一种模块化无钯合成荧光吩噁嗪及吡啶并苯并噁嗪杂环的方法

《International Journal of Molecular Sciences》：A Modular and Pd-Free Synthesis of Fluorescent Phenoxazine and Pyridobenzoxazine Heterocycles

　　

吩噁嗪（phenoxazine）与吡啶并苯并噁嗪（pyridobenzoxazine）衍生物是一类优势杂环骨架，在荧光科学、氧化还原化学及药物化学中具有重要意义。然而，结构多样类似物尤其是杂芳基稠合体系的模块化获取，常受限于苛刻反应条件、金属催化方案或底物依赖性的结果。本研究描述了一种无钯（Pd-free）策略，基于芳基醚（aryl ether）形成，随后进行分子内SNAr型关环和N-脱烷基化（N-dealkylation）。该方法可耐受一系列芳基和杂芳基卤化物，并可在常规加热或微波辐射加速下实施。反应优化揭示了溶剂、碱、离去基团及底物电子效应的重要性。密度泛函理论（DFT）计算支持由吸能的醚形成、分子内季铵化/关环及最终N-脱烷基化组成的三阶段途径。该方法为吩噁嗪衍生物聚焦化合物库的获取提供了途径，并为进一步开发氧化还原活性及生物成像相关染料搭建了平台。

研究背景方面，吩噁嗪（phenoxazine）是一类三环杂芳族化合物，自Bernthsen于1887年首次报道合成以来，其化学内涵已拓展为包含中性10H-吩噁嗪、氧化型吩噁嗪酮（phenoxazinone）、阳离子型吩噁嗪鎓染料及N-芳基或N-烷基衍生物的结构与电子性质多样家族。得益于扩展的π共轭、富电子特征及可合成调控的取代模式，该类骨架具有高度可调的氧化还原与光物理性质，3,7-位取代及氮原子修饰可有效调控吸收、发射、给体强度、电化学行为及抗氧化效应。这些特征支撑了吩噁嗪衍生物体系的广泛意义，包括resazurin/resorufin型氧化还原探针、Nile blue与Nile red相关染料、Gallocyanine、Meldola's Blue、Brilliant Cresyl Blue、放线菌素型天然产物、光敏剂以及近年来的有机光氧化还原催化剂。吩噁嗪还应用于更复杂的π共轭架构及吩噁嗪卟啉体系，作为富电子、氧化还原活性的发色团构建单元；在生物分析化学中，Ampliflu Red（10-乙酰基-3,7-二羟基吩噁嗪）作为荧光探针经过氧化物酶催化过氧化氢氧化转化为高荧光resorufin，广泛用于过氧化氢与活性氧（ROS）检测；含吩噁嗪核心的可去质子化螯合芳基二膦配体NiXantPhos在若干交叉偶联中优于其结构类似物Xantphos。在生物与光化学层面，该骨架在紧凑杂芳框架内整合了可见光吸收、荧光与氧化还原活性；在医药与化学生物学背景下，Questiomycin A及相关吩噁嗪衍生物的临床前研究显示了抗菌、免疫调节与抗肿瘤作用。

然而，还原型吩噁嗪及其杂芳基稠合类似物的制备仍受合成限制，经典路线常需高温、氧化条件或取代模式灵活性有限。自经典Bernthsen型合成以来，已发展出若干互补制备方法：由2-氨基酚与缺电子3,4-二卤芳烃（通常为二氟衍生物）经Smiles重排化学实现无金属获取；碘代二芳基醚环化的无过渡金属方法；以及铜催化2-(2-溴苯氧基)苯胺环化、钯催化二(2-溴芳基)醚与伯胺的双N-芳基化等过渡金属催化策略。这些方法常依赖预官能化底物、昂贵催化剂与配体或底物特异性优化。

为此，研究人员报道了一种实用的无钯方法，以易得的邻二卤苯（2）与二烷基氨基酚（3）为原料合成吩噁嗪（1）及相关含氮二芳基噁嗪类似物（如吡啶并苯并噁嗪），研究包括系统反应优化、底物范围评估、微波辐射（MW）加速环化以及密度泛函理论（DFT）计算以获取关环关键步骤的机理认识，为结构多样的吩噁嗪型骨架提供简便模块化入口。关键设计原理是：一个离去基团参与芳基醚（4）形成，剩余邻位卤素使分子内关环至氨基氮，形成季芳基铵官能团，最终经机理上不寻常的脱烷基化步骤形成产物（1）。类似脱烷基化环化曾在4-氯-5-[2-(二甲氨基)苯基]-哒嗪-3(2H)-酮生成吲哚衍生物中观察到，但未进一步优化。

作者为开展研究用到的主要关键技术方法包括：以N,N-二甲基乙酰胺（DMA）为溶剂、K₂CO₃为碱的常规加热与微波辐射（Anton-Paar Monowave 450）反应优化，底物（芳基/杂芳基卤化物及邻氨基酚）范围考察；UPLC-MS反应监测与制备型反相HPLC（RP-HPLC）纯化；NMR（含COSY、TOCSY、ROESY/NOESY、HSQC、HMBC）结构表征；紫外-可见与荧光光谱（含积分球）测定吸收、发射、摩尔消光系数与量子产率；以及在B3LYP/6-31G(d,p)水平、极化连续介质模型（ε=37.8模拟DMA）下的DFT计算。研究所用试剂购自Fluorochem、Merck与VWR，未涉及特定样本队列来源。

研究结果方面，在“新型反应设计的溶剂、碱与加热方式优化”中，以代表性N,N-二烷基邻氨基酚（3）与合适的邻二卤芳基或杂芳基伙伴（2）设计反应，首轮筛选溶剂、碱与加热方式；DMA+K₂CO₃条件下需160 °C长时间加热方能有效转化，极性非质子溶剂中DMA与DMF转化率最高，选用高沸点DMA；无碱时无产物，碱筛选中K₂CO₃、Cs₂CO₃与KOtBu效果最佳，碳酸盐可在不过度降解前提下提供足够酚盐形成速率，弱有机碱或过强碱效果较差，最终选K₂CO₃兼顾效率、成本、非吸湿性与可得性；微波加热显著加速反应，确定DMA、K₂CO₃、210 °C、MW为优化条件。由此得出碳酸盐碱与DMA溶剂、微波加热为最优组合的结论。

在“离去基团与芳基卤化物反应性”中，将氟替换为氯（1-溴-2-氯苯替代1-溴-2-氟苯）使醚形成显著变慢并抑制整体转化，二芳基醚仅在延长反应时间后以中等收率获得，证实氟是该阶段最有效离去基团，与芳基氟在亲核芳香取代（SNAr）中反应性更高、氟的强–I效应更有效稳定Meisenheimer中间体一致；关环步骤离去基团考察中，除碘代外各衍生物均给出醚中间体，但仅溴代衍生物成功关环生成吩噁嗪，氟代停滞于醚阶段，碘代在初始醚形成中分解而无分离中间体。由此得出氟最利于SNAr醚形成但过稳定难以关环、溴在离去能力与稳定性间取得最佳平衡、碘在高温下过于活泼导致无益分解的结论。

在“N,N-二烷基氨基底物的影响”中，考察氨基上N-烷基变化，与上述机理趋势一致，芳基卤侧F促进醚形成而Br最利于环化；未取代2-氨基酚与2-氟溴苯反应仅以中等收率得到二芳基醚与吩噁嗪混合物，符合关环步骤对分子内SNAr的要求，取代较少的氮因分子内氢键而亲核性降低，抬高σ络合物形成能垒；制备并考察少量2-(烷基氨基)酚，N-烷基化2-氨基酚时观察到氧化型吩噁嗪-3-酮副产物，标准条件下醚中间体与吩噁嗪产物均经色谱以中等收率分离但伴随大量不明确副产物，N-单烷基化氨基酚中间体数小时至数天内部分氧化与聚合，符合邻氨基酚的氧化不稳定性并可能涉及反应性邻醌亚胺中间体；N,N-二烷基-2-氨基酚更适合吩噁嗪形成，二烷基化提高氮的有效亲核性、破坏分子内氢键并缓解自发有氧氧化，随氮上空间/电子位阻增大反应性下降（N,N-二苄基-2-氨基酚形成复杂混合物），N,N-二甲基衍生物在160 °C常规加热即可给出产物而N,N-二乙基或二苄基类似物需210 °C微波加热，不同烷基时脱烷基化环化倾向生成N-甲基衍生物（脱乙基程度高于脱甲基）。由此得出N,N-二烷基化为有利底物结构、位阻增大降低反应性的结论。

在“改变底物取代模式的影响”中，探索以2-氯苯酚（5）与2-溴-N,N-二甲基苯胺（6）在标准与微波条件下的替代路线，但HPLC-MS未检出显著量二芳基醚中间体，符合SNAr途径要求：强给电子–NMe₂抬高芳基LUMO并去稳定假想σ络合物，Br与–NMe₂邻位关系亦增加空间拥挤，二者使芳基溴在SNAr中不反应。由此得出该替代路线因电子与空间因素不可行的结论。

在“底物范围：吩噁嗪与杂芳基稠合类似物”中，考察芳基二卤底物范围包括杂芳族实例9a–9r；鉴于4,5-二氯哒嗪-3(2H)-酮的特殊反应性及在药物化学中的优势地位，研究其环化，邻二氯哒嗪在较温和条件下更易与氨基酚反应，许多情况下推定二芳基醚中间体无法捕获，符合优化条件下快速后续环化；两个二溴萘衍生物既未给出醚也未给出吩噁嗪，归因于未活化芳基溴固有较差SNAr反应性及萘中额外空间/电子阻碍不利于σ络合物形成。由此得出杂芳族二氯底物反应性更佳、非活化二溴萘不适用的结论。

文中还指出，在碱性高温微波条件下DMA不仅作溶剂也作反应物，其α-碳去质子化后可加成至醛基官能化吩噁嗪，随后脱水得到相应共轭α,β-不饱和酰胺衍生物，产物荧光特性尤佳、是有前景的光物理研究候选物，其形成可由反应时间控制（延长加热增加其相对量，较短时间利于分离初始含醛吩噁嗪产物）。以缺电子四氟对苯二甲腈（7k）考察时成功鉴定并分离预期双缩合产物为两种区域异构体混合物，制备型HPLC可将其与其他组分分离但两区域异构体本身无法拆分，以1:0.7比例混合物（9s、9t）获得，与文献先例一致，这些双环化产物显示强荧光，凸显其作为新荧光团骨架的潜力。类似地试验高缺电子对苯醌衍生物四氯苯醌与2,3-二氯-5,6-二氰基对苯醌（DDQ）：DDQ在温和条件下无反应，标准一锅方案（210 °C、MW、2 h）形成复杂混合物且无法清晰区分可能醚与噁嗪产物；四氯苯醌即使在室温亦得复杂混合物。在近期研究基础上重新审视适当取代联芳醚经氢负离子转移环化为oxazonine衍生物的体系，卤代2-(2-乙烯基)苯氧基叔苯胺类可成为分子内SNAr型关环与N-脱烷基化的潜在底物，在oxazonine型产物常用条件下确证相应吩噁嗪，化合物11a同时观察到两类环化（12与9m），而11b仅给出取代吩噁嗪（9n），由联芳醚直接形成吩噁嗪进一步支持所提出机理。由此得出DMA可参与二次缩合、缺电子底物可得强荧光双环化产物、联芳醚直接环化支持机理的结论。

在“光谱分析”中，研究10a与10b的荧光，在五种不同溶剂中测定吸收与发射光谱，所选溶剂覆盖大范围介电常数并含质子与非质子实例；两化合物在非极性溶剂中吸收更大、荧光更强，在水中均无荧光，吸收极大值（λ_Abs）约390 nm，发射极大值（λ_Em）在500–600 nm，产生异常大的Stokes位移（不同溶剂中120–210 nm），荧光光谱显示溶剂化显色效应（10a为101 nm、10b为52 nm），趋势不完全随介电常数变化，可能由溶剂质子性差异所致；两者具中等消光系数（ε），10a吸收与荧光强度均大于10b，且10b量子产率（Φ_f）较低放大亮度差异。由此得出10a凭借大溶剂化显色范围（101 nm）与极大Stokes位移（120–210 nm）是新型荧光探针优良候选物的结论。

在“机理与计算解释”中，于B3LYP/6-31G(d,p)水平、ε=37.8极化连续介质模型代表DMA溶剂研究机理，虽为一锅反应但计算机理可分为二芳基醚中间体4形成及其后续环化–脱烷基化为吩噁嗪产物1两大阶段。第一阶段邻氨基酚3去质子化生成酚盐阴离子，随后经SNAr与芳基二卤2反应；碳酸盐（KCO₃^??KHCO₃）或KOtBu（OtBu^??HOtBu）去质子化计算为热力学有利，与需足够碱性条件一致，而DIPEA等较弱非亲核有机碱去质子化为吸热，反应性酚盐（3a-H⁺）平衡浓度低而整体减慢；酚盐3a-H⁺进攻卤代芳烃2形成二芳基醚4，尽管形成新C–O键该步骤显著热力学上坡，X=Br时经两个中等过渡态（TS1、TS2）与σ络合物中间体7后醚4位于中性起始物之上38.6 kJ mol^?1，较高能量归因于相邻氨基与芳氧基空间拥挤及相邻氮、氧孤对电子间不利电子排斥；碳环芳基二卤一般经涉及高能Meisenheimer型σ络合物的分步SNAr机理，杂芳基底物则遵循协同单步取代途径。第二阶段氨基氮在剩余卤代芳碳上分子内进攻经第二次SNAr生成吩噁嗪环，该关环为计算途径最高能级，X=Br时TS2位于起始物2+3之上175.3 kJ mol^?1，其塌缩给出环状季铵中间体（R=Br时34.6 kJ mol^?1），最后离去的卤离子以SN2型脱烷基化回攻季氮上一甲基，给出中性吩噁嗪产物（X=Br时低于起始物13.3 kJ mol^?1）。X=Cl时计算焓值与Br接近提示相似过程；计算研究证实X=I的阴性实验结果，TS1显示高活化焓且后续中间态7无极小值，结构4虽存在但在此途径中不可及且HPLC-MS不可检出，后续关环亦因极高TS3而不可行；X=F时反应坐标连续至终产物，至醚形式的第一段机理在所施高温下可接受，但关环TS3亦高于Cl与Br。由此得出DFT支持三步机理、计算与卤素反应性实验趋势相吻合的结论。

讨论部分总结：本文报道的无钯方案以易得氨基酚与芳基/杂芳基卤化物构建单元为起点，模块化获取吩噁嗪、吡啶并苯并噁嗪及相关二芳基噁嗪杂环，兼具操作简便性与底物灵活性，在特定情况下可由微波辐射加速；机理观察与DFT计算支持包括初始醚形成、分子内SNAr型关环与N-脱烷基化的序列；所得化合物集为进一步开发吩噁嗪型荧光团、氧化还原活性探针及面向生物成像的分子工具奠定基础。

研究结论翻译：总之，所开发的无钯方案提供了从易得氨基酚与芳基/杂芳基卤化物构建单元模块化获取吩噁嗪、吡啶并苯并噁嗪及相关二芳基噁嗪杂环的途径。该方法将操作简便性与底物灵活性相结合，并可在特定情况下通过微波辐射加速。机理观察与DFT计算支持包含初始醚形成、分子内SNAr型关环与N-脱烷基化的序列。所得化合物集为进一步开发吩噁嗪型荧光团、氧化还原活性探针及面向生物成像的分子工具提供了基础。