《ChemistryOpen》：Quantum Chemical Investigation of the Dimroth Rearrangement of 1-(5-Imino-4,5-dihydro-1H-1,2,3-triazol-1-yl)anthracene-9,10-dione
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本工作致力于1-(5-亚氨基-4,5-二氢-1H-1,2,3-三唑-1-基)蒽-9,10-二酮的Dimroth重排机制的量子化学与实验研究。研究探讨了体积庞大的N-蒽醌基取代基如何影响Dimroth重排的各个步骤。采用密度泛函理论（Density Functi
本工作致力于1-(5-亚氨基-4,5-二氢-1H-1,2,3-三唑-1-基)蒽-9,10-二酮的Dimroth重排机制的量子化学与实验研究。研究探讨了体积庞大的N-蒽醌基取代基如何影响Dimroth重排的各个步骤。采用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT），在B3LYP近似和6-311++G(d,p)基组水平下计算了Dimroth重排的能量分布图。研究发现，质子溶剂（尤其是乙醇）通过氢键网络在氢转移过程中发挥关键作用，从而确保初始三氮烯转化为更稳定的环状5-氨基三唑。涉及开环和旋转的后续转化没有显著能垒。最终产物在能量上最为有利，因此该反应在乙醇溶液中易于进行。本工作展示了利用Dimroth重排合成新型含蒽二酮杂环化合物的便捷性和高效性，并基于蒽-9,10-二酮衍生物的量子化学计算为该重排的机制提供了解释。
论文解读：蒽醌基三唑的Dimroth重排机制——量子化学与实验的联合解析
一、研究背景与科学问题
蒽-9,10-二酮（蒽醌）类化合物是药物化学中一类成熟的骨架结构，其衍生物具有泻药、抗炎、抗肿瘤、抗病毒、抗菌和抗真菌等多种生物活性，这些活性很大程度上归因于蒽醌体系作为电子受体的能力，能够与DNA碱基形成电荷转移复合物。氨基取代的蒽二酮还可作为染料和分析试剂使用，且基于蒽醌的新型抗肿瘤药物和活性氧调节剂仍在不断被报道。蒽醌核心易于发生亲电和亲核取代反应，而引入三氮烯基团则为杂环化反应提供了途径，这使得蒽醌三氮烯成为合成含蒽二酮杂环化合物的便捷前体。
在合成此类杂环化合物的过程中，研究人员通过Dimroth重排形成了1,2,3-三唑。Dimroth重排的机制此前已通过密度泛函理论（DFT）研究过，Feng等人计算了开环、旋转和关环阶段的能量分布图，确定了开链互变异构体为关键中间体，并定位了相应的过渡态。相关DFT研究还涉及稠合三唑体系的热重排和竞争反应路径。然而，这些研究针对的是小型模型三唑或含能材料。体积庞大且具有吸电子效应的N-蒽醌基取代基（其peri-羰基能与溶剂形成氢键并在空间上屏蔽相邻氮原子）对重排各步骤的影响尚未被研究。
因此，本研究的目的是通过B3LYP/6-311++G(d,p)水平的DFT计算，建立1-(蒽醌基)三氮烯环化及随后1-(5-亚氨基-4,5-二氢-1H-1,2,3-三唑-1-基)蒽-9,10-二酮发生Dimroth重排的能量分布图，特别关注质子溶剂（乙醇）在质子转移步骤中的作用。
二、研究内容与主要结论
研究人员通过量子化学计算与实验相结合的方式，系统研究了蒽醌取代基存在下Dimroth重排的完整机制。研究发现，三氮烯1在室温溶液中以互变异构体混合物形式存在。初始环化通过氰基的分子内亲核进攻发生，形成5-氨基三唑3。衍生物3的Dimroth重排在质子溶剂催化下无需额外催化剂即可生成三唑7。
计算结果表明，形成的三氮烯1是所有中间产物中能量最不利的，因此会转化为环状中间体2。这一转化伴随氢转移，但两个碳原子之间的直接质子转移不太可能发生，而是通过溶剂分子（乙醇作为质子中继）经由氢键网络进行。质子转移后环化过程立即发生，生成更稳定的产物，且无显著能垒。从亚甲基转移质子可能性较低，因为这些氢原子不易与乙醇形成氢键。
5-亚氨基二氢三唑2转化为5-氨基三唑3的过程也涉及溶剂分子参与，过渡态能量比2高29.99 kcal/mol，且仅有一个虚频，验证了过渡态的正确性。形成的5-氨基三唑3能量比2低15.00 kcal/mol，表明芳香体系的形成在能量上更为有利。
Dimroth重排的下一阶段是开环。由于蒽醌酮基一侧的空间位阻和芳香体系氢原子的位阻效应，无法模拟溶剂与氮原子的相互作用，因此唯一可能的途径是在无溶剂参与下断键。该过渡态（TS3_4）的吉布斯能比结构3高17.32 kcal/mol，氮原子间距离增大至2.14 ?，N═N─C角度为131°，低能垒使得此阶段无需溶剂引发。
绕C─C键旋转形成形式5不需要显著能量，TS4_5与形式4的吉布斯能差仅为9.04 kcal/mol，中间体5与4的能量几乎相同（差1.57 kcal/mol），过渡态中旋转基团几乎垂直，扭转角N═C─C═N为89.4°。
中间体5转化为最终产物7可通过两条路径：一是5互变异构为6后关环，二是先关环形成6′再进行互变异构。由于含乙醇分子的后续过渡态无法在IEFPCM中全部模拟，研究人员认为该转化最可能经由能量比6′低26.92 kcal/mol的化合物6进行。最终化合物7中氢原子与羰基氧形成氢键，进一步稳定了产物，其能量比初始加成产物低26.79 kcal/mol。
X射线晶体学分析证实了产物中三唑基团和蒽醌结构的存在，三唑基团因高?值倾向于使结构致密化。
三、关键技术方法
本研究主要采用以下关键技术方法：密度泛函理论（DFT）量子化学计算，在B3LYP/6-311++G(d,p)水平下对全部静态点（化合物和中间体1–7及所有过渡态）进行无对称性约束的完全几何优化，采用IEFPCM溶剂力场模型并包含一个显式乙醇分子；振动频率分析用于确认各静态点的性质（最小值无虚频，过渡态有且仅有一个虚频）；内禀反应坐标（IRC）计算验证过渡态与反应物和产物的正确连接；核磁共振波谱（1H和13C NMR）、红外光谱（IR）、液相色谱-质谱联用（LC–MS）、元素分析和X射线粉末衍射（XRD）用于产物结构表征。
四、研究结果分述
4.1 化学与Dimroth重排
方案1展示了三氮烯1转化为三唑7的可能机制。三氮烯1在室温溶液中以互变异构体混合物形式存在，初始环化通过氰基的分子内亲核进攻发生，形成5-氨基三唑3。衍生物3的Dimroth重排在质子溶剂催化下无需额外催化剂即可生成三唑7。
4.2 DFT计算方法的结构与重排分析
通过计算所有中间产物的能量发现，三氮烯1是能量最不利的产物，因此转化为环状中间体2。该转化伴随氢转移，直接质子转移不太可能发生，而是通过乙醇分子作为质子中继经由氢键网络进行。质子转移后环化立即发生，生成更稳定的产物（ΔG1–ΔG2 = 3.83 kcal/mol）。从亚甲基转移质子可能性较低，因为这些氢原子距氮原子约3.12 ?，而氨基氢距氮原子3.68 ?。
5-亚氨基二氢三唑2转化为5-氨基三唑3的过渡态能量比2高29.99 kcal/mol，仅有一个虚频对应两个氢原子的位移，验证了过渡态的正确性。形成的5-氨基三唑3能量比2低15.00 kcal/mol。
开环阶段因空间位阻无法模拟溶剂与氮原子的相互作用，只能无溶剂参与断键，过渡态吉布斯能比结构3高17.32 kcal/mol，氮原子间距增大至2.14 ?，N═N─C角度为131°。
旋转阶段TS4_5与形式4的吉布斯能差仅9.04 kcal/mol，中间体5与4能量差仅1.57 kcal/mol，过渡态中扭转角N═C─C═N为89.4°。
最终转化最可能经由能量比6′低26.92 kcal/mol的化合物6进行，最终产物7中氢原子与羰基氧形成氢键，能量比初始加成产物低26.79 kcal/mol。
4.3 X射线晶体学
X射线粉末衍射分析表明，三唑基团因高?值倾向于使结构致密化，而所研究的蒽醌具有较小或松散堆积的分子结构。
五、讨论与结论总结
研究结论指出，从蒽醌核合成三氮烯1并转化为三唑7是制备新型蒽醌衍生物的便捷途径。量子化学计算证实了质子溶剂（如乙醇）的必要性。各中间物质、部分过渡态和反应产物的计算能量表明，总体上环闭合和随后的重排生成更稳定的产物，主要阶段的活化能相对较低。X射线结构分析证实了转化过程中形成化合物的结构。该工作展示了利用Dimroth重排合成新型含蒽二酮杂环化合物的便捷性和高效性，为蒽醌衍生物的杂环化反应机制提供了理论解释，对相关药物化学和材料科学研究具有参考价值。
