正電性，環(huán)硼氮烷實(shí)際上并沒有可觀的π電流。”最有可能的一種情況是環(huán)硼氮烷只具備相當(dāng)一般的芳香性。吳朱迪稱，這表明擁有6個(gè)π電子不等于掌握了芳香“魔力”。

芳香性的規(guī)則境況如何

目前除了休克爾規(guī)則，至少還有18套芳香性相關(guān)規(guī)則。它們中的很多都需要關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的額外信息，以免與其他規(guī)則相矛盾。例如，雖然休克爾規(guī)則下的芳香族化合物需要具備4n+2個(gè)π電子，但那些擁有半扭曲莫比烏斯結(jié)構(gòu)的芳香族化合物實(shí)際上只要4n個(gè)π電子就夠了。

西班牙赫羅納大學(xué)的計(jì)算化學(xué)家米克爾·索拉（Miquel Solà）表示：“被大多數(shù)人認(rèn)同的芳香性定義來自保羅·馮·施萊爾（Paul von Ragué Schleyer）在其2005年發(fā)表于《化學(xué)評論》（Chemical Reviews）雜志的一篇論文。”施萊爾和同事在文中指出，芳香性是環(huán)狀閉合共軛體系里電子離域的一種表現(xiàn)，所有不同的測試和規(guī)則都只關(guān)注事實(shí)的結(jié)果。結(jié)合4個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)——結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性、能量和磁性——可助我們深入了解化合物的芳香性。

就結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)來看，許多芳香族化合物都為平面結(jié)構(gòu)且具有相等的鍵長。但平面和等鍵長未必可推得芳香性。諸如：聚甲鎓離子C5H9N2+這樣的線性化合物的碳碳鍵長度幾乎相等，卻不具備芳香性；三維結(jié)構(gòu)的芳香族則顯然非平面。

同樣的，反應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)也充斥反例。芳香親電取代反應(yīng)是苯的特性之一，但與苯同為芳香烴的多環(huán)化合物的蒽則更傾向于加成反應(yīng)。

芳香性與穩(wěn)定性有關(guān)。大多數(shù)研究者基于苯的芳香性而推斷它的穩(wěn)定化能為30 kcal/mol。但教科書沒有告訴讀者的是，對比不同參照物所得到的能量數(shù)值其實(shí)有很大差異。

20世紀(jì)30年代，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別推導(dǎo)出了苯相比于多烯和環(huán)己烯的共振能，均為大約36 kcal/mol。但到了2007 年，施萊爾等人發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行了超共軛校正后，苯的共振能幾乎翻了一倍。

阿隆索指出，芳香性的問題在于它是“我們?yōu)榱嗣枋龌衔锏奶匦远l(fā)明的一個(gè)概念”。與熔點(diǎn)或分子質(zhì)量不同，芳香性不是能在實(shí)驗(yàn)室里測量的可觀察特性——這一事實(shí)令許多科學(xué)家感到不快。阿隆索解釋道：“我們有100多個(gè)描述詞來量化芳香性，但沒有一個(gè)可以普遍應(yīng)用。”

磁場里的芳香探針

過去幾十年，檢查分子的磁性已成為我們明確芳香性的最普遍方法。如波拉娜所言：“核獨(dú)立化學(xué)位移（NICS）絕對是當(dāng)今最流行的芳香性標(biāo)準(zhǔn)。”

1996年，施萊爾提出核獨(dú)立化學(xué)位移用作芳香性的磁學(xué)判據(jù)。邁克爾·布爾（Michael Bühl）和克里斯托夫·范瓦倫（Christoph van Wüllen）在 1995年計(jì)算出了基本相同的內(nèi)容，但并未給其命名。化學(xué)家開始高頻率使用這枚“簡單有效的芳香性探針”。波拉娜指出，施萊爾的原始論文被引用了4 000多次——理由充分，“它非常易于使用，并且可在最常用的計(jì)算軟件中實(shí)現(xiàn)”。

NICS是一種基于核磁共振（NMR）的設(shè)計(jì)巧妙的芳香性探針——這也是它受到實(shí)驗(yàn)學(xué)家歡迎的另一個(gè)原因。當(dāng)芳香族化合物被放置于磁場（例如核磁共振成像設(shè)備內(nèi)的磁場）中時(shí)，它的π電子會繞環(huán)運(yùn)動(dòng)，形成環(huán)流。這種電子運(yùn)動(dòng)反過來也會產(chǎn)生垂直于環(huán)平面的磁場。苯環(huán)的這種磁場可對氫原子的NMR化學(xué)位移產(chǎn)生顯著影響。

NICS的單值結(jié)果不僅顯示某物質(zhì)有無芳香性，還可表明其芳香程度。數(shù)值越負(fù)，芳香性越強(qiáng)；數(shù)值接近0值則代表非芳香性；正值意味著反芳香性。

NICS的正與負(fù)

施萊爾的NICS方法出來后不久，研究者開始產(chǎn)生一些問題，例如來自σ軌道或其他非芳香性磁場線的干擾。部分同行認(rèn)為NICS作為一個(gè)虛擬的、不可測試的參數(shù)，不能用于評估化學(xué)事實(shí)，應(yīng)被舍棄。

分別以鉬絲(Φ 1 mm)為工作電極(WE)，石墨(Φ 6 mm)為對電極(CE)，Ag/AgCl為參比電極(RE)，爐溫710 ℃，在低價(jià)鈦熔鹽中采用瑞士萬通PGSTAT302N電化學(xué)工作站進(jìn)行CV測試，裝置見圖3。

一些化學(xué)家開始改進(jìn)NICS以解決問題，這也是為什么現(xiàn)在有許多不同版本的NICS。有人設(shè)計(jì)了不一樣的替代方法來評估芳香性的磁性標(biāo)準(zhǔn)。例如：達(dá)格·桑德霍爾姆（Dage Sundholm）的芳環(huán)電流屏蔽（ARCS）測量芳香環(huán)的感應(yīng)電流強(qiáng)度，相比NICS能更好比較無關(guān)聯(lián)的分子；保羅·拉澤雷蒂（Paolo Lazzeretti）的多邊形電流模型（PCM）則可以更好地處理分子的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)，可對諸如σ芳香族環(huán)丙烷等小系統(tǒng)進(jìn)行更準(zhǔn)確評估。

桑德霍爾姆團(tuán)隊(duì)使用ARCS和另一種方法——磁感應(yīng)電流法（Gimic）——來反駁了氟化氫三聚體（HF）3所謂的氫鍵芳香性。盡管它呈平面環(huán)狀結(jié)構(gòu)且有著絕對值極大的負(fù)NICS值，但Gimic表明（HF）3的環(huán)電流太弱而不能被納入芳香族。桑德霍爾姆和同事如此寫道，NICS負(fù)值僅僅是圍繞每個(gè)HF單體的強(qiáng)邊緣電流而非芳香環(huán)電流的結(jié)果。

當(dāng)然即便如此，NICS仍被廣泛用于芳香性分類。在許多情況下，NICS不僅會與“不尋常”的芳香化合物發(fā)生沖突，甚至還會與經(jīng)典的芳香族成員相矛盾，一個(gè)典型案例來自多環(huán)芳烴——單個(gè)環(huán)可以是反芳香性的，與此同時(shí)又具備半局部或全局芳香性。例如，蒽由三個(gè)線性稠合的苯環(huán)組成。中間苯環(huán)的NICS值最負(fù)。波拉娜指出：“如果只從表面解釋它，你會說這意味著中間那個(gè)環(huán)的芳香性最強(qiáng)，那么理論上它就應(yīng)該是最穩(wěn)定的，但實(shí)際上它的反應(yīng)性是最強(qiáng)的，為什么呢？”

根據(jù)波拉娜的解釋，稠環(huán)芳烴實(shí)際上是一個(gè)完整的共軛體系，因此將每個(gè)環(huán)視作單個(gè)單元可能沒有意義。盡管NICS測算每個(gè)環(huán)中的感應(yīng)磁場，但它所測得的并非那個(gè)環(huán)的真實(shí)環(huán)電流。

阿隆索表示，NICS本身顯然不足以聲明芳香性。“一種化合物只滿足磁性標(biāo)準(zhǔn)，但不滿足能量標(biāo)準(zhǔn)——在我看來，它就不能被定性為完全芳香。”

“芳香四溢”

借助NICS以及眾多實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法，化學(xué)家在世紀(jì)之交發(fā)現(xiàn)了幾種新類型的芳香性，包括富勒烯的球形芳香性和首現(xiàn)于2003年的第一個(gè)莫比烏斯芳香分子，不過最讓學(xué)界感到驚訝的可能是1995年的第一個(gè)全金屬芳香族化合物。

幾年后，由美國布朗大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理化學(xué)家王來生和計(jì)算化學(xué)家亞歷山大·博迪列夫（Alexander Boldyrev）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)聲稱發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)π芳香族金屬簇 Al42-。王來生回憶道，一開始很難讓同行相信他們，造成這種情況的原因之一是芳香性評估在很大程度上依賴于計(jì)算手段，“許多實(shí)驗(yàn)化學(xué)家對計(jì)算化學(xué)持懷疑態(tài)度，因?yàn)闊o可否認(rèn)，當(dāng)時(shí)的計(jì)算準(zhǔn)確性是有限的”。

1981年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主羅爾德·霍夫曼（Roald Hoffmann）在2015年如此評價(jià)道，雖然自己并不懷疑 Al2-是4一種真正的分子，但“讓我感到惱火的是關(guān)于它具有芳香性的說法……我用一瓶雷司令葡萄酒打賭，我和你在有生之年是看不到毫克級產(chǎn)出的Al42-的”。

王來生表示：“他認(rèn)為這些簇只是氣相分子，他想要一些可以放入瓶子的東西。”畢竟，芳香性應(yīng)該賦予物質(zhì)穩(wěn)定性。“但是外太空有很多分子，它們都處于氣相。對于氣相簇，要真正確定它們的反應(yīng)性更加困難。但是電子離域具有一定的電子穩(wěn)定性，這是毫無疑問的。”

霍夫曼覺得人們可能在過度使用芳香性這個(gè)詞，將其定義細(xì)分得支離破碎。王來生“在某種程度上同意他的觀點(diǎn)”。單獨(dú)計(jì)算得到的值對確認(rèn)化合物的芳香性幾乎無作用。

雖然阿隆索并不同意霍夫曼的所有觀點(diǎn)，但她也認(rèn)為過度使用芳香性概念可能存在危險(xiǎn)。“我們?nèi)鄙俚氖墙y(tǒng)一的芳香性理論，這是大多數(shù)從事芳香性研究的人都能接受的事實(shí)。”

從p到s

在首次揭示了一些金屬簇的芳香性后，研究人員又迅速深入挖掘，發(fā)現(xiàn)它們不僅具備π芳香性，還有σ芳香性。某些化合物，例如王來生和同事發(fā)現(xiàn)的鋁簇，甚至表現(xiàn)出兩種類型的芳香性——盡管這仍然存在很大爭議。馬爾堡大學(xué)量子化學(xué)家弗洛里安·魏根德（Florian Weigend）解釋道：“NICS和Gimic計(jì)算主要針對的電子類型不一致。”前者指向σ電子和π電子的貢獻(xiàn)，后者主要指向σ。

簇的價(jià)電子在整個(gè)分子內(nèi)離域，而這未必會使其具備σ芳香性。德南解釋道：“沿著金屬-金屬相互作用軸，應(yīng)該存在某種電子動(dòng)力學(xué)過程，而非具有明確共價(jià)鍵的碳化合物。”當(dāng)她首次觀察到硼籠的非定域電子云時(shí)，德南意識到這是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)，新術(shù)語“三維σ芳香性”也由此問世。“當(dāng)然，不要將具有離域軌道的金屬原子構(gòu)成的所有物質(zhì)都視作σ芳香族成員。”

鎵化合物表明芳香性不僅限于碳?xì)浠衔?/p>

2020年，德南團(tuán)隊(duì)與魏根德團(tuán)隊(duì)共同合成了鉍-釷簇，最大的π芳香族分子，完全由金屬原子組成。德南表示：“芳香性概念應(yīng)該重新塑造，用于那些真正獨(dú)特的事物。有機(jī)化合物的電子離域配得上芳香性，而對于金屬簇或無機(jī)化合物來說，芳香性應(yīng)留給π體系。我認(rèn)為這更符合原始定義。”

但正如波拉娜和阿芒·斯坦格（Amnon Stanger）在2015年所寫的：“在很多方面，芳香性就像審美。換言之，其定義如何取決于旁觀者的想法。”2016年，南開大學(xué)的無機(jī)化學(xué)家孫忠明團(tuán)隊(duì)與王來生和博迪列夫的團(tuán)隊(duì)分離出固態(tài)全金屬反芳香性化合物。相比有機(jī)化合物，此類簇的電子更離域且更容易形成多中心鍵，因此“你可以使用反芳香性解釋鍵合，但也可以使用傳統(tǒng)的化學(xué)鍵合概念來解釋它”。孫忠明表示希望創(chuàng)建更多不同的簇，這可能提供更多證據(jù)以支持某一種觀點(diǎn)。

不僅僅是學(xué)術(shù)爭論

波拉娜表示：“我們正試圖找到芳香性和具有現(xiàn)實(shí)意義的分子特性——例如Homo-Lumo能隙或電離電勢——之間的聯(lián)系。”2018年，她通過定義幾個(gè)簡單的構(gòu)建塊和組合規(guī)則，成功預(yù)測了多環(huán)芳烴的NICS掃描形狀。現(xiàn)在她和同事擴(kuò)展了此方法，用以預(yù)測當(dāng)芳烴變成反芳烴（或反芳烴變芳烴）時(shí)，這些處于激發(fā)態(tài)的分子會發(fā)生什么。

阿隆索團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，某些卟啉型分子可以在芳香性和反芳香性的休克爾結(jié)構(gòu)以及莫比烏斯芳香結(jié)構(gòu)之間切換。由于這些形式中的每一種都具備不同的導(dǎo)電性，因此它們可以被用作單分子電子器件和熱電器件的開關(guān)。

吳朱迪和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，芳香性甚至作為DNA堿基配對和DNA光穩(wěn)定性的驅(qū)動(dòng)力，在人體內(nèi)發(fā)揮作用，“我們已經(jīng)將DNA光失活過程中發(fā)生的事情轉(zhuǎn)換成了一種有用的化學(xué)語言”。雖然此過程也可用電離電勢等物理術(shù)語來解釋，但“你不能對一個(gè)有機(jī)化學(xué)家說：‘請問您能不能設(shè)計(jì)一個(gè)氫鍵系統(tǒng)，這的電離能高，那的電離能低？’芳香性和反芳香性與化學(xué)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它可指導(dǎo)相關(guān)體系的設(shè)計(jì)”。

現(xiàn)在的芳香性已經(jīng)完全不再是純粹的學(xué)術(shù)論點(diǎn)。那么是否需要徹底修改定義？索拉認(rèn)為有必要，尤其是在涉及金屬簇等邊緣體系時(shí)。2018年，他仔細(xì)研究了19條芳香性規(guī)則，并開始嘗試把它們結(jié)合起來，最終目標(biāo)是找到一套可將它們統(tǒng)一起來的芳香性理論。

波拉娜持不同觀點(diǎn)：“我認(rèn)為永遠(yuǎn)都不會出現(xiàn)所有人達(dá)成共識、專用某套理論方法的情況。這種情況一般不存在于科學(xué)領(lǐng)域。”

吳朱迪如此說道：“我認(rèn)為隨著該領(lǐng)域的發(fā)展，相關(guān)問題類型也在不斷發(fā)展。我們已經(jīng)渡過了詢問芳香性意義的階段。現(xiàn)在是時(shí)候追問，我們用它做什么了。”

資料來源 Chemistry World