近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室葉生發(fā)研究員團(tuán)隊與北京大學(xué)席振峰教授和張文雄教授研究團(tuán)隊合作，成功揭示了非平面丁二烯基雙鐵化合物的芳香性來源于兩個鐵中心的3dxz與丁二烯π之間d-p軌道的σ型重疊。

芳香性是化學(xué)的基本概念之一。在大多數(shù)芳香化合物中，其共軛環(huán)一般是通過軌道之間肩并肩的π型交蓋實現(xiàn)電子離域，因此它們大多傾向于平面結(jié)構(gòu)。但是在金屬雜芳香化合物中，由于金屬d軌道具有不同的形狀和空間取向，為了實現(xiàn)電子離域的最大化，d軌道與p軌道之間的交蓋類型也可以是σ型交蓋，導(dǎo)致最穩(wěn)定狀態(tài)的芳香性分子不一定是平面結(jié)構(gòu)。目前大多數(shù)已被報道的非平面金屬雜芳香化合物中，共軛環(huán)上金屬d軌道與相鄰碳原子p軌道之間仍以π型交蓋方式為主。然而，通過d軌道與p軌道的σ型交蓋來實現(xiàn)電子離域的非平面金屬雜芳香化合物卻很少被報道或提出。

在丁二烯基雙鐵化合物的單晶分子結(jié)構(gòu)中，兩個鐵中心之間的距離長于一般的Fe-Fe單鍵而短于范德華半徑之和，表明它們之間可能存在較弱的相互作用。丁二烯骨架的碳碳鍵的平均化特征說明骨架上四個碳原子之間存在電子離域結(jié)構(gòu)。變溫磁化率和穆斯堡爾譜測試結(jié)果表明，丁二烯基雙鐵化合物中存在兩個反鐵磁耦合的高自旋二價鐵，表現(xiàn)出開殼層單重態(tài)的電子結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步做理論計算和分析相關(guān)分子軌道顯示，兩個鐵中心的3dxz軌道與丁二烯骨架的π軌道發(fā)生了組合，所形成的雙占據(jù)成鍵分子軌道中，丁二烯π軌道與3dxz軌道之間存在σ型軌道交蓋。兩個鐵中心3dxz軌道同相位組合則對應(yīng)了非鍵分子軌道，而反相位組合進(jìn)一步與丁二烯π軌道形成了反鍵分子軌道，它們的占據(jù)數(shù)之和為2，具有反鐵磁耦合特征。同時考慮丁二烯骨架能量更低的π軌道中的一對電子，整個鐵雜環(huán)中參與離域的電子數(shù)為6個，表明其可能存在芳香性。進(jìn)一步的計算顯示，丁二烯基雙鐵化合物中非平面鐵雜環(huán)的NICS(1)zz值（-37.5, -36.6 ppm）、等化學(xué)屏蔽表面和各向磁感應(yīng)電流密度均表明丁二烯基雙鐵化合物中的非平面鐵雜環(huán)具有芳香性。

該工作實現(xiàn)了具有非平面金屬雜芳香性的丁二烯基雙鐵化合物的合成。多種實驗表征和理論計算表明，兩個反鐵磁耦合的高自旋二價鐵中心作為“super atom”，以其3dxz軌道與丁二烯骨架π軌道之間發(fā)生σ型交蓋，實現(xiàn)了金屬雜環(huán)上的電子離域，形成了非平面金屬雜芳香性結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作于近日發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。（文/圖 姜洋）