追寻芳香性的大一统

编译 刘迪一

近两个世纪以来，研究人员一直试图明确芳香性的完整定义，但不断发现新类型的芳香性让他们迟迟不得大一统。

芳香性毫无疑问是一个几乎所有化学从业者都耳熟能详的概念，但当学界以更严肃的态度来探讨它时，往往会出现“有争议的”“可疑的”“有问题的”甚至“化学无用功”这样的表达。

美国休斯敦大学的计算有机化学家吴朱迪表示：“人们对芳香性这个词的态度是复杂的。有些人觉得它太含糊，含糊到似乎已经不算严肃的科学。而在我看来，这也是它的出众之处——一个模糊的概念却可以提供有用的化学解释。”

最大的化合物公共数据库PubChem包含近1.1亿个结构。据估计，其中2/3是完全或部分芳香性的。基于对芳香性如何影响化合物特性的理解，研究者能设计出从药物到分子发光体的一系列物质。比利时布鲁塞尔自由大学的量子化学家梅赛德斯·阿隆索（Mercedes Alonso）说：“我认为芳香性是与化学中最重要的性质真正相关的概念之一。它不仅是一种电子特性，还关乎结构，更影响化合物的超分子排列和生物活性。”

芳香性的问题在于，尽管已有两百年的研究历史，却无明确的定义、规则或实验方法可用于“识别”它。举个最直观的例子，在结构上与苯相差悬殊的七硼烷阴离子多面体B7H72-、平面四边形配合物Al42-或由1 000多个碳原子组成的巨大分子轮都被认为是芳香族。

这个巨大的分子轮—拥有超过1 000个碳原子和162个 π电子—已经测试了我们对芳香性的认知极限

在瑞士苏黎世联邦理工学院研究计算物理有机化学的雷娜·波拉娜（Renana Poranne）表示：“这是一个悖论。一方面，芳香性的定义很不明确；另一方面，它对于帮助我们确定化合物或预测其特性显然非常有用。”但这也是令研究者着迷的地方。“人们希望理解芳香性，因为我们还没有理解它。”

尽管化学家所能使用的简略规则越来越多，计算方法非常丰富，但他们仍会以意想不到的方式发现新的芳香性。到目前为止，学界已描述了20多种不同类型的芳香性，那么化学家距离明确可将所有类型统一起来的芳香性定义还有多远呢？

休克尔规则无法解释所有芳香性

许多化学研究者在他们的本科教科书或第一年的讲座中第一次接触到芳香性的概念。根据这些，识别芳香性只需四个简单规则：分子必须是平面、环状结构且具有连续的p轨道和4n+2个π电子（n是整数）。

休克尔规则可能是关于芳香性的所有规则中最容易记住的，由德国物理化学家埃里希·休克尔（Erich Hückel）于1931年提出，是他用来处理不饱和有机分子的简单量子力学计算的一部分。休克尔发现，拥有4n+2个π电子令芳香族分子的成键轨道被填满，从而具备类似惰性气体的电子排布。（稀有气体正因电子层/成键轨道被填满而具有非凡的稳定性。）在休克尔规则提出近20年后，化学家首次使用它验证了环庚三烯酮的芳香性。

未必只有平面结构的分子才具备芳香性，一些有着莫比乌斯环结构的芳香族，例如轮烯和卟啉，就是最好的例子

然而，随着研究者开展越来越多关于休克尔规则的研究，学界逐渐发现它并不适用于所有芳香族，而仅适用于一小部分。事实上，用吴朱迪的话说，苯这个最经典的芳烃“不能代表大多数芳烃分子”。

一系列芳香族化合物都不是平面结构，例如硼-氢簇化合物以及富勒烯。（当然，巴克敏斯特富勒烯C60的芳香性仍存争议，说它是芳香的、反芳香的和非芳香的声音都有。）而新出现的σ芳香族和δ芳香族也使得学界关于芳香性是否仅适用于具有p轨道的分子的争论愈发激烈。此外，三钽氧化物簇TaO-的33d轨道包含离域电子，而三氢阳离子H+3的芳香性基于其s轨道电子的离域。

另一方面，有些分子看起来很“芳香”，但实际上并不属于芳香族，例如环硼氮烷。这一人送外号“无机苯”的六元环由硼、氮原子交替排列成环，拥有6个π电子并符合其他所有芳香性规则。但根据波拉娜的说法：“事实证明，由于硼原子的负电性和氮原子的正电性，环硼氮烷实际上并没有可观的π电流。”最有可能的一种情况是环硼氮烷只具备相当一般的芳香性。吴朱迪称，这表明拥有6个π电子不等于掌握了芳香“魔力”。

芳香性的规则境况如何

目前除了休克尔规则，至少还有18套芳香性相关规则。它们中的很多都需要关于分子结构的额外信息，以免与其他规则相矛盾。例如，虽然休克尔规则下的芳香族化合物需要具备4n+2个π电子，但那些拥有半扭曲莫比乌斯结构的芳香族化合物实际上只要4n个π电子就够了。

西班牙赫罗纳大学的计算化学家米克尔·索拉（Miquel Solà）表示：“被大多数人认同的芳香性定义来自保罗·冯·施莱尔（Paul von Ragué Schleyer）在其2005年发表于《化学评论》（Chemical Reviews）杂志的一篇论文。”施莱尔和同事在文中指出，芳香性是环状闭合共轭体系里电子离域的一种表现，所有不同的测试和规则都只关注事实的结果。结合4个主要标准——结构、反应性、能量和磁性——可助我们深入了解化合物的芳香性。

就结构标准来看，许多芳香族化合物都为平面结构且具有相等的键长。但平面和等键长未必可推得芳香性。诸如：聚甲鎓离子C5H9N2+这样的线性化合物的碳碳键长度几乎相等，却不具备芳香性；三维结构的芳香族则显然非平面。

同样的，反应性标准也充斥反例。芳香亲电取代反应是苯的特性之一，但与苯同为芳香烃的多环化合物的蒽则更倾向于加成反应。

芳香性与稳定性有关。大多数研究者基于苯的芳香性而推断它的稳定化能为30 kcal/mol。但教科书没有告诉读者的是，对比不同参照物所得到的能量数值其实有很大差异。

20世纪30年代，两个团队分别推导出了苯相比于多烯和环己烯的共振能，均为大约36 kcal/mol。但到了2007 年，施莱尔等人发现，进行了超共轭校正后，苯的共振能几乎翻了一倍。

阿隆索指出，芳香性的问题在于它是“我们为了描述化合物的特性而发明的一个概念”。与熔点或分子质量不同，芳香性不是能在实验室里测量的可观察特性——这一事实令许多科学家感到不快。阿隆索解释道：“我们有100多个描述词来量化芳香性，但没有一个可以普遍应用。”

磁场里的芳香探针

过去几十年，检查分子的磁性已成为我们明确芳香性的最普遍方法。如波拉娜所言：“核独立化学位移（NICS）绝对是当今最流行的芳香性标准。”

1996年，施莱尔提出核独立化学位移用作芳香性的磁学判据。迈克尔·布尔（Michael Bühl）和克里斯托夫·范瓦伦（Christoph van Wüllen）在 1995年计算出了基本相同的内容，但并未给其命名。化学家开始高频率使用这枚“简单有效的芳香性探针”。波拉娜指出，施莱尔的原始论文被引用了4 000多次——理由充分，“它非常易于使用，并且可在最常用的计算软件中实现”。

NICS是一种基于核磁共振（NMR）的设计巧妙的芳香性探针——这也是它受到实验学家欢迎的另一个原因。当芳香族化合物被放置于磁场（例如核磁共振成像设备内的磁场）中时，它的π电子会绕环运动，形成环流。这种电子运动反过来也会产生垂直于环平面的磁场。苯环的这种磁场可对氢原子的NMR化学位移产生显著影响。

NICS的单值结果不仅显示某物质有无芳香性，还可表明其芳香程度。数值越负，芳香性越强；数值接近0值则代表非芳香性；正值意味着反芳香性。

NICS的正与负

施莱尔的NICS方法出来后不久，研究者开始产生一些问题，例如来自σ轨道或其他非芳香性磁场线的干扰。部分同行认为NICS作为一个虚拟的、不可测试的参数，不能用于评估化学事实，应被舍弃。

分别以钼丝(Φ 1 mm)为工作电极(WE)，石墨(Φ 6 mm)为对电极(CE)，Ag/AgCl为参比电极(RE)，炉温710 ℃，在低价钛熔盐中采用瑞士万通PGSTAT302N电化学工作站进行CV测试，装置见图3。

一些化学家开始改进NICS以解决问题，这也是为什么现在有许多不同版本的NICS。有人设计了不一样的替代方法来评估芳香性的磁性标准。例如：达格·桑德霍尔姆（Dage Sundholm）的芳环电流屏蔽（ARCS）测量芳香环的感应电流强度，相比NICS能更好比较无关联的分子；保罗·拉泽雷蒂（Paolo Lazzeretti）的多边形电流模型（PCM）则可以更好地处理分子的实际几何结构，可对诸如σ芳香族环丙烷等小系统进行更准确评估。

桑德霍尔姆团队使用ARCS和另一种方法——磁感应电流法（Gimic）——来反驳了氟化氢三聚体（HF）3所谓的氢键芳香性。尽管它呈平面环状结构且有着绝对值极大的负NICS值，但Gimic表明（HF）3的环电流太弱而不能被纳入芳香族。桑德霍尔姆和同事如此写道，NICS负值仅仅是围绕每个HF单体的强边缘电流而非芳香环电流的结果。

当然即便如此，NICS仍被广泛用于芳香性分类。在许多情况下，NICS不仅会与“不寻常”的芳香化合物发生冲突，甚至还会与经典的芳香族成员相矛盾，一个典型案例来自多环芳烃——单个环可以是反芳香性的，与此同时又具备半局部或全局芳香性。例如，蒽由三个线性稠合的苯环组成。中间苯环的NICS值最负。波拉娜指出：“如果只从表面解释它，你会说这意味着中间那个环的芳香性最强，那么理论上它就应该是最稳定的，但实际上它的反应性是最强的，为什么呢？”

根据波拉娜的解释，稠环芳烃实际上是一个完整的共轭体系，因此将每个环视作单个单元可能没有意义。尽管NICS测算每个环中的感应磁场，但它所测得的并非那个环的真实环电流。

阿隆索表示，NICS本身显然不足以声明芳香性。“一种化合物只满足磁性标准，但不满足能量标准——在我看来，它就不能被定性为完全芳香。”

“芳香四溢”

借助NICS以及众多实验和计算方法，化学家在世纪之交发现了几种新类型的芳香性，包括富勒烯的球形芳香性和首现于2003年的第一个莫比乌斯芳香分子，不过最让学界感到惊讶的可能是1995年的第一个全金属芳香族化合物。

几年后，由美国布朗大学的实验物理化学家王来生和计算化学家亚历山大·博迪列夫（Alexander Boldyrev）领导的研究团队声称发现了第二个π芳香族金属簇 Al42-。王来生回忆道，一开始很难让同行相信他们，造成这种情况的原因之一是芳香性评估在很大程度上依赖于计算手段，“许多实验化学家对计算化学持怀疑态度，因为无可否认，当时的计算准确性是有限的”。

1981年诺贝尔化学奖得主罗尔德·霍夫曼（Roald Hoffmann）在2015年如此评价道，虽然自己并不怀疑 Al2-是4一种真正的分子，但“让我感到恼火的是关于它具有芳香性的说法……我用一瓶雷司令葡萄酒打赌，我和你在有生之年是看不到毫克级产出的Al42-的”。

王来生表示：“他认为这些簇只是气相分子，他想要一些可以放入瓶子的东西。”毕竟，芳香性应该赋予物质稳定性。“但是外太空有很多分子，它们都处于气相。对于气相簇，要真正确定它们的反应性更加困难。但是电子离域具有一定的电子稳定性，这是毫无疑问的。”

霍夫曼觉得人们可能在过度使用芳香性这个词，将其定义细分得支离破碎。王来生“在某种程度上同意他的观点”。单独计算得到的值对确认化合物的芳香性几乎无作用。

虽然阿隆索并不同意霍夫曼的所有观点，但她也认为过度使用芳香性概念可能存在危险。“我们缺少的是统一的芳香性理论，这是大多数从事芳香性研究的人都能接受的事实。”

从p到s

在首次揭示了一些金属簇的芳香性后，研究人员又迅速深入挖掘，发现它们不仅具备π芳香性，还有σ芳香性。某些化合物，例如王来生和同事发现的铝簇，甚至表现出两种类型的芳香性——尽管这仍然存在很大争议。马尔堡大学量子化学家弗洛里安·魏根德（Florian Weigend）解释道：“NICS和Gimic计算主要针对的电子类型不一致。”前者指向σ电子和π电子的贡献，后者主要指向σ。

簇的价电子在整个分子内离域，而这未必会使其具备σ芳香性。德南解释道：“沿着金属-金属相互作用轴，应该存在某种电子动力学过程，而非具有明确共价键的碳化合物。”当她首次观察到硼笼的非定域电子云时，德南意识到这是一个惊人的发现，新术语“三维σ芳香性”也由此问世。“当然，不要将具有离域轨道的金属原子构成的所有物质都视作σ芳香族成员。”

镓化合物表明芳香性不仅限于碳氢化合物

2020年，德南团队与魏根德团队共同合成了铋-钍簇，最大的π芳香族分子，完全由金属原子组成。德南表示：“芳香性概念应该重新塑造，用于那些真正独特的事物。有机化合物的电子离域配得上芳香性，而对于金属簇或无机化合物来说，芳香性应留给π体系。我认为这更符合原始定义。”

但正如波拉娜和阿芒·斯坦格（Amnon Stanger）在2015年所写的：“在很多方面，芳香性就像审美。换言之，其定义如何取决于旁观者的想法。”2016年，南开大学的无机化学家孙忠明团队与王来生和博迪列夫的团队分离出固态全金属反芳香性化合物。相比有机化合物，此类簇的电子更离域且更容易形成多中心键，因此“你可以使用反芳香性解释键合，但也可以使用传统的化学键合概念来解释它”。孙忠明表示希望创建更多不同的簇，这可能提供更多证据以支持某一种观点。

不仅仅是学术争论

波拉娜表示：“我们正试图找到芳香性和具有现实意义的分子特性——例如Homo-Lumo能隙或电离电势——之间的联系。”2018年，她通过定义几个简单的构建块和组合规则，成功预测了多环芳烃的NICS扫描形状。现在她和同事扩展了此方法，用以预测当芳烃变成反芳烃（或反芳烃变芳烃）时，这些处于激发态的分子会发生什么。

阿隆索团队发现，某些卟啉型分子可以在芳香性和反芳香性的休克尔结构以及莫比乌斯芳香结构之间切换。由于这些形式中的每一种都具备不同的导电性，因此它们可以被用作单分子电子器件和热电器件的开关。

吴朱迪和她的团队发现，芳香性甚至作为DNA碱基配对和DNA光稳定性的驱动力，在人体内发挥作用，“我们已经将DNA光失活过程中发生的事情转换成了一种有用的化学语言”。虽然此过程也可用电离电势等物理术语来解释，但“你不能对一个有机化学家说：‘请问您能不能设计一个氢键系统，这的电离能高，那的电离能低？’芳香性和反芳香性与化学结构密切相关，它可指导相关体系的设计”。

现在的芳香性已经完全不再是纯粹的学术论点。那么是否需要彻底修改定义？索拉认为有必要，尤其是在涉及金属簇等边缘体系时。2018年，他仔细研究了19条芳香性规则，并开始尝试把它们结合起来，最终目标是找到一套可将它们统一起来的芳香性理论。

波拉娜持不同观点：“我认为永远都不会出现所有人达成共识、专用某套理论方法的情况。这种情况一般不存在于科学领域。”

吴朱迪如此说道：“我认为随着该领域的发展，相关问题类型也在不断发展。我们已经渡过了询问芳香性意义的阶段。现在是时候追问，我们用它做什么了。”

资料来源 Chemistry World