铑催化[5+2]成环反应合成多个七元环稠合卟啉的研究

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

在卟啉大环外围引入π电子组分，可有效地延伸分子的电子网，进而实现它们在近红外材料等领域的应用。在此背景下，卟啉化学家发展了诸多方法制备稠合π电子组分的卟啉类似物。然而已报道的方法通常面临多步反应，合成收率低，底物范围有限等问题，因而亟待开发新的合成方法。另一方面，相比五元、六元环，七元环的构建一直是合成化学中的一大挑战，然而七元环引入多环芳烃后，分子表现出更为灵活的空间、电子结构以及独特的性能。基于上述原因，湖南师范大学宋建新教授团队周明波研究小组在前期工作的基础上，继续尝试以吡咯作导向基团，通过铑催化吡咯取代卟啉与炔烃的[5+2]环化反应构建了一系列与七元环相稠合的新颖卟啉分子。该反应条件温和，操作简单，一步实现了上述两个目标。拿到关键中间体并结合实验结果以及文献报道，作者认为该反应经历了Rh(I)/Rh(III)催化循环过程。值得注意的是，在这个过程中八元铑杂环物种可以通过旋转变成另一种八元铑环物种，因而最终能够同时构建一个七元碳环和一个七元氮环。

对反应条件进行简单的优化后，作者对底物范围进行了考察。一系列芳基中间炔烃以及代表性的烷基中间炔烃在该催化体系下反应良好。不同的卟啉底物在该体系下也可以顺利得到产物，包括一个亚卟啉底物。值得注意的是，利用具有四个“湾区”的卟啉分子与炔烃反应，可以得到顺式结构的包含四个七元环的卟啉分子7和8。随后作者还发现Zn(OAc)₂•2H₂O作用下5ga近乎当量地转化成其二聚体9；而Ni(II)卟啉5ba经电催化氧化以87%的收率生成对应的二聚体10，其结构经X射线单晶衍射分析确认。上述发现为高效、快速地合成卟啉二聚体提供了温和的途径。

图1. 铑催化[5+2]成环反应合成七元环稠合卟啉的底物范围。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

X射线单晶衍射分析结果表明，相较于其前体，稠合一个或两个七元环的卟啉明显起褶皱，整个分子呈鞍型；而稠合四个七元环的卟啉分子则发生了明显的扭曲。

图2. 代表性化合物4aa、5aa、8以及10的单晶图（氢原子，卟啉环上的芳基以及溶剂分子均省去。黑色的是碳原子，蓝色的是氮原子，绿色的是镍原子）。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

与卟啉原料2a相比，随着稠合单元的增加，化合物的吸收峰发生红移，这说明稠合后的卟啉其π电子体系获得了延伸。相比单体5ba，其二聚体10的吸收峰红移并不明显，这是由二聚体中分子的两部分成垂直结构所致。作者还开展了代表性化合物的电化学性能与DFT计算方面的研究。电化学HOMO-LUMO能级差按照2a (2.17 eV) > 4aa (2.10 eV) > 4aa’ (1.95 eV) > 5aa (1.88 eV) > 5ba (1.90 eV) > 7 (1.64 eV)的顺序依次减小。DFT计算下化合物2a、4aa、4aa’、5aa和8的HOMO-LUMO能级差分别为2.81、2.60、2.46、2.38和2.16 eV。上述光谱、电化学以及计算结果相互吻合。化合物2a-FB、5da、2a和5aa的氢谱信息以及它们的核独立化学位移（NICS）值表明卟啉外围稠合七元环后环内的芳香性减弱。

总结

作者以吡咯作导向基团，通过铑催化吡咯取代的卟啉与炔烃的[5+2]成环反应合成了一系列外围稠合一个、两个甚至四个七元环的新颖卟啉分子，并发展了在温和条件下高效构建Zn(II)卟啉和Ni(II)卟啉二聚体的方法。在获得关键中间体和相关实验结果的基础上，作者提出了反应的可能机理。该反应首次以卟啉为底物，运用铑催化策略实现其与炔烃的[5+2]成环反应，这为七元环在卟啉及其他多环芳烃体系中的构建开辟了一条有效途径。

该工作是在周明波副教授和宋建新教授指导下完成的。舒慧和郭梦杰为论文的共同第一作者，研究得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金以及湖南省创新团队等项目的资助。

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Efficient Synthesis of Multiply Seven-Membered-Ring Fused Porphyrins by Rhodium-Catalyzed [5+2] Annulation

Hui Shu, Mengjie Guo, Machongyang Wang, Mingbo Zhou, Bixiang Zhou, Ling Xu, Yutao Rao, Bangshao Yin, Atsuhiro Osuka, and Jianxin Song

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202209594, DOI: 10.1002/anie.202209594

宋建新教授简介

宋建新，湖南师范大学化学化工学院教授，博士生导师，科研副院长。2014年遴选为湖南省普通高校学科带头人培养对象；2019年入选湖南省“芙蓉学者奖励计划”特聘教授。主要研究方向包括：卟啉纳米分子、卟啉类似物的设计、合成与性能研究；新颖杂环共轭体系的设计、合成与性能研究；光电转换材料、抗癌药物的合成与筛选。主持多项国家自然科学基金以及湖南省创新团队等项目。

https://www.x-mol.com/university/faculty/10179 

周明波副教授简介

周明波，湖南师范大学化学化工学院副教授，硕士生导师。2015年7月至今任职于湖南师范大学；2017获得湖南省优秀博士论文；2018年获得湖南省自然科学一等奖（第三完成人）。2020年获得湖南省普通高校教师课堂教学竞赛二等奖。主要研究方向包括：合成中等杂环以及螺杂环化合物；构建并应用以卟啉为基础的结构新颖、性能独特的有机功能分子。主持多项国家自然科学基金、湖南省自然科学基金以及长沙市科技局项目。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的研究兴趣之一是构建有挑战性的七元或者八元中等杂环。文献调研发现，近些年在多环芳烃中引入七元环的研究备受关注。结合实验室的研究特色，我们期望通过对底物的设计，实现在卟啉环外围构建七元环。幸运的是，该反应可一次构建两个甚至四个七元环，这是设计之初我们没有预料到的。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：对于卟啉类化合物的研究，最大的挑战是目标化合物的合成与结构确认，因为卟啉自身反应位点多，并且化合物的单晶培养往往是一个漫长的过程。此外适合简单分子的一些方法，在卟啉这一特殊分子上不一定适用。另一方面，卟啉类化合物的分离、纯化也是不小的挑战。这项研究还要求具备光物理与光化学等方面的背景知识，而我们的研究人员主要来自有机化学专业，因此我们的知识储备有待拓宽。我们期望未来能与相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：卟啉是一类极具魅力的功能分子，为此全世界卟啉化学家组织并成立了卟啉学会，旨在更好地认识卟啉、创造新型卟啉并发挥卟啉在诸多领域的作用。本研究中的锌卟啉，其荧光发射在900 nm附近，有望在荧光探针、近红外材料以及生物成像方面发挥作用。