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Chem: 突破理論極限!科學(xué)家創(chuàng)造碳碳單鍵鍵長的新紀(jì)錄

來源:化學(xué)加      2018-03-21
導(dǎo)讀:近日,日本北海道大學(xué)的科學(xué)家們基于“核殼”策略合成了一種新的有機(jī)化合物,這種有機(jī)物擁有目前已知最長的碳碳單鍵,其鍵長長達(dá)1.806?,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的C-C單鍵(1.54?左右),甚至略微超過了理論預(yù)測1.803?的極限值。此前人們認(rèn)為,如果鍵長超過這一上限,碳碳單鍵將會斷裂,但這種說法在新合成的這種有機(jī)分子這里并不成立。無疑,這項研究將幫助我們更好地認(rèn)識化學(xué)鍵的本質(zhì),對化學(xué)鍵的思考有了新的角度。該文章發(fā)表于Chem上,題為“Longest C–C Single Bond among Neutral Hydrocarbons with a Bond Length beyond 1.8 ?”(DOI:10.1016/j.chempr.2018.01.011)

碳碳單鍵構(gòu)成了有機(jī)化合物的基本骨架,其鍵長在一定范圍內(nèi)波動,但變化不大,常見的乙烷分子碳碳單鍵鍵長在1.54?左右。如果形成碳碳單鍵的兩個碳原子各自連接了體積龐大的基團(tuán),那么碳碳單鍵由于位阻排斥就有可能被拉伸,從而導(dǎo)致鍵長超過1.54 ?。基于這一設(shè)想,人們合成了各種各樣的分子。

根據(jù)DFT計算,當(dāng)碳碳單鍵之間鍵解離能為0Kcal/mol時可得到最大鍵長,這個值為1.803?,但作者認(rèn)為由于分子間具有扭轉(zhuǎn)作用,通過合理的設(shè)計,或許可以合成碳碳單鍵鍵長高于1.803?的分子。

要想獲得超長C-C單鍵的分子,必須滿足兩個條件:

①碳碳單鍵的兩個碳原子所連基團(tuán)要足夠大以迫使C-C單鍵拉伸;

②所連大位阻基團(tuán)不能影響C-C單鍵的穩(wěn)定性,使其解離。

作者基于這兩點(diǎn)提出了“核殼策略”,將C-C單鍵視為“核”,外層大位阻官能團(tuán)視為“殼”,隨著“殼”之間排斥作用的增強(qiáng),“核”即碳碳單鍵的長度也會被拉伸,從而得到超長碳碳單鍵的分子,而該分子在“殼”的保護(hù)下不會解離。作者基于上述設(shè)計原則合成了10(a-c)三個分子,二鹵代烷與叔丁基鋰發(fā)生鋰鹵交換,再對二苯三烯酮親核進(jìn)攻得到二醇,二醇在鋅的還原下形成目標(biāo)C-C鍵,該反應(yīng)產(chǎn)率較高。

合成了目標(biāo)分子后,拉曼光譜顯示C-C單鍵鍵長被拉伸,利用X-晶體衍射技術(shù)對碳碳單鍵鍵長進(jìn)行了測定,在400K下,10c分子的碳碳單鍵鍵長達(dá)到了1.806?,不僅打破了碳碳單鍵鍵長的新紀(jì)錄,還高于理論計算值1.803?。

總結(jié):作者基于“核殼策略”合成了一類具有超長碳碳單鍵的分子,并用拉曼光譜和X晶體衍射確認(rèn)了實驗結(jié)果,具有超長或超短的碳碳單鍵分子可以幫助我們更好的理解化學(xué)鍵的本質(zhì)。


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