美国化学会C&EN杂志将2021年度分子的殊荣颁给了一种叫“无穷烯”（Infinitene）的多环芳烃分子，因其结构类似一个无穷大符号（∞）。该分子由日本名古屋大学的伊丹健一郎（K. Itami）团队合成，是一种发绿色荧光的黄色稳定固体。无穷烯分子是由12个苯环首尾相连而成的一种扭转的闭环结构。其固有的手性骨架和超大π共轭体系赋予其很强的旋光性、圆偏振发光和荧光特征、特殊的芳香性以及复合金属离子的能力，在手性光学、光电子学、不对称合成以及超分子化学等领域有着潜在的应用。可以推测，无穷烯的这些特殊性质和应用都是由其自身的新奇结构所决定的。

    无穷烯分子属于环状聚芳烃这一大类化合物。化学家所熟知的其它环状聚芳烃分子包括各种碳纳米带、圈烯、凯库勒烯等，且都各自对应有不同尺寸大小和各种形状的丰富结构。但相比之下，无穷烯似乎是这一新类型纳米碳的孤例。我们不禁好奇，能否将“无穷烯”这一概念扩展成拥有大小不同、几何形状多样、拓扑结构各异的一大家族化合物？

近日，扬州大学化学化工学院的汪洋教授团队让上述设想获得了计算机模拟（in silico）实现。该工作首次将无穷烯分子扩展成一整个新家族的化合物，成果发表在JACS上，并被选为内页封面。此项研究的基本设计思路是，将两种任意给定的平面单环聚芳烃结构拼装在一起，就能得到具有∞形状的广义无穷烯结构。论文作者不但为无穷烯结构实现了通用的理性设计，而且还提出了任意无穷烯结构的系统命名法。利用汪洋教授开发的免费开源软件GenInfi，化学家们可轻松构造任意无穷烯的三维分子结构。GenInfi软件的下载地址：https://github.com/yangwangmadrid/GenInfi。

由于给定分子尺寸的无穷烯一般具有成百上千种异构体，探索众多结构间的相对稳定性规律、寻找出最稳定的结构就显得尤为必要。此工作通过高通量和高精度的量子化学计算并结合简单的能量分解理论模型揭示出，无穷烯的稳定性由π共轭效应、张力以及π-π堆积等因素共同决定。最有意思的发现是，当分子含20及以上个苯环时，无穷烯是众多类型的大环聚芳烃中最稳定的形式，也比很多已知实验合成结构在热力学上要稳定得多。这种热力学上的显著优势将为更多无穷烯的实验合成带来便利条件，使无穷烯有望成为有机化学家们理想的合成目标。

    该研究进一步模拟了一系列最稳定无穷烯的¹H核磁共振谱、紫外可见吸收光谱、圆二色光谱及比旋光度，为其后续的实验合成和表征提供了重要的理论指导。值得一提的是，在该论文审稿期间，有实验报道了含16个苯环的无穷烯的合成（Angew. Chem., Int. Ed. 2023, DOI: 10.1002/anie.202302266）。X射线单晶衍射测定表明，该合成结构与本工作理论预测的无穷烯结构完全一致。

这项研究将会为无穷烯这一方兴未艾领域开拓出一条新的研究路径，有望为后续相关功能材料的结构设计和性质应用提供更广阔的选择空间。

论文信息：Ke Du and Yang Wang*. Infinitenes as the Most Stable Form of Cycloarenes: The Interplay among π Delocalization, Strain, and π–π Stacking. J. Am. Chem. Soc. 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c01644.

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c01644

通讯作者：汪洋 ，yangwang@yzu.edu.cn