Fluolab【JACS】破局传统认知！全新空间效应让碳中心自由基稳定存在数月，解离常数暴增6个数量级
文章标题：Through-Space Stabilization of Carbon-Centered Aryl Dicyanomethyl Radicals
通讯作者：Arthur H. Winter
文章概要
引言
稳定有机自由基在医学、生物学、材料科学以及量子信息科学等前沿领域展现出巨大的应用潜力。然而，自由基通常由于未配对电子的存在而极具活性，容易发生二聚化、歧化或与氧气反应而失去开壳特性。相比于研究较多且易于合成的杂原子中心自由基，碳中心自由基拥有三价特性和核自旋静默的碳十二原子，因此在量子比特等应用中独具优势。在各类碳中心自由基中，芳基二氰甲基自由基通常倾向于在低温下形成二聚体。以往的稳定化策略主要依赖于通过化学键传导的共轭或诱导效应，例如在对位引入电子供体，而引入吸电子基团则往往会削弱自由基的稳定性。在本项研究中，研究团队打破常规，首次探索了利用空间轨道相互作用（Through-Space Interactions）来稳定碳中心自由基的新策略，通过在邻位引入强吸电子的硝基，成功实现了自由基在极低温度下的稳定存在。
Figure 1. Stereoelectronic interaction of the nitro groups with the carbon radical center, accompanied by Kohn–Sham orbitals (ωB97XD) of the bonding and antibonding combination.
主要实验及结论
研究人员设计并合成了四种不同的自由基化合物进行对比研究，其中核心研究对象为邻位双硝基取代的芳基二氰甲基自由基。在至关重要的溶液相二聚平衡实验中，变温电子顺磁共振（VT-EPR）光谱实验揭示了令人震惊的数据：传统的无邻位取代控制自由基在室温下几乎完全以二聚体形式存在，其缔合常数极高；然而，邻位双硝基取代的自由基在常温甚至低温下均展现出极强的自由基信号。定量热力学分析表明，该自由基的二聚体缔合常数相比无取代控制组剧烈降低了近6个数量级，这意味着它在微摩尔浓度的甲苯溶液中绝大多数都以游离自由基形式存在。这种性质变化方向与对位取代的规律完全相反，充分证实了邻位硝基引入了全新的稳定机制。
Figure 2. The four radicals synthesized, and their solution state variable temperature EPR spectra (top), their solid-state EPR spectra (middle), and variable temperature UV–vis spectra (bottom). The solution EPR samples were prepared in toluene with concentrations 1 = 9.52 mM, 2 = 154.38 mM, 3 = 29.28 mM, 4 = 70.82 mM and purged with N2.
为了彻底厘清这一反常现象背后的本质，研究团队进行了密度泛函理论（DFT）计算。结果显示，由于两侧邻位硝基的空间与电荷挤压，自由基中的二氰甲基被迫旋转至与芳环几乎垂直的角度。在这种极端扭曲的几何构型下，硝基氧原子上的孤对电子能够与自由基碳原子上未充满的对位轨道发生强烈的空间立体电子相互作用。实验上的紫外可见光谱数据也完美印证了这一结论，该化合物的吸收峰相比普通共轭体系发生了显著的蓝移，证明共轭作用已基本断绝，游离自由基的稳定完全由这种新型的空间轨道重叠所驱动。
Figure 3. EPR signal of 1 over time in solution (left) and in the solid state (right).
此外，为了排除该现象单纯是由二聚体排斥力导致的规律误判，研究人员还合成了一个体积更大但在空间上无法提供有效电子相互作用的邻苯基控制组。实验表明，尽管苯基空间位阻更大，但其自由基稳定效果远远不及硝基组，从而确凿证实了空间立体电子稳定效应的存在。在固态性质测试中，双硝基取代的自由基表现出极强的固态单晶光谱信号，而其他控制组则全部转变为顺磁静默的共价二聚体。在稳定性方面，该自由基在固态下能够稳定存放数月之久，即使在溶液中也展现出了令人满意的数小时生存期。
总结及展望
这项研究成功论证了一种全新的碳中心自由基稳定化范式。研究团队证明，稳定自由基不一定需要依赖传统的长程共轭 resonance 效应或单纯的笨重空间位阻，巧妙利用邻位强供体行为的空间轨道相互作用同样可以构筑出长期稳定的开壳有机分子。由于该体系在温度变化时展现出清晰的磁性与光学响应，这种基于空间效应稳定的芳基二氰甲基自由基有望成为构筑新一代智能刺激响应材料、光电功能器件以及分子自旋电子学硬件的高效核心建筑基石，也为未来设计高稳定性、功能化有机开壳体系开辟了全新的化学创制路径。