Nature子刊：666！氮杂多环芳族分子也可溶液合成

副标题：通过形式[3+3]环加成策略合成氮杂六苯并蔻盐

六苯并蔻（Hexa-peri-hexabenzocoronene，HBC）是一种由42个碳原子和18个氢原子组成的盘状多环芳族分子（图1a）。自1958年被首次合成以来，HBC及其衍生物就成为了多环芳族分子中最著名的代表。HBC的独特对称结构和良好电子特性引起了合成化学、超分子化学、有机电子学和生物学领域科学家的浓厚兴趣。另一方面，杂原子嵌入的HBC分子也逐渐进入了化学家的研究视野，例如：Draper等人于2002年首次报道了嘧啶稠合HBC（A）及其作为配体在有机金属化学中的应用。随后，Draper和Jux分别合成了外围吡啶环稠合的HBC（B）及其阳离子类似物。虽然这些HBC分子的外围具有氮原子，但如何将杂原子掺入内部框架仍极具挑战性，彼时内含杂原子的HBC分子主要是通过表面合成方法获得，例如：2015年嵌入环硼氮烷的HBC（C）、2017年嵌入吡嗪的HBC（D）和2021年嵌入吡啶的HBC（E）。表面合成方法虽然可行，但实际上也限制了对HBC性质的全面研究及实际应用的进一步拓展，因此迫切需要发展一种内含杂原子的HBC分子的溶液合成策略。

图1. HBC衍生物。图片来源：Nat. Synth.

先前的研究表明HBC分子D的合成包括多环芳族亚甲胺叶立德1的[3+3]同二聚化反应，以及随后在金属表面进行氧化环化反应（图2a）。受此启发，新加坡南洋理工大学Shingo Ito、日本国立材料科学研究所Shigeki Kawai以及芬兰阿尔托大学Adam S. Foster等研究者合作，报道了阳离子氮嵌入六苯并蔻衍生物F（即3a²-氮杂六苯并蔻盐）的溶液合成（图1b）。多环芳族亚甲胺叶立德1和环丙烯衍生物2（充当“三原子亲偶极体”）进行形式[3+3]环加成，然后通过机械化学分子内环化以促进C(sp²)-C(sp²)键的形成（图2b）。该反应的关键在于一步[3+3]环加成反应开创性地引入了外周6个苯环，构建的中心吡啶环也为6个原子，吡啶环和外周苯环又通过6个六元环融合，这波操作666！此外，作者还通过各种光谱方法研究了氮杂六苯并蔻盐F的结构和性质。相关成果于近日发表在Nature Synthesis 上。

图2. 亚甲胺叶立德的1,3-偶极环加成形成氮嵌入的HBC衍生物。图片来源：Nat. Synth.

首先，作者选择亚胺盐衍生的多环芳族亚甲胺叶立德1a和环丙烯衍生物2a为模板底物，将其置于120 ℃的二甲基亚砜中进行1,3-偶极环加成反应，以98%的产率和70:28 d.r.值得到环加合物非对映异构体混合物3a（图3a），非对映异构体可以通过硅胶柱色谱进行分离并通过NMR分析、质谱分析和单晶X-射线衍射进一步表征。随后，在40 ℃用3.0 equiv四氯苯醌（氧化剂）处理3a，可诱导骨架重排并将氮杂双环[3.1.0]己烷转化为相应的吡啶鎓环，特别是3a的两种异构体都能以高产率转化为π-延伸吡啶4a。如图3b所示，该反应还能兼容带有供/吸电子基团的环丙烯底物（4b-4d）、邻苯二甲酰亚胺基取代的环丙烯底物（4e）以及多种1,2,3-三芳基环丙烯底物（4f-4o），并以中等至优异的产率获得相应的π-延伸吡啶化合物。

图3. π-延伸吡啶衍生物的合成。图片来源：Nat. Synth.

随后，作者尝试使用各种氧化条件对4f进行Scholl反应，但都以失败告终，这可能是由于吡啶鎓前体的缺电子性质阻碍了氧化反应（图4a，左）。为此，作者在还原条件下进行环化（图4a，右），即在过量Na存在下于室温对4f进行球磨（30 Hz）以实现四重环化脱氢，从而形成了黑色粉末产物。对粗混合物进行基质辅助激光解吸/电离（MALDI）飞行时间质谱分析后，仅在m/z=580.19处观察到信号，这对应于目标分子氮杂六苯并蔻5f。然而，黑色粉末状产物不溶于任何溶剂以至于无法纯化，因此作者将注意力转向带有三个叔丁基的化合物4h以提高溶解度（图4b）。正如预期所示，4h顺利进行反应并生成了溶解度得以改善的产物5h，但由于含有氯离子的5h结晶性较差，因此作者进行了抗衡离子交换反应并得到了相应的硼酸盐5h′。类似地，作者还对带有不同取代基的π-延伸吡啶盐4k、4l和4n进行了机械化学还原环化反应，并以良好的产率获得了相应产物5k、5l和5n。作者还通过在二氯甲烷中重结晶获得5h′的单晶并通过X-射线衍射进行分析。

图4. 氮杂六苯并蔻的合成过程。图片来源：Nat. Synth. 

图5. 氮杂六苯并蔻5h′的结构。图片来源：Nat. Synth.

接下来，作者研究了化合物5h的光学性质。其吸收光谱显示出宽吸收曲线并且在518、484和382 nm处有最大吸收（图6a）。根据含时DFT计算，前两个吸收峰分别对应于HOMO/LUMO和HOMO-1/LUMO跃迁。此外，作者还在500-650 nm内观察到5h的荧光，并且Stokes位移仅为2 nm，这表明氮杂六苯并蔻5h具有高刚性结构；同时荧光量子产率（30%）远高于六苯并蔻衍生物（通常<10%），进一步凸显出将氮原子引入高度对称多环芳族分子（如：碗烯和HBC）的优势，从而增强其荧光特性。其次，作者还通过DFT计算研究了5的芳香性和电性，核独立化学位移（NICS）分析显示中心吡啶鎓环的值为-26.7、外围苯环为-25.2~-27.5，这说明它们是芳香性的（图6b）。事实上，感应电流密度各向异性（ACID）表明沿中心吡啶和外围六个苯环存在6π顺时针环电流（图6c），进而表明5的芳香性与母体HBC非常相似。另外，静电图分析表明阳离子电荷离域在内部氮原子周围（图6d）。

图6. 氮杂六苯并蔻5的分子特性。图片来源：Nat. Synth.

为了拓展氮杂六苯并蔻5的应用，作者决定在金属表面对其进行低聚化以制备V形氮掺杂石墨烯纳米带（GNRs，图7a）。具体而言：将前体4d在超高真空条件下原位升华到干净的Au(111)表面上，大规模扫描隧道显微镜（STM）形貌图显示4d的阳离子部分组装成不同的小簇（图7b），而在金属表面上未检测到氯原子。随后，样品在150 ℃下进行退火，引发分子间Ullmann型交叉偶联反应以形成聚合物中间体（图7c），其高分辨率图像显示周期性为0.88 nm，这表明前体分子之间形成共价键。进一步将退火温度提高至400 ℃会导致线性结构完全平面化（图7d），这些不同长度产物的高分辨率STM形貌图证明了图7a中所需低聚物的成功合成（图7e-g），尽管也观察到一些有缺陷的低聚物；而使用CO功能化尖端的键分辨STM成像清楚地证实了所需GNRs的形成（图7h-j），并证明图7a所示的合成概念已成功实现。此外，作者还通过金属尖端的扫描隧道光谱测量了GNRs的电性，结果表明它们的带隙随着氮杂HBC单元数量的增加而逐渐减小。为了进一步阐明GNRs的电子结构和电荷状态，作者对具有不断增加正电荷的GNRs进行了一系列理论计算，结果表明GNRs的每个氮杂六苯并蔻单元上的局部正电荷为+0.5。

图7. 基于氮杂六苯并蔻GNRs的表面合成。图片来源：Nat. Synth.

总结

本文研究团队报道了一种阳离子氮嵌入六苯并蔻衍生物（3a²-氮杂六苯并蔻盐）的溶液合成策略，即多环芳族亚甲胺叶立德与环丙烯衍生物（充当“三原子亲偶极体”）进行形式[3+3]环加成，然后通过机械化学分子内环化以促进C(sp²)-C(sp²)键的形成。作者还通过各种光谱方法研究了氮杂六苯并蔻盐的结构和性质，从而为氮杂HBC衍生物的各种潜在应用指明了可能性。

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Synthesis of azahexabenzocoronenium salts through a formal [3 + 3] cycloaddition strategy

Xinjiang Zhang, Donglin Li, Cheryl Cai Hui Tan, Fiona Hanindita, Yosuke Hamamoto, Adam S. Foster, Shigeki Kawai, Shingo Ito

Nat. Synth., 2024, DOI: 10.1038/s44160-024-00595-5