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环己六酮的合成和结构表征：160年争议与挑战的终结

2021.10.20

　　化学是研究物质变化的科学，对已知物质的结构表征和创造新物质是化学科学重要任务的两个方面。在化学科学史上，有些化学物质的结构早已被预测，但由于当时条件的限制而没有被制备出来和难以进行科学表征，例如对2-降冰片基碳正离子非经典结构的预测及其多年后的成功合成和表征。环己六酮(C₆O₆)，又称为六酮环己烷，在历史上也是充满争议的一个分子。C₆O₆的Lewis结构包含六个C-C单键构成的C₆骨架和六个C=O双键(图1)，因其具有六个高度亲电的羰基，中性的C₆O₆被认为是不太稳定的。因此，C₆O₆的体相合成是化学史上一个著名的难题。

　　图1. C₆O₆的合成路线及其13C NMR谱图。

　　早在1862年，德国的Lerch等人就声称通过氧化苯六酚或四羟基对苯醌的方法合成了八水合环己六酮(C₆O₆•8H₂O)。然而，后人通过X射线衍射和红外等近代技术证明了他们合成的化合物实际上是十二羟基环己烷二水合物（C₆(OH)₁₂•2H₂O）。此后，虽然现代物理化学束源技术配合以质谱和光谱方法逐渐被用于合成并表征离子束中痕量的C₆O₆^•-阴离子自由基，但是C₆O₆的体相合成一直还未成为可能。

　　直到2019年，南开大学陈军院士课题组以商业化的C₆(OH)₁₂•2H₂O为原料，在加热负压的条件下，通过精确调控反应温度和压力，成功批量合成出了中性C₆O₆分子（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 131, 7094），产物的13C核磁共振谱图中只出现了一种羰基碳原子（图1），将其作为锂离子电池正极材料可表现出高达902 mAh g^-1的比容量。然而，C₆O₆分子中六个亲电的C=O基团对空气极其敏感（极易与水反应），导致常规质谱仪自带的电喷雾方法无法对其进行有效表征，受此限制，当时并未测得C₆O₆分子的质谱。因此，开发能在惰性气氛下进样的电喷雾质谱装置对C₆O₆分子进行进一步深入表征具有非常重要的意义，但也存在很大的难度和挑战性。

　　图2. （a）手套箱电喷雾质谱装置示意图；（b）C₆O₆的负离子质谱图显示单一的C₆O₆H-峰。

　　为了解决这一问题，南开大学陈军院士课题组与擅长搭建质谱装置表征的张新星研究员课题组相互合作，优势互补，在克服了种种困难后，设计并成功搭建了一套新的能在惰性气氛手套箱里进样的电喷雾质谱装置。该装置延长了质谱仪的进样口，并通过密封配件将质谱进样口非常精准无误地插入手套箱内壁中。接着使用该装置首次成功得到了上述方法合成的环己六酮的质谱（图2，图3）。

　　图3.C₆O₆H -(m/z 169)的MSn（n=2-4）谱图，可观测到高达四个CO碎片的连续丢失。

　　此外，团队使用计算化学方法优化了环己六酮的分子结构，发现其并非为平面结构，而是具有椅式构象（图4a）。团队使用了适应性自然密度划分(AdNDP)方法分析了C₆O₆的成键特征。C₆O₆中共有60个价电子（每个C原子4个；每个O原子6个），根据图4b中AdNDP的分析结果，六个O原子上的六个s型孤对电子，占据数（ONs）为1.98|e|；O原子上有六个p型孤对电子，ON=1.88|e|。六个C-O σ键是二中心二电子(2c-2e)键，ON=2.00|e|，六个C-O π键也是纯2c-2e键，ON=1.95|e|。而C₆骨架由六个C-C σ 2c-2e键构成，ON=1.98|e|，构成了环己六酮的C₆骨架。至此，C₆O₆的60个价电子都有了归属，没有发现诸如芳香性之类的独特化学键，这也和该分子的非平面结构相契合。

　　图4. 理论计算结果。(a)优化后C₆O₆结构的俯视和侧视图；(b)AdNDP分析C₆O₆分子内的化学键。

　　值得一提的是，作者通过AdNDP计算进一步指出，商业可购买的红藻酸C₆O₆^2-钠盐之所以可以稳定存在的原因是它相对于中性C₆O₆分子多出的两个电子分布于整个分子骨架内，构成了平面的12中心2电子（12c-2e）的π芳香性，并满足了4n+2（n=0）的休克尔规则。团队认为这多出来的全局离域芳香性像胶水一样将12个原子粘合在了一起，为C₆O₆^2-提供了多一重的稳定性。

　　那么为什么在所有的合成方法都失败了的160年之后，这项简便的合成方法可以成功呢？为了回答这个问题，团队还通过CK的理论方法，全局搜索了C₆O₆的10000个可能存在的同分异构体，并发现环己六酮的能量比全局能量最低的结构高出很多（图5）。因此，团队推测该合成方法成功的关键在于起始材料和最终产物之间都保留有C₆六元环的骨架结构，该结构的高度相似性可能使其异构化为其他结构需要越过极高的势垒，使得保留环己六酮的环状结构成为可能。

　　图5. 全局搜索C6O6所有同分异构体后得到的能量最低的8个结构。

　　相关成果发表在国际顶尖的物理化学期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》上，同时审稿人给予了高度的评价，认为这项工作为进一步深入理解该分子做出了重要的贡献，是物理化学助力化学合成的一个典范。至此，这两项工作为C₆O₆的体相合成这一具有长达160年争议的问题画上了一个圆满的句号。

　　该论文的并列第一作者为南开大学博士研究生张冬梅以及博士后卢勇，通讯作者为南开大学陈军院士和张新星研究员。

　　原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.1c02904

陈军环己六酮张新星

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