首次合成具有芳香氮环的化合物

一个由拜罗伊特大学的研究人员组成的国际团队在《自然化学》杂志上展示了氮化学的一项潜在突破性发现：首次合成了一种含有氮原子芳环的化合物。

氮和钾的化合物是在极高的压力和温度下产生的。它具有非常复杂的结构，但其主要组成部分是六个氮原子的平面环，称为六嗪阴离子，因为它带有负电荷。六嗪阴离子中氮原子的排列类似于苯中碳原子的排列，苯是一种自然界中普遍存在的芳香族化合物。

尽管术语“芳香”最初与气味有关，但如今它在化学中的使用仅限于具有特定电子、结构或化学特性的化合物。这些化合物独特的稳定性被称为芳香性。芳香族化合物在化学和生物学以及众多工业分支中发挥着重要作用。

尽管芳香性最初被认为是碳循环所独有的，但后来表明，由碳杂环和非碳循环组成的许多系统都可以具有芳香性。然而，到目前为止，氮的芳香性仅限于[N₅]⁻五唑根阴离子。

拜罗伊特大学晶体学实验室和巴伐利亚实验地球化学与地球物理学研究所(BGI)参与的一项国际合作现已取得重大突破。在极端压力和温度条件下，合成了含有[N₆]⁴⁻六嗪环的络合物K₉N₅₆。

K₉N₅₆的结构由[N₆]⁴⁻和[N₅]⁻环以及中性氮二聚体的复杂排列组成。研究人员发现，[N₆]⁴⁻六嗪环的结构符合以物理化学家ErichHückel命名的化合物的芳香性规则：该环呈环状、平面状并具有(4n+2)个π电子(10π系统).

“这是第一次合成了一个由六个氮原子组成的环，它遵循Hückel芳香性规则。它的芳香性特征得到了键长考虑和电子电荷密度计算的进一步支持。新合成的[N₆]⁴⁻六嗪环与苯有着惊人的相似性，苯是自然界中无处不在的芳香族碳化合物，”晶体学实验室的NataliaDubrovinskaia博士教授说。

“这项研究提供了一个显着的例子，与高密度下结构简单的比喻相矛盾。我们希望这种芳香六嗪阴离子的合成，以及芳香[N₅]⁻五唑阴离子的合成，能够激发对氮化学的进一步探索。寻找新型氮基技术材料，”华大基因的LeonidDubrovinsky博士教授补充道。

复合化合物K₉N₅₆是在不寻常的条件下形成的：叠氮化钾(KN₃)和分子氮(N2)在比地球大气压力高400,000倍以上的压力下被压缩，并用高功率激光加热到2,000摄氏度。

下一步是阐明这种新化合物的内部结构。为此，样品在两个粒子加速器、位于汉堡的德国电子同步加速器(DESY)的PETRAIIIX射线源和位于格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射装置(ESRF-EBS)处暴露于强X射线束.

“我们对化合物K₉N₅₆的原子排列感到非常惊讶：它的复杂性对于在如此高压下产生的固体几乎从未观察到。我们发现它由520个原子的重复排列组成：72K和448N。虽然我们可以立即看到平面[N₆]⁴⁻环满足芳香性的基本要求，但我们应用先进的计算方法来验证这一点，”新论文的第一作者、爱丁堡大学的DominiqueLaniel博士报告说。