本文由Prasenjit Palui、Sangita Ghosh、Rosa M. Gomila、Gregor Schnakenburg、Antonio Frontera和Alessandro Bismuto等作者共同完成，分别来自德国波恩大学无机化学研究所和西班牙巴利阿里大学化学系。该研究于2024年12月30日发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊上，题为《Combining Distibene, Diazoolefins, and Visible Light: Synthesis and Reactivity of Inorganic Rings》。该研究聚焦于含重元素（如锑Sb和铋Bi）的杂环化合物的合成与反应性，填补了该领域的研究空白。
含“二氮”单元的杂环化合物在药物和先进材料领域具有广泛应用，然而，含重元素（如Sb和Bi）的杂环化合物却极为罕见，且缺乏直接的合成方法。这主要是由于重元素的π键反应性较低，且其孤对电子和双键的惰性使得反应难以进行。本研究旨在通过结合二锑烯（distibene）和二氮烯烃（diazoolefins）以及可见光催化，开发一种新的合成方法，以制备含重元素的杂环化合物，并探索其反应性。
研究分为多个步骤，主要包括以下内容：
二锑烯与二氮烯烃的[3 + 2]环加成反应
研究首先将二锑烯（Sb2Tbb2）与二氮烯烃（如Ime4CN2）反应，通过[3 + 2]环加成反应合成了两种新型的五元环化合物1a和1b。通过单晶X射线衍射（SC-XRD）确认了1a和1b的结构，发现Sb-Sb键长显著延长，表明形成了稳定的五元环结构。1a的产率高达93%，而1b的产率为80%。
化合物的电子结构分析
通过密度泛函理论（DFT）计算和Mayer键指数（MBI）分析，研究了1a和1b的电子结构。结果表明，Sb-Sb键为单键，而N-N-C-C片段具有部分双键特性。此外，通过自然键轨道（NBO）分析，进一步确认了Sb-Sb键的σ键特性。
化合物的反应性研究
研究进一步探索了1a与甲基锂（MeLi）的反应，成功合成了罕见的锂二锑化物（2），并通过SC-XRD确认了其结构。此外，研究还发现1a在可见光照射下可以转化为三元环化合物3a，这是首次报道的甲基二锑烷（methylenedistibirane）结构。
可见光催化反应
在可见光（λ = 521 nm）照射下，1a转化为3a，产率为59%。通过SC-XRD确认了3a的结构，发现其Sb-Sb键长进一步延长，表明形成了稳定的三元环结构。类似地，1b在可见光（λ = 451 nm）照射下转化为3b，产率为49%。
CO2活化反应
研究还探索了3a与CO2的反应，成功合成了化合物4，并通过SC-XRD确认了其结构。这是重元素化学中罕见的CO2活化反应，展示了该类化合物在小分子活化中的潜力。
新型重元素杂环化合物的合成
研究首次合成了含Sb的五元环化合物1a和1b，并通过SC-XRD和DFT计算确认了其结构。这些化合物为研究重元素杂环化学提供了新的平台。
可见光催化下的环转化反应
研究首次报道了在可见光催化下，五元环化合物1a和1b可以转化为三元环化合物3a和3b。这是重元素化学中的一项重要突破，展示了可见光在重元素化合物合成中的潜力。
CO2活化反应
研究首次展示了含Sb的三元环化合物3a可以活化CO2，合成了化合物4。这一发现为重元素化合物在小分子活化中的应用提供了新的思路。
本研究在重元素杂环化学领域取得了重要进展，首次合成了含Sb的五元环和三元环化合物，并探索了其在可见光催化和CO2活化中的反应性。这些发现不仅丰富了重元素化学的理论基础，还为开发新型催化剂和功能材料提供了新的思路。此外，研究展示了可见光在重元素化合物合成中的潜力，为未来的光催化研究提供了新的方向。
首次合成含Sb的五元环和三元环化合物
研究首次报道了通过[3 + 2]环加成反应合成含Sb的五元环化合物1a和1b，并通过可见光催化将其转化为三元环化合物3a和3b。
可见光催化的重元素化合物合成
研究展示了可见光在重元素化合物合成中的潜力，为未来的光催化研究提供了新的方向。
CO2活化反应
研究首次展示了含Sb的三元环化合物3a可以活化CO2，为重元素化合物在小分子活化中的应用提供了新的思路。
研究还通过DFT计算和MBI分析，深入研究了1a和1b的电子结构，揭示了Sb-Sb键的单键特性和N-N-C-C片段的部分双键特性。这些理论分析为理解重元素化合物的电子结构和反应性提供了重要依据。
总之，本研究在重元素杂环化学领域取得了重要突破，不仅丰富了该领域的理论基础，还为开发新型催化剂和功能材料提供了新的思路。