環己六酮的合成和結構表征：160年爭議與挑戰的終結

　　化學是研究物質變化的科學，對已知物質的結構表征和創造新物質是化學科學重要任務的兩個方面。在化學科學史上，有些化學物質的結構早已被預測，但由于當時條件的限制而沒有被制備出來和難以進行科學表征，例如對2-降冰片基碳正離子非經典結構的預測及其多年后的成功合成和表征。環己六酮(C₆O₆)，又稱為六酮環己烷，在歷史上也是充滿爭議的一個分子。C₆O₆的Lewis結構包含六個C-C單鍵構成的C₆骨架和六個C=O雙鍵(圖1)，因其具有六個高度親電的羰基，中性的C₆O₆被認為是不太穩定的。因此，C₆O₆的體相合成是化學史上一個著名的難題。

　　圖1. C₆O₆的合成路線及其13C NMR譜圖。

　　早在1862年，德國的Lerch等人就聲稱通過氧化苯六酚或四羥基對苯醌的方法合成了八水合環己六酮(C₆O₆?8H₂O)。然而，后人通過X射線衍射和紅外等近代技術證明了他們合成的化合物實際上是十二羥基環己烷二水合物（C₆(OH)₁₂?2H₂O）。此后，雖然現代物理化學束源技術配合以質譜和光譜方法逐漸被用于合成并表征離子束中痕量的C₆O₆^?-陰離子自由基，但是C₆O₆的體相合成一直還未成為可能。

　　直到2019年，南開大學陳軍院士課題組以商業化的C₆(OH)₁₂?2H₂O為原料，在加熱負壓的條件下，通過精確調控反應溫度和壓力，成功批量合成出了中性C₆O₆分子（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 131, 7094），產物的13C核磁共振譜圖中只出現了一種羰基碳原子（圖1），將其作為鋰離子電池正極材料可表現出高達902 mAh g^-1的比容量。然而，C₆O₆分子中六個親電的C=O基團對空氣極其敏感（極易與水反應），導致常規質譜儀自帶的電噴霧方法無法對其進行有效表征，受此限制，當時并未測得C₆O₆分子的質譜。因此，開發能在惰性氣氛下進樣的電噴霧質譜裝置對C₆O₆分子進行進一步深入表征具有非常重要的意義，但也存在很大的難度和挑戰性。

　　圖2. （a）手套箱電噴霧質譜裝置示意圖；（b）C₆O₆的負離子質譜圖顯示單一的C₆O₆H-峰。

　　為了解決這一問題，南開大學陳軍院士課題組與擅長搭建質譜裝置表征的張新星研究員課題組相互合作，優勢互補，在克服了種種困難后，設計并成功搭建了一套新的能在惰性氣氛手套箱里進樣的電噴霧質譜裝置。該裝置延長了質譜儀的進樣口，并通過密封配件將質譜進樣口非常精準無誤地插入手套箱內壁中。接著使用該裝置首次成功得到了上述方法合成的環己六酮的質譜（圖2，圖3）。

　　圖3.C₆O₆H -(m/z 169)的MSn（n=2-4）譜圖，可觀測到高達四個CO碎片的連續丟失。

　　此外，團隊使用計算化學方法優化了環己六酮的分子結構，發現其并非為平面結構，而是具有椅式構象（圖4a）。團隊使用了適應性自然密度劃分(AdNDP)方法分析了C₆O₆的成鍵特征。C₆O₆中共有60個價電子（每個C原子4個；每個O原子6個），根據圖4b中AdNDP的分析結果，六個O原子上的六個s型孤對電子，占據數（ONs）為1.98|e|；O原子上有六個p型孤對電子，ON=1.88|e|。六個C-O σ鍵是二中心二電子(2c-2e)鍵，ON=2.00|e|，六個C-O π鍵也是純2c-2e鍵，ON=1.95|e|。而C₆骨架由六個C-C σ 2c-2e鍵構成，ON=1.98|e|，構成了環己六酮的C₆骨架。至此，C₆O₆的60個價電子都有了歸屬，沒有發現諸如芳香性之類的獨特化學鍵，這也和該分子的非平面結構相契合。

　　圖4. 理論計算結果。(a)優化后C₆O₆結構的俯視和側視圖；(b)AdNDP分析C₆O₆分子內的化學鍵。

　　值得一提的是，作者通過AdNDP計算進一步指出，商業可購買的紅藻酸C₆O₆^2-鈉鹽之所以可以穩定存在的原因是它相對于中性C₆O₆分子多出的兩個電子分布于整個分子骨架內，構成了平面的12中心2電子（12c-2e）的π芳香性，并滿足了4n+2（n=0）的休克爾規則。團隊認為這多出來的全局離域芳香性像膠水一樣將12個原子粘合在了一起，為C₆O₆^2-提供了多一重的穩定性。

　　那么為什么在所有的合成方法都失敗了的160年之后，這項簡便的合成方法可以成功呢？為了回答這個問題，團隊還通過CK的理論方法，全局搜索了C₆O₆的10000個可能存在的同分異構體，并發現環己六酮的能量比全局能量最低的結構高出很多（圖5）。因此，團隊推測該合成方法成功的關鍵在于起始材料和最終產物之間都保留有C₆六元環的骨架結構，該結構的高度相似性可能使其異構化為其他結構需要越過極高的勢壘，使得保留環己六酮的環狀結構成為可能。

　　圖5. 全局搜索C6O6所有同分異構體后得到的能量最低的8個結構。

　　相關成果發表在國際頂尖的物理化學期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》上，同時審稿人給予了高度的評價，認為這項工作為進一步深入理解該分子做出了重要的貢獻，是物理化學助力化學合成的一個典范。至此，這兩項工作為C₆O₆的體相合成這一具有長達160年爭議的問題畫上了一個圓滿的句號。

　　該論文的并列第一作者為南開大學博士研究生張冬梅以及博士后盧勇，通訊作者為南開大學陳軍院士和張新星研究員。

　　原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.1c02904