NICS和磁感生电流是非常常用的磁响应性质一类的考察芳香性的方法,在《衡量芳香性的方法以及在Multiwfn中的计算》(http://sobereva.com/176)里有简要介绍并里面附了大量我写过的相关博文,而在“量子化学波函数分析与Multiwfn程序培训班”(http://www.keinsci.com/WFN)的“芳香性与离域性分析”一节里有极为全面深入的介绍。很多人对这两个方法在衡量芳香性方面的认识局限在:
(1)NICS(1)ZZ约为0说明环是非芳香性,明显为负说明环是芳香性且越负芳香性越强,明显为正说明环是反芳香性且越正反芳香性越强。注意NICS的形式很多,这里仅以最常用的NICS(1)ZZ举例
(2)感生电流的方向如果满足左手定则(diatropic电流),电流越大芳香性越强;如果与左手定则方向相反(paratropic电流),电流越大反芳香性越强。电流大小一般通过对键截面上的电流密度做积分来衡量,称为bond current strength (BCS)
但实际上,仅光凭以上知识讨论芳香性或反芳香性,在一些情况下会得到不正确甚至严重错误的结论。在本文笔者介绍一些大多数人都普遍没有注意到的用NICS和感生电流讨论芳香性方面的重要问题。把这些问题都彻底搞清楚了,基于磁属性研究芳香性时就不惧审稿人comment了。
本文中的计算用的几何结构,若无专门提及,皆是B3LYP/6-31G*下优化的无虚频结构。
1 NICS、感生电流与HOMO-LUMO gap的关系
感生电流和NICS计算公式都涉及到对占据轨道和空轨道的循环,并且空轨道与占据轨道能量之差出现在分母项中,这一点看《深入理解分子轨道对磁感生电流的贡献》(http://sobereva.com/703)里的公式1、2、3便知。总的来说,HOMO-LUMO gap越大,空轨道与占据轨道整体能量差越大,导致NICS和感生电流越接近0。因此,如果两个体系的gap相差较大,不应直接凭NICS或BCS判断二者的芳香性强弱,还应该把gap差异对结果的影响考虑进去。在《深度揭示互为等电子体的苯、无机苯和carborazine的芳香性的显著差异》(http://sobereva.com/731)里介绍的笔者的Chem. Eur. J., 30, e202403369 (2024)一文中就注意到了这一点,文中研究的carborazine的HOMO-LUMO gap(7.30 eV)明显小于苯(11.20 eV)和无机苯(12.18 eV),因此文中提到:It is noteworthy that the aromaticity of carborazine compared to benzene and borazine is more or less quantitatively overestimated by the value of BCS and NICS。