BB娱乐平台登录艾弗森JACS重磅：钯催化“双杂环”的合成及其“光物理性

　　杂环是有机化学中的优势结构骨架。而通过将两个杂环连接在一起所形成的双杂环，可以获得具有扩展π-体系的更复杂分子结构，从而获得理想的光学性质。目前，具有2,2-和2,3-连接的双杂环已显示出在抗癌治疗和荧光标记中的增强效果，并为半导体和有机发光二极管（OLED）中所使用的大量咔唑骨架的合成提供了途径（Scheme 1A）。目前，2,3-连接双杂环的制备方法主要依赖于导向基协助的交叉偶联和酸介导的缩合，且需要在苛刻的反应条件下进行，这限制了官能团的兼容性（Scheme 1B）。最近，课题组发展了钯催化的多米诺C-N偶联/Cacchi反应，实现了一系列2,3-连接双杂环的制备。在DFT计算的辅助下，作者还进行了光致发光双杂环的设计，且合成收率高达98%。通过对合成的产物进行光物理性质研究，作者发现其具有较宽范围的发射光谱和高达0.59的量子产率。此外，机理研究表明炔基溴是反应的中间体。DFT计算表明，反应最初经历了偕二溴烯烃的顺式C-Br键与Pd0的氧化加成。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.,

　　随后，作者探索了此转化的底物范围（Scheme 3）。实验结果表明此转化具有良好的底物适用性和官能团兼容性，以中等至良好的产率得到相应的2,3-连接双杂环产物3a-3v。此外，作者利用此方法还实现了一系列多杂芳环化合物的合成。值得注意的是，此转化可以分别实现含氧、含氮和含硫杂环的合成。

　　紧接着，作者对产物的光物理性质进行了探索，并得出以下结论：1）产物的最大吸收波长在310 nm（Figure 1A），发射波长在380-580 nm之间（Figure 1B），量子产率在0.02-0.1；2）作者合成出了一系列具有优势光物理性质的双杂环分子4j-4r，并通过TD-DFT计算预测，得出更缺电子的类似物的量子产率更高，发射波长更长（Figure 1E），并对其荧光（Figure 1C）和量子产率（Figure 1D）进行测试，得出计算结果和实验结果基本一致。值得注意的是，由于在产物4l中包含一个淬光基团−硝基，因此与预测的发射波长产生了很大的偏差。

　　接下来，为了深入理解反应机理，作者进行了一系列控制实验（Scheme 4），并得出以下结论：1）质子源在炔基溴化物转化为产物过程中起到至关重要的作用（Scheme 4A）；2）氘代实验表明，氘原子大概率在形成炔基溴化物之前失去（Scheme 4B）（Scheme 4C）；3）利用四取代偕二溴烯烃参与反应，结果表明反应在极性非质子溶剂中是通过亚乙烯基钯中间体进行的（Scheme 4D）。

　　最后，基于上述实验结果和DFT计算（Scheme 5），作者提出了此转化可能的反应机理（Scheme 6）。在反应初期，当偕二溴化物1a还没有转化成炔基溴化物1a’时，1a的顺式C-Br键与Pd0发生氧化加成得到中间体A，并经历随后的C-N偶联得到中间体B。然而，反应过程中1a会逐渐经历碱介导的消除形成1a’。1a’会与Pd0发生氧化加成得到炔基钯中间体B，且此中间体通过1H RMS和31P NMR得到了证实。在之前的文献报道中，炔基溴化物并不能作为反应的中间体。然而，当使用极性溶剂时可以有效避免催化剂的休眠。接下来，炔基钯中间体转化为亚乙烯基钯中间体C。紧接着，中间体C中钯与氨基配位，通过快速的1,1-插入形成中间体D，此中间体通过1H RMS，31P NMR以及X-射线单晶衍射得到了证实。最后，中间体D通过与炔烃串联的芳基亲核试剂配位，经历环化和还原消除得到TFA保护的产物3a’，并通过TFA脱保护得到最终产物3a。

　　总结：加拿大多伦多大学Mark Lautens课题组发展了钯催化多米诺C-N偶联/Cacchi反应，模块化的合成了一系列在材料化学领域具有广泛应用的非对称2,3-连接双杂环。光物理性质研究表明，产物具有400-530 nm的发射光谱和高达0.59的量子产率。DFT计算和机理研究表明反应最初经历了偕二溴烯烃的顺式C-Br键氧化加成，并涉及炔基溴反应中间体。此反应的发展为2,3-连接双杂环的合成提供了新的思路。