电荷转移相互作用驱动的C(sp²)-C(sp²/sp)偶联反应用于近红外二区荧光染料合成

超分子相互作用在多种有机反应中发挥着重要的作用，可被用于调控反应的选择性和反应物的活性。对于芳香化合物而言，分子间电荷转移相互作用是一种非常重要的超分子作用，强烈的分子间电荷转移相互作用可以驱动分子间形成电子给受体复合物 (EDA complex)。EDA复合物在许多光驱动的碳碳偶联反应中发挥着重要的作用，而无需光照仅通过EDA复合物的电荷转移作用驱动的碳碳偶联反应很少被报道。

近日，北京师范大学的杨清正教授（点击查看介绍）和崔刚龙教授（点击查看介绍）课题组合作，报道了一种由电荷转移相互作用驱动的C(sp²)-C(sp²/sp)偶联反应。该工作系统研究了反应的最佳条件、底物范围、EDA复合物的形成及其反应机制。研究表明，反应物之间强电荷转移相互作用驱动了EDA复合物的形成，这一结论通过吸收光谱、核磁共振氢谱和单晶结构分析得到了充分验证。EDA复合物的形成使反应的活化能垒降低，经Arrhenius公式计算，活化能垒为9.17 kcal/mol。动力学研究表明，该反应为二级反应，在50 °C的乙腈溶液中，反应速率常数为2.65×10^-3 M^-1s^-1。H/D和¹²C/¹³C动力学同位素效应 (KIE) 研究结果表明，反应的决速步骤为C-C键的形成，而非C-H键的断裂。EDA复合物在反应中起到关键作用，其促进了C-C键的形成，随后溴离子离去，氢离子在碱的作用下脱除，最终生成偶联产物。高水平理论计算结果进一步支持了所提出的反应机制。

值得一提的是，该反应可以通过改变反应条件得到单取代或双取代的偶联产物，可被用于合成结构多样化的给体-受体-给体 (D-A-D) 型近红外二区 (NIR-II, 1000-1700 nm) 荧光染料。近红外二区荧光成像由于其良好的组织穿透性、高的空间分辨率以及成像信噪比引起广泛关注。基于苯并双噻二唑 (BBTD) 的D-A-D型分子是一类研究非常广泛的近红外二区荧光团，然而目前这类荧光团的合成存在着一些局限性：1) 给体和受体的偶联依赖于钯催化的偶联反应，此类反应通常需要修饰预官能团，这使得合成过程变得复杂。2) 钯催化的偶联反应通常在合成BBTD类荧光染料时不易得到专一的单取代产物，因此，绝大多数已报道的此类分子通常为对称结构，限制了荧光团的多样性。

通过该电荷转移相互作用驱动的C(sp²)-C(sp²/sp)偶联反应，可以方便地获得单或双取代的偶联产物，从而合成结构对称或不对称的近红外二区荧光染料。该反应为合成结构多样化的基于BBTD结构的D-A-D型近红外二区荧光团提供了一种简单方便的方法。

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Synthesis of NIR-II Fluorophores by a C(sp²)‒C(sp²/sp) Coupling Reaction Driven by Charge-Transfer Interaction

Jie Li⁺, Xin-Xin Liu⁺, Ling-Ya Peng, Li-Ya Niu, Wenguang Wang, Ganglong Cui* and Qing-Zheng Yang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202501566

导师介绍

崔刚龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/37834 

杨清正

https://www.x-mol.com/groups/qingzheng_yang