通过区域选择性钯催化的芳基化反应合成N掺杂的手性大环化合物

《Beilstein Journal of Organic Chemistry》：Synthesis of N-doped chiral macrocycles by regioselective palladium-catalyzed arylation

氮掺杂大环化合物通过钯催化芳基化合成，得到本征手性产物MC1和MC3，其荧光量子产率达0.69，并利用圆二色光谱和偏振发光光谱验证手性特征。

　　在化学研究领域，手性大环分子因其独特的光学、电子和磁性特性而受到广泛关注。这类分子在不对称识别、催化反应和圆偏振发光等应用中展现出巨大的潜力。近年来，随着合成化学技术的进步，科学家们不断探索新的手性大环结构，以期拓展其功能性和应用范围。本文中，研究团队成功合成了一系列氮掺杂的大环分子，并对其结构和光物理性质进行了深入研究。这些分子不仅在结构上具有独特的非经典手性特征，还在光学性能上表现出优异的特性，为未来的手性材料设计提供了新的思路。

氮掺杂的大环分子因其特殊的电子结构和光学特性，成为当前有机化学研究的热点之一。这类分子通常通过将氮原子引入到传统的碳基大环结构中，从而改变其电子分布和分子构型。氮的引入不仅可以增强分子的共轭程度，还能改善其在不同溶剂中的溶解性，使其更适用于多种应用环境。此外，氮掺杂的大环分子在分子动力学、电化学行为等方面也表现出显著的特性，这使得它们在构建高自旋有机材料方面具有重要价值。因此，开发具有新型手性结构的氮掺杂大环分子，不仅有助于理解分子手性形成的机制，也为实现功能性的光学材料提供了新的可能性。

在本研究中，研究人员通过钯催化的芳基化反应合成了多个氮掺杂的大环分子。具体来说，他们以二胺化合物为起始原料，通过两次钯催化的C–N偶联反应合成出相应的前体分子。随后，通过Buchwald–Hartwig反应与7-叔丁基芘（2）进行反应，得到了两个主要的大环前体化合物。这些前体分子进一步经过钯催化的芳基化反应，最终形成了目标产物MC1、MC2和MC3。值得注意的是，当引入4-叔丁基苯基取代基时，得到了两种不同的异构体：MC1具有C?对称性，而MC2则呈现C??对称性。相比之下，当使用较大的3,5-双三氟甲基苯基取代基时，仅获得了具有C?对称性的MC3。这表明，取代基的种类和大小对大环分子的构型和手性特性具有显著影响。

为了进一步确认这些大环分子的结构，研究人员利用X射线晶体学技术对其进行了表征。结果显示，MC3的分子结构呈现出高度的非对称性，其两个芘单元呈现反平行排列，这一特性与MC1和MC2有所不同。此外，MC3的分子排列在晶体结构中形成了一对对映异构体，这为后续研究其手性行为提供了基础。通过理论计算，研究人员进一步分析了MC3的构型稳定性，发现其在晶体结构中的配置比其他异构体具有更低的能量，且旋转导致的异构化过程需要较高的能量壁垒，说明MC3在分子构型上具有良好的稳定性。

这些大环分子在光学性能方面也表现出优异的特性。通过在二氯甲烷中进行光谱分析，研究人员发现MC1和MC2在吸收和发射光谱中均显示出较强的荧光性能，其荧光量子产率分别达到了0.45和0.69。相比之下，MC3的荧光量子产率较低，仅为0.13。这种差异可能与分子结构中的电子分布和共轭程度有关。MC1和MC2由于具有较长的共轭体系，因此在吸收光谱中表现出红移现象，而在发射光谱中则呈现出从蓝色到绿色的光谱范围。这种光谱特性使其在荧光材料、光学传感器和光电子器件等领域具有潜在的应用价值。

为了更深入地研究这些分子的手性行为，研究人员利用手性高效液相色谱（HPLC）技术对MC1进行了对映体分离。通过使用Daicel Chiralpak IF柱，成功获得了MC1的两个对映异构体，并对其圆二色（CD）和圆偏振发光（CPL）光谱进行了详细分析。CD光谱显示，MC1的两个对映异构体在250至500 nm波长范围内表现出镜像对称的Cotton效应，表明其具有显著的手性响应。CPL光谱同样显示出镜像对称的特性，进一步验证了MC1的手性特征。然而，MC1的CPL信号强度相对较低，其最大吸收不对称因子（g_abs）仅为1.1 × 10?3，而发光不对称因子（g_lum）则在10??的量级。尽管如此，MC1仍然展现出一定的手性光学特性，这为未来研究其在手性光学材料中的应用奠定了基础。

在电子结构方面，研究人员通过理论计算分析了这些大环分子的前线分子轨道（FMOs）分布。结果显示，MC1和MC3的最高占据分子轨道（HOMO）主要分布在融合的芘单元和氮原子上的取代基上，而最低未占据分子轨道（LUMO）则主要分布在另一个芘单元上。这种电子分布的不对称性可能是导致其手性行为的重要因素。相比之下，MC2的HOMO主要分布在两个二氢吲哚[2,3-b]咔唑亚单元上，而LUMO则分布在两个芘单元上。此外，由于MC3的取代基具有较强的电子缺位特性，其HOMO和LUMO的能量水平相较于MC1和MC2显著降低，这也解释了其较低的荧光量子产率。

这些大环分子的合成和表征不仅拓展了手性大环材料的设计范围，也为理解非经典手性形成机制提供了新的实验依据。通过调控取代基的种类和大小，研究人员成功构建了具有不同对称性和手性特征的大环分子，这表明分子结构的微小变化可以显著影响其光学和电子性能。此外，MC1和MC3的对映异构体分离和光谱分析进一步揭示了它们在手性光学材料中的潜在应用价值，尤其是在光致发光和圆偏振发光领域。

本研究的结果表明，氮掺杂的大环分子可以通过选择合适的取代基和反应条件，实现对称性和手性特征的调控。这种调控能力使得研究人员能够设计出具有特定光学性能的大环分子，从而满足不同应用场景的需求。例如，在光学传感、手性识别和光电子器件中，具有高荧光量子产率和显著手性响应的大环分子可能具有重要的应用前景。此外，MC1和MC3的非对称结构也为研究分子手性与光物理性质之间的关系提供了新的视角。

在实际应用中，这些大环分子可能被用于构建具有高度光学活性的材料。由于它们在吸收和发射光谱中表现出不同的光谱特性，研究人员可以进一步探索其在光致变色材料、光致发光材料和非线性光学材料中的应用潜力。此外，MC1和MC3的对映异构体分离和光谱分析也为开发具有手性光学响应的材料提供了新的方法。通过调整分子结构，研究人员可以设计出具有不同光学特性的手性大环分子，从而满足特定功能需求。

本研究的意义不仅在于合成新的氮掺杂大环分子，还在于揭示了手性形成与分子结构之间的关系。通过X射线晶体学和理论计算，研究人员能够准确地确定这些分子的构型，并分析其电子分布和光学行为。这种系统性的研究方法有助于深入理解手性大环分子的形成机制，为未来的设计和合成提供理论支持。此外，本研究还展示了钯催化反应在构建复杂大环结构中的高效性，这为其他类似分子的合成提供了新的思路和实验路径。

从科学角度来看，本研究的成果有助于推动手性材料的研究进展。手性材料在许多领域，如不对称催化、光学传感和生物医学，都具有重要的应用价值。通过合成具有非经典手性的氮掺杂大环分子，研究人员为开发新型手性材料提供了实验基础。同时，这些分子的高荧光性能也使其在光电子学和光学成像等领域具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索这些分子在不同环境下的稳定性、光学响应特性和功能化修饰的可能性，以期实现更广泛的应用。

总之，本研究成功合成了三种氮掺杂的大环分子，并对其结构和光学性能进行了系统分析。这些分子不仅在结构上展现出独特的非对称性，还在光学特性上表现出优异的性能。通过手性分离和光谱分析，研究人员进一步揭示了它们在手性光学材料中的潜在价值。本研究的结果为未来设计和合成具有特定功能的手性大环分子提供了重要的理论和实验支持，同时也为探索非经典手性形成机制提供了新的视角。这些成果不仅推动了有机化学的发展，也为相关应用领域带来了新的可能性。