德国明斯特大学Dirk Leifert教授/Armido Studer教授:热/光诱导芳基异腈为自由基受体的串联环化反应
导语
有机膦化合物在药物、有机合成以及材料科学等重要领域中具有广泛的应用价值,因此,研究和开发新的合成方法来构建C−P键,以更便捷地方式获得结构多样性丰富的有机膦化合物具有极其重要的实际意义。
光物理研究证实,含磷环状π-共轭化合物在发光二极管和有机光伏器件的有机功能材料中具有重要的应用价值。通过对这种π-系统上官能团的精细调控,可以便捷地调整这类化合物的光物理性质。例如,分子能带结构中的HOMO−LUMO能隙便是一个理想的调控目标。在这种背景下,二苯并磷化物的有机结构成为了通过多种合成途径获得的关键骨架之一。例如,这些底物可以通过Pd(II)-催化的分子内交叉脱氢C−P键偶联、自由基环化反应,或者通过磷-傅克反应(Phospha-Friedel-Crafts Reaction)等方法来获得。在材料化学中,N-杂环和苯并磷杂环化合物展现出了出色的物理特性,吸引了众多科研工作者的关注。鉴于作者先前发表的论文采用邻炔基苯甲醛作为自由基前体,成功合成了多种杂环化合物(Org. Lett. 2023, 25, 6424),作者决定进一步深入研究这一策略,并尝试将氧化膦底物作为P-自由基前体,以期实现喹啉衍生的苯并膦氧化合物的模块化合成。在这一转化过程中,异氰基苯将作为自由基受体以及N-杂环构建模块。值得一提的是,已有文献报道,通过自由基策略,成功地利用异氰基苯作为底物,合成了多种杂环化合物,如喹啉、吲哚和菲等。
早在2014年,作者课题组(Org. Lett., 2014, 16, 250)已经证明了利用2-异氰基联苯作为自由基受体,以乙酸银作为氧化剂,制备P取代的π-共轭体系,从而产生6-磷酸化的菲啶(Figure 1a)。随后,使用锰盐、碘鎓盐、过硫酸钾和TBHP作为氧化剂也可以完成类似的反应。遵循这些策略,杨尚东课题组提出了一个氧化还原中性过程,以邻烯基芳基异腈为自由基受体,合成了2-膦酰基吲哚(Org. Lett., 2018, 20, 2382)。
在已报道的文献中,含膦部分最终转变为杂环的取代基,并未作为合成的π-体系核心结构的一部分。为了设计具备潜在重要有光物理性质的新组件,将含膦纳入π-系统中作为关键步骤,作者提出了一个设想,即实现含有自由基受体的含磷反应底物的级联环化,该反应通过一个串联反应生成了三个σ键,以模块化构建具有价值的多环π-体系,并实现杂环的直接环化(Figure 1b,c)。为了实现这一目标,德国明斯特大学Dirk Leifert教授/Armido Studer教授课题组报道出了两种独特的合成方法来制备这类化合物,通过热/光诱导芳基异腈为自由基受体的串联环化反应,高效构建喹啉稠合的苯并膦氧化合物。在此基础上,作者进一步研究了这些化合物的(光)物理性质,以评估其作为有机功能材料潜在应用的可能性。
基于文献报道和实验结果,作者提出了反应的循环机理。TBHP可与银(I)盐或激发的4CzIPN反应,生成叔丁氧基或叔丁基过氧自由基。然后,这些O-自由基从起始的膦氧化物中夺取分子间的氢,生成相应的磷中心自由基B。或者,B可通过氧化膦1与Ag(I)的氧化直接生成。然后,自由基B进攻异腈2,形成膦酰亚胺基自由基C,膦酰亚胺基自由基进行5-外(exo)环化,生成自由基D。该乙烯基自由基反过来进攻芳烃,生成环己二烯基自由基E。碱促进的均裂芳环取代反应(base promoted homolytic aromatic substitution,BHAS)得到芳烃自由基阴离子F。TBHP作为氧化剂氧化F生成3,同时再生叔丁氧基自由基A。因此,在这个反应中,Ag盐或4CzIPN可以被视为是该串联环化反应的引发剂,电子可以被认为是一种催化剂。
参考文献:Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202404275
文献信息:Thermal and photoinduced radical cascade annulation using aryl isonitriles: An approach to quinoline-derived benzophosphole oxides
Shyam Kumar Banjare, Lena Lezius, Elena S. Horst, Dirk Leifert,* Constantin G. Daniliuc, Fatmah A. Alasmary, Armido Studer*
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