N-杂环卡宾与硝基苯的反应：利用NHCs作为合成砌块

《Journal of Advanced Research》：Reactions of N-heterocyclic carbenes with nitrobenzenes: harnessing NHCs as synthetic building blocks

合成氮杂环卡宾（NHC）与硝基苯的新型构建方法及其在喹唑啉-4-酮类农药中的应用。通过实验和DFT计算验证了多步协同反应机制，无需传统氨基前体，产率可达72%。化合物13对四种植物病原真菌的抑制率分别为63.16%（Phomopsis）、58.69%（Colletotrichum）、30.99%（Sclerotinia）和40.28%（Rhizoctonia），部分活性优于商业杀菌剂。

　　在现代药物化学和农药合成领域，quinazolin-4-one（喹唑啉-4-酮）作为一种重要的分子骨架，广泛应用于各种生物活性化合物的构建中。它不仅在人类医学中扮演着关键角色，如治疗风湿病、炎症、癌症等疾病，还在植物保护方面展现出巨大潜力。传统的quinazolin-4-one合成方法通常依赖于预先在苯甲酸衍生物上安装氨基官能团，以实现高效的缩合反应。然而，这一方法存在一定的局限性，尤其是在使用不含必要氨基或羰基基团的苯类衍生物作为起始材料方面，尚未有成功的报道。因此，本研究提出了一种全新的合成策略，利用硝基苯与N-杂环卡宾（NHC）分子之间的反应，从而快速构建喹唑啉-4-酮衍生物。这一方法不仅拓宽了合成途径，还为开发新型农药提供了理论基础和实验支持。

在传统合成路径中，喹唑啉-4-酮通常通过酸催化下的脱水环加成反应，由2-氨基苯甲酰胺与含有羰基的试剂或氧化中间体生成。此外，也可以通过酰胺化/氧化级联反应，使用仲胺作为氮源，从2-氨基苯甲酸出发合成。而另一种方法则是通过电化学条件下的还原/缩合过程，利用2-氨基苯腈与醛类化合物反应生成目标产物。最近的研究还表明，通过贝耶-维利格氧化反应生成的异吲哚-2-酮类化合物（如异吲哚-2-酮）也可作为合成喹唑啉-4-酮的起始材料，结合胺、叠氮化物或乙酰亚胺酰胺作为氮源。然而，这些方法通常需要特定的官能团，如氨基或羰基，以确保反应的顺利进行。

相比之下，本研究提出了一种前所未有的合成方法，利用硝基苯作为新型的NHC受体，通过多步亲核加成/重排/脱水级联反应，实现喹唑啉-4-酮衍生物的高效合成。这一方法的创新性在于，它不需要预先在起始材料上引入氨基或羰基官能团，从而简化了反应步骤并提高了合成效率。在反应过程中，硝基苯作为受体，其硝基官能团能够显著降低苯环的电子密度，使其更容易受到NHC分子的亲核攻击。这种反应机制不仅为喹唑啉-4-酮的合成提供了新的思路，还避免了传统方法中使用重金属催化剂可能带来的环境问题。

在实验过程中，我们发现硝基苯的取代基对反应结果有重要影响。例如，当硝基苯的2-氯取代基被引入后，反应效率显著提高，能够生成较高产率的喹唑啉-4-酮衍生物。然而，当取代基为2-甲基、2-碘或2-三氟甲基时，反应产率则大幅下降，这表明这些取代基对反应的进行存在不利影响。此外，将取代基的位置从2-位转移到3-位或4-位时，反应产率也相应降低，说明取代基的电子效应和空间效应在反应过程中起着关键作用。这些结果进一步支持了我们提出的反应机制，即硝基苯的硝基官能团与NHC分子之间的亲核加成是反应的关键步骤。

为了进一步验证反应机制，我们进行了同位素标记实验。使用完全氘化的NHC分子（2a-d3）作为反应底物，在实验条件下，我们观察到目标产物（3c-d1）中氘的含量为65%，表明产物中的氢原子主要来源于NHC分子。而在使用部分氘化的NHC分子（2a-d2）时，产物中氘的含量降至46%，这进一步支持了反应过程中NHC分子与硝基苯之间的氢交换过程。此外，通过使用含有重氧（18O）的硝基苯（1c-18O）进行反应，我们发现反应起始材料和产物中的18O含量相同，表明产物中的酰胺氧来源于硝基苯中的硝基官能团。这些实验结果不仅验证了反应机制，还为后续的机理研究提供了重要的依据。

为了深入理解反应过程中的能量变化，我们还进行了密度泛函理论（DFT）计算。计算结果表明，NHC分子对硝基苯的亲核攻击主要发生在硝基的邻位（ortho-position），这一位置的活化能为30.3 kcal/mol，相对较低，表明该位置对反应具有较高的选择性。相比之下，硝基苯的间位（meta-position）和对位（para-position）的活化能分别为41.5和33.2 kcal/mol，明显更高，说明这些位置的反应活性较低。此外，当硝基苯的2-氯取代基被引入后，其邻位的活化能升高至41.5 kcal/mol，表明氯原子的引入对硝基苯的反应活性产生了负面影响。这些计算结果与实验观察一致，进一步支持了我们提出的反应机制。

在反应过程中，硝基苯与NHC分子的反应经历了一系列复杂的步骤。首先，NHC分子在碱性条件下被活化，生成自由的NHC分子，然后对硝基苯的邻位进行亲核攻击，形成去芳香化的中间体（Intermediate 5）。随后，该中间体经历质子转移过程，恢复苯环的芳香性，生成中间体（Intermediate 6）。接着，硝基苯中的硝基氧原子对NHC分子的碳原子进行亲核攻击，形成螺旋状的中间体（Intermediate 7）。这一过程的能量障碍非常低，仅为1.2 kcal/mol，表明反应在热力学上具有高度的可行性。随后，中间体（Intermediate 7）在碱性条件下被去质子化，形成烯胺阴离子（Intermediate 8），该中间体随后经历重排反应，生成中间体（Intermediate 9）。这一重排过程的能量障碍为1.8 kcal/mol，进一步证明了反应的可行性。最后，中间体（Intermediate 9）在脱水过程中生成最终的喹唑啉-4-酮产物（3c），整个反应的总自由能变化为-101.7 kcal/mol，显示出强烈的放热特性。

通过上述实验和计算，我们提出了一种可能的反应机制，即硝基苯作为新的NHC受体，通过多步亲核加成/重排/脱水过程，与NHC分子发生反应，最终生成喹唑啉-4-酮衍生物。这一机制不仅在实验上得到了验证，而且在理论计算上也得到了支持。此外，我们还发现，NHC分子的结构对其反应性能具有重要影响。例如，含有2,6-二异丙基苯基的NHC分子（2a）表现出较高的反应活性，而其他类型的NHC分子（如三唑基、硫唑基或苯并咪唑衍生物）则未能有效参与反应。这表明，NHC分子的电子效应和空间效应在反应中起着关键作用。

在合成应用方面，我们进一步探索了喹唑啉-4-酮衍生物（如3c）的结构修饰和功能化反应。通过在不同条件下进行反应，我们成功地将3c转化为多种具有潜在应用价值的化合物。例如，在水合酸条件下，3c可以通过脱去N-芳基亚胺基团，生成产物11；在弱酸性条件下，使用NaBH3CN还原3c，可以得到对应的胺产物12；在温和条件下，将3c溶解在二氯甲烷中并加入HCl，可以生成醛产物13；通过与另一种胺进行缩合反应，可以得到新的亚胺产物14；而通过Horner-Wadsworth-Emmons（HWE）反应，可以高效合成烯烃化合物15；使用NaBH4还原3c中的醛基，可以得到羟基产物16；将3c与羟胺反应，则可以生成醛肟产物17。这些合成方法为喹唑啉-4-酮衍生物的进一步应用提供了丰富的可能性。

在生物活性方面，我们对合成的喹唑啉-4-酮衍生物进行了体外抗真菌活性测试，选择了四种植物病原菌作为测试对象：Phomopsis sp.（Ps）、Colletotrichum capsici（Cc）、Sclerotinia sclerotiorum（Ss）和Rhizoctonia solani（Rs）。实验结果表明，合成的化合物13在50 μg/mL浓度下，对Cc和Ps的抑制率分别为58.69%和63.16%，均高于商业农药Azoxystrobin的抑制率（53.79%和45.26%）。尽管对Ss和Rs的抑制率分别为30.99%和40.28%，略低于Azoxystrobin，但其整体表现出较广的抗真菌活性，表明其在植物保护方面具有重要的应用潜力。这些结果不仅证明了合成方法的有效性，还为开发新型农药提供了实验依据。

综上所述，本研究开发了一种概念上新颖的硝基苯与NHC分子之间的结合反应，为喹唑啉-4-酮衍生物的合成提供了一种高效、环保的新方法。通过实验和理论计算，我们揭示了反应的详细机制，并验证了其在生物活性方面的应用潜力。这一方法不仅避免了传统金属催化剂可能带来的环境污染问题，还为药物化学和农药合成领域提供了新的思路和工具。未来的研究将进一步探索该反应路径在其他生物活性分子中的应用，以及其在实际农业生产中的潜力。