特別說明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
具有碳-碳p鍵的有機(jī)分子是經(jīng)過深入研究且非常有價(jià)值的化合物。這些不飽和體系的合成轉(zhuǎn)化是有機(jī)化學(xué)中最基本、應(yīng)用最廣泛的反應(yīng)之一。原子間p鍵的存在通常會(huì)迫使形成特定的幾何形狀，以最大化p鍵中p軌道之間的鍵合相互作用。一百年前，尤利烏斯·布萊特發(fā)表了一個(gè)觀察，即某些分子將幾個(gè)相鄰的碳中心限制在一個(gè)特定的非平面排列中，它們之間不能形成雙鍵。這些假想的雙鍵被稱為"反布雷特"烯烴。
關(guān)鍵問題
然而，"反布雷特"烯烴的研究主要存在以下問題：
1、反Bredt烯烴（ABO）存在生成和穩(wěn)定性問題
反Bredt烯烴由于其幾何構(gòu)形高度扭曲，特別是每個(gè)末端均不對(duì)稱扭曲和金字塔化，導(dǎo)致其生成困難且通常不穩(wěn)定，容易分解。這些化合物由于存在幾何約束的π鍵而表現(xiàn)出相當(dāng)大的扭曲，使得它們的合成和應(yīng)用成為一個(gè)挑戰(zhàn)。
2、Bredt規(guī)則限制了對(duì)牽頭烯烴的研究和探索
Bredt規(guī)則自1924年提出以來，一直被認(rèn)為是碳碳雙鍵不可能從碳橋的分支位置產(chǎn)生，即橋頭位置產(chǎn)生雙鍵。這一規(guī)則限制了科學(xué)家對(duì)橋頭烯烴的探索和研究，盡管存在一些例外和對(duì)Bredt規(guī)則的重新評(píng)估，但這一規(guī)則仍然對(duì)研究者在設(shè)計(jì)合成策略時(shí)構(gòu)成了心理和技術(shù)上的障礙。
新思路
有鑒于此，加利福尼亞大學(xué)Neil K. Garg等人報(bào)告了一項(xiàng)研究，該研究可能是最臭名昭著的一類含有p 鍵的幾何扭曲分子：反布雷特烯烴 (ABO)。ABO 自 1924 年以來就已為人所知，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為ABO很難或不可能獲得。作者為這個(gè)長(zhǎng)期存在的問題提供了解決方案。該方法依賴于從前驅(qū)體中形成硅-氟鍵的驅(qū)動(dòng)力，這類似于用于獲得應(yīng)變芳烴的方法。該研究還強(qiáng)調(diào)了對(duì)由于幾何約束p鍵的存在而表現(xiàn)出相當(dāng)大扭曲的化合物的戰(zhàn)略操縱。
技術(shù)方案：
1、研究了反Bredt烯烴12的幾何畸變及前體的合成
作者利用DFT分析了[2.2.1]ABO 12的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其幾何變形顯著但可合成。研究挑戰(zhàn)了ABO不穩(wěn)定的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，為ABO的合成提供了新見解。
2、成功生成并捕獲了反Bredt烯烴
作者成功合成并捕獲ABO 12，通過優(yōu)化條件實(shí)現(xiàn)其與多種二烯的環(huán)加成反應(yīng)，展示了ABO在合成復(fù)雜分子中的潛力。
3、進(jìn)一步計(jì)算研究了與 ABO 12 的反應(yīng)性和電子結(jié)構(gòu)
DFT研究揭示ABO 12的高反應(yīng)性源于其幾何預(yù)扭曲和前線分子軌道的特殊排列，這些特性導(dǎo)致較低的活化能壘和增強(qiáng)的反應(yīng)性。
4、探討了ABO的立體化學(xué)考慮
作者表明ABO 12捕獲反應(yīng)顯示高非對(duì)映選擇性，DFT計(jì)算揭示epi-12高能量狀態(tài)。[2.2.2]ABO 63可實(shí)現(xiàn)對(duì)映體特異性捕獲，表明ABO作為合成對(duì)映體富集化合物的潛在構(gòu)建塊。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、開發(fā)了合成反Bredt烯烴的通用策略，打破了ABO不可獲得的局限
作者報(bào)道了一種通用策略，用于將反Bredt烯烴（ABO）這類幾何扭曲的烯烴制備為可以在環(huán)加成反應(yīng)中捕獲的快速中間體。這一策略的創(chuàng)新之處在于它依賴于從前體中形成硅-氟鍵的驅(qū)動(dòng)力。
2、強(qiáng)調(diào)了幾何扭曲分子的戰(zhàn)略性操縱，為理解幾何扭曲分子提供了新視角
該研究強(qiáng)調(diào)了對(duì)由于幾何約束π鍵的存在而表現(xiàn)出相當(dāng)大扭曲的化合物的戰(zhàn)略操縱。這種操縱不僅提供了一種新的合成方法，而且還為理解和利用這些幾何扭曲分子的性質(zhì)提供了新的視角。通過這種戰(zhàn)略性操縱，能夠更好地控制分子的幾何形狀和反應(yīng)性，這對(duì)于合成化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。
技術(shù)細(xì)節(jié)
反Bredt烯烴12的幾何畸變及前體的合成
作者通過密度泛函理論(DFT)分析了[2.2.1]反Bredt烯烴(ABO)12的基態(tài)結(jié)構(gòu)，并挑戰(zhàn)了ABO不穩(wěn)定的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，盡管ABO 12的烯烴應(yīng)變能為54.2 kcal/mol，但其C=C鍵長(zhǎng)和鍵級(jí)與自然鍵軌道(NBO)分析一致，表明其生成和捕獲是可行的。ABO 12的幾何變形顯著，包括22°和49°的二面角以及35.5°的平均扭轉(zhuǎn)角，導(dǎo)致p軌道錯(cuò)位。此外，C1和C2處的金字塔化角度分別為20.1°和11.6°，顯示了極端的幾何變形。這些因素強(qiáng)調(diào)了ABO生成的挑戰(zhàn)性。研究還探討了Kobayashi型消除化學(xué)在ABO合成中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)相對(duì)立體化學(xué)對(duì)ABO生成至關(guān)重要，而立體化學(xué)要求支持從29a生成ABO 12的協(xié)同同源消除。
圖 不飽和化合物的幾何扭曲和反Bredt烯烴的歷史視角
圖 [2.2.1] ABO 12的結(jié)構(gòu)分析和ABO生成的前體的合成
反Bredt烯烴生成和捕獲實(shí)驗(yàn)
本研究成功生成并捕獲了反Bredt烯烴(ABO) 12，通過優(yōu)化條件，使用三氟甲磺酸甲酯28和甲硅烷基全氟丁基酯29a作為前體，在不同氟化物源和溶劑下實(shí)現(xiàn)了ABO 12的生成。最佳條件為0°C下DMF中的TBAF或120°C下甲苯中的CsF和TBAB。ABO 12展現(xiàn)了廣泛的環(huán)加成反應(yīng)性，與多種二烯進(jìn)行(4+2)、(2+2)和(3+2)環(huán)加成，生成功能化雙環(huán)產(chǎn)品。DFT計(jì)算評(píng)估了所得ABO的幾何扭曲，證實(shí)了其不尋常結(jié)構(gòu)。此外，研究還擴(kuò)展到其他ABO，如[2.2.1]、[3.2.1]和[2.2.2]ABO，展示了ABO在合成復(fù)雜分子中的潛力，尤其是在天然產(chǎn)物和藥物中常見的橋接雙車結(jié)構(gòu)。該方法為合成具有高剛性和復(fù)雜性的分子提供了新途徑。
圖 與[2.2.1]反Bredt烯烴12的捕獲反應(yīng)范圍
與 ABO 12 的反應(yīng)性和電子結(jié)構(gòu)相關(guān)的進(jìn)一步計(jì)算研究
為了探究反Bredt烯烴(ABO) 12的高反應(yīng)性，作者通過DFT研究了其與蒽的(4+2)環(huán)加成反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，協(xié)同環(huán)加成途徑具有最低的活化能壘，表明其為有效過程。ABO 12的基態(tài)結(jié)構(gòu)和過渡態(tài)結(jié)構(gòu)非常相似，顯示出ABO在反應(yīng)中的幾何預(yù)扭曲特性。前線分子軌道(FMO)計(jì)算顯示，ABO 12的HOMO和LUMO能量與普通烯烴不同，這是由于其扭曲和金字塔化的幾何結(jié)構(gòu)所致。進(jìn)一步的計(jì)算表明，扭曲和金字塔化都導(dǎo)致能量結(jié)構(gòu)升高，尤其是金字塔化對(duì)LUMO能量的影響更大。這些幾何變形和能量變化可能對(duì)ABO的反應(yīng)性有顯著貢獻(xiàn)，解釋了其高反應(yīng)性的原因。
圖 通過蒽捕獲驗(yàn)證反Bredt烯烴（30）
立體化學(xué)考慮
在探討ABO的立體化學(xué)時(shí)，兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)值得關(guān)注。首先，ABO 12的捕獲反應(yīng)表現(xiàn)出高度的非對(duì)映選擇性，這與新形成的立體中心有關(guān)。DFT計(jì)算顯示，ABO異構(gòu)體12和epi-12的能量差異顯著，其中epi-12的能量高出33.2 kcal/mol，歸因于其極端的幾何扭曲。其次，[2.2.2]ABO 63的手性以及對(duì)映體特異性捕獲的潛力被探討。實(shí)驗(yàn)表明，63可以以對(duì)映體富集的形式獲取，且在捕獲過程中未發(fā)生對(duì)映體化，保持了定量的光學(xué)產(chǎn)率。這些發(fā)現(xiàn)為ABO化學(xué)增加了新的維度，表明ABO可用作合成復(fù)雜、對(duì)映體富集化合物的非常規(guī)構(gòu)建塊。
圖 有關(guān) ABO 的反應(yīng)性、電子結(jié)構(gòu)和立體化學(xué)的研究
展望
總之，本工作的研究表明，反Bredt烯烴可用作制備功能化橋接雙環(huán)分子的多功能合成中間體，從而為長(zhǎng)期存在的反Bredt烯烴生成和捕獲問題提供解決方案。此外，本文所述的研究強(qiáng)調(diào)了戰(zhàn)略性地利用幾何扭曲烯烴的高反應(yīng)性在化學(xué)合成中廣泛應(yīng)用的潛力。
參考文獻(xiàn)：
LUCA MCDERMOTT, et al. A solution to the anti-Bredt olefin synthesis problem. Science, 2024, 386( 6721).
DOI: 10.1126/science.adq3519
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq3519
