综述：氧化还原活性胍类化合物

《ChemElectroChem》：Redox-Active Guanidines

　　

氧化还原活性胍类（Redox-active guanidines）是指其胍基（guanidino groups）在至少两种不同氧化还原状态下均能保持稳定的化合物。这一独特分子类别在多个研究领域具有重要意义，涵盖配位化学（coordination chemistry）、脱氢偶联反应（dehydrogenative coupling reactions）及其他质子耦合电子转移（proton-coupled electron transfer, PCET）过程，以及杂-Diels-Alder反应（hetero-Diels–Alder reactions）。本综述首次系统总结了该类化合物多方面化学特性的关键内容，并揭示了未来研究有望取得显著进展的方向。

氧化还原活性胍类化合物主要包括两类：胍基功能化芳香化合物（Guanidino-Functionalized Aromatics, GFAs）和氧化还原活性脲吖嗪（redox-active urea azines, RAAs）。它们既是电子给体，也是强Lewis碱和Br?nsted碱，在多种应用中发挥作用：作为双稳态配位化合物中的氧化还原活性配体，以及作为脱氢偶联反应和质子耦合电子转移过程中的试剂。

**1 引言**

氧化还原活性有机分子在多种应用中具有极其重要的意义。本综述讨论一类特殊的氧化还原活性有机分子，即氧化还原活性胍类化合物，并明确其定义：这类化合物在特定条件下至少在两种氧化还原状态下稳定。主要分为两个亚类：氧化还原活性（脲）吖嗪（RAA），由两个胍基或硫代胍基通过N–N键连接；以及胍基功能化芳香化合物（GFA），由芳香体系与特定方式连接的胍基（或硫代胍基）组成。

**2 胍类化学的一般方面**

**2.1 胍类化合物的合成**

本节聚焦与氧化还原活性胍类合成最相关的三条路线。

**2.1.1 从部分烷基化/芳基化胍出发的合成**

通过取代现有胍类化合物中的亚胺氢或氨基可便捷地获得新胍类。例如，二(咪唑-1-基)甲亚胺可与两种胺（伯胺和仲芳基/烷基胺）顺序反应得到四取代胍。胍环状二酰亚胺结构的合成也已实现，通过质子化增强中心碳原子亲电性，进而实现胺的亲核攻击。

**2.1.2 从甲脒鎓/咪唑鎓盐出发的合成**

早在1965年，研究人员报道了由胺和巯基甲脒鎓氯化物合成硫代胍类化合物的方法。Hellmut和Karl Bredereck报道了用POCl₃活化脲后与胺反应制备胍类的便捷路线，首次合成了1,4-双(四甲基胍基)苯。研究人员后续优化了该合成，利用草酰氯活化四甲基脲，并以83%的收率获得产物，首次分析了其氧化还原化学并分离出氧化态的二价阳离子盐。

**2.1.3 从碳二亚胺出发的合成**

碳二亚胺路线可得到部分烷基化或芳基化的胍类。一些二(芳基)碳二亚胺可与胺热反应，无需催化剂。对于活性较低的烷基碳二亚胺，多种催化剂被开发，包括钛亚胺配合物、半夹心稀土金属配合物、酰胺锂和酰胺铝催化剂，以及商业可得的Lewis酸性金属化合物等。

**2.2 胍类的碱性与N-亲核性**

胍类是非常强的Br?nsted碱，在多种应用中用作（手性）有机超强碱。质子化发生在亚胺N原子上。胍鎓离子具有六π电子体系，其高稳定性源于π离域。胍类的碱性以质子化形式pK(BH⁺)量化。母体胍的pK(BH⁺)在水相中为13.7，明显高于胺类（如Et₃N的pK(BH⁺)=10.9）或脒类。

芳香胍类同样是强碱。四甲基胍基苯在水相中pK(BH⁺)为12.2，在乙腈中为20.6。某些具有相邻胍基的芳香化合物可作为质子海绵，在单质子化时形成N–H···N桥结构。Sundermeyer等于2002年报道了1,8-双(四甲基胍基)萘的合成，其单质子化形式在乙腈中的pK(BH⁺)估计为25.1。

**2.3 氧化还原惰性胍配体**

**2.3.1 中性胍作为配体**

中性胍因其高Lewis碱性被广泛用作配体。三[四甲基胍基(乙基)]胺（TMG₃tren）配体是教材式三足配体的典型代表，被用于合成首个结构表征的铜-超氧配合物。3d金属与螯合双胍和四胍配体形成的配合物研究表明，金属-胍键具有混合σ/π给体特性，π给体特性导致配位后亚胺N═C双键增长，并产生弱配体场。

金属-配体键的性质分析显示，四配位Ni^II配合物呈高自旋四面体构型，Cu^II配合物则介于平面四方形和四面体之间。对于氧化还原活性胍类，配位模式可能随氧化态改变；由于氧化态升高时胍的π给体特性减弱，Cu^II配合物趋近平面四方形。

**2.3.2 胍化物作为配体**

氧化还原惰性胍化物作为配体在催化和材料科学中具有重要价值。双环胍化物hpp^?被用于低氧化态双核桨轮配合物中，支持金属-金属多重键。Cameron Jones等利用大位阻胍化物取代基合成了首批Mg^I化合物。胍化物也可作为前体用于CVD工艺中分解沉积金属薄膜。

**3 两类氧化还原活性胍及其性质**

**3.1 两类氧化还原活性胍的定义**

氧化还原活性胍可分为两类：胍基功能化芳香化合物（GFAs）和脲吖嗪及相关化合物。GFA是指胍基直接连接芳香核并赋予可逆氧化还原过程的化合物；氧化时芳香性降低或消除，正电荷离域于胍基中。RAA则是两个胍基直接通过N–N单键连接的化合物。

对于1,2-二胍基苯和1,3-二胍基苯衍生物，化学氧化实验表明其氧化态常不稳定，易在无对位取代基时发生二聚。通过空间位阻保护可实现稳定氧化态。RAAs方面，Hünig等早先研究了其氧化性质，可得到稳定的自由基单阳离子和二阳离子盐。

**3.2 胍基功能化芳香化合物（GFAs）**

**3.2.1 GFA合成**

合成通常涉及氨基取代芳香化合物作为中间体或起始物。碳二亚胺路线用于合成带二烷基化胍基的GFAs，Zn(OTf)₂等Lewis酸常用作催化剂。对于全烷基化胍基的GFAs，通常从甲脒鎓/咪唑鎓盐出发合成。

邻二胺基的胍基化可能伴随环化副反应生成苯并双咪唑衍生物，可通过过量甲脒鎓盐和降低温度抑制。研究人员对邻氨基胍基苯的异构化进行了详细的实验和量子化学研究，发现在碱性条件下Path B和Path C为主要途径，而采用NHMe或NHPh取代可避免异构化。

**3.2.2 GFA的电化学分析**

氧化还原电位（E_1/2值）是GFAs最重要的性质之一。通过循环伏安法测定，电位可通过多种方式调控：胍基数目的增加使E_1/2稳步降低；胍基修饰可在+0.23 V至?0.46 V范围内调节1,4-二胍基苯的第一氧化还原电位；芳香核上的取代基也显著影响电位。

溶剂效应对有机电子给体的氧化还原电位有重要影响。研究人员发现，虽然气相电离能与溶液电位趋势一致，但溶剂稳定化能可导致显著差异。分子体积大、电荷离域程度高的化合物溶剂稳定化能较低，因此在溶液中的还原能力弱于气相预测。建立的经验公式可将气相电离能与溶液E_1/2值关联。

**3.2.3 质子化态GFAs的碱性与性质**

pK(BH⁺)值随胍基数目增加而升高。四甲基胍基苯在乙腈中为20.6，1,4-双(四甲基胍基)苯为22.1，而1,2,4,5-四(四甲基胍基)苯估计达25.5。质子化通常伴随最低能量激发的蓝移。近期报道了首个强Br?nsted碱但非亲核性的二胍化合物。

**3.2.4 发光GFAs**

若干GFA化合物具有强荧光性质。1,2,4,5-四胍基-3,6-二乙炔基苯等属于交叉共轭十字形发色团，中性还原态在502 nm处显示强荧光，量子产率18%，寿命2.3 ns。质子化对荧光波长影响较小，但可提高量子产率和寿命。荧光强度具有高度温度依赖性，氧化则完全猝灭发光。

**3.2.5 胍基间带连接臂的GFAs**

胍基可通过易修饰的连接臂连接。乙二胺连接臂的二胍基苯是强碱但不与金属配位；而丙二胺连接臂的二胍基苯则可与金属配位，但易形成寡聚体。

**3.2.7 氧化态GFAs的合成与性质**

**3.2.7.1 氧化态GFAs的合成与表征**

1,4-双(四甲基胍基)苯可用Fc⁺或Ag⁺盐氧化，FcPF₆氧化最为便捷，收率83%。晶体学证实氧化后亚胺N═C键从1.297(2) ?增至1.405(2) ?，而芳香C–N键缩短，C=C键长变化表明芳香性丧失。胍基平面与芳环平面高度倾斜的构型避免了相邻胍基间的空间排斥。

GFAs氧化态对亲核攻击更敏感，在碱性条件下可发生水解。多种氧化剂被用于GFAs的氧化，包括O₂、二茂铁鎓、Ag⁺、NO⁺、I₂、NBS等。特别地，骨架多、易氧化至四价、五价状态，如六(N,N'-二甲基(亚乙基)胍基)苯可氧化至绿色二价阳离子、蓝色四价阳离子及自由基五价阳离子。

**3.2.7.2 配位作用调控电子释放；多卤化物稳定与新材料的构建**

通过BF₂⁺或GaCl₂⁺配位可减缓GFAs的电子释放速率，所得盐可用于合成多卤化物I₇^?、I₁₀^?及Br₅^?等。与TCNQ形成的给体-受体材料为低带隙半导体，带隙仅0.46–0.51 eV。

**3.2.7.3 氧化态GFAs的化学性质**

氧化态GFAs可触发环化反应、氢键聚集体形成、去质子化及氧化态质子化等。1,2,4,5-四(四甲基胍基)苯的二价阳离子可被双重质子化，颜色从绿经蓝变为橙，电子分布从双烯丙基阳离子型转变为醌型结构，还原电位偏移0.7 V。

氧化诱导芳香取代反应（RIAS）可实现GFAs的选择性功能化。氧化态GFAs还可发生分子内/间C–C和C–N偶联反应，如4,4',5,5'-四(四甲基胍基)联萘的分子内C–C偶联生成四胍基苝衍生物。

**3.3 氧化还原活性脲吖嗪（RAAs）及相关化合物**

**3.3.1 RAA合成**

对称RAAs可通过碳二亚胺与肼反应、甲脒鎓/咪唑鎓盐与肼的亲电攻击，或通过亚胺正离子中间体路线合成。非对称RAAs方便地通过腙中间体制备，含N–H官能团的非对称RAAs可作为多功能氧化还原活性配体。

**3.3.2 RAA键性质的简要考察**

关于RAAs是否应描述为NHC稳定的N₂存在争议。研究人员通过振动分析（包括¹⁵N富集RAA）证实，经典描述中两个C═N双键的模型对所有RAAs均是适当的。

**3.3.3 部分烷基化RAAs的互变异构/去质子化**

N,N',N'',N'''-四异丙基脲吖嗪的互变异构在气相中为吸热、非自发的；但配位至金属后可发生互变异构。N–H质子可在配位过程中去除，如与9-BBN反应生成氢气并形成硼杂杂双环化合物。

**3.3.4 RAAs的氧化还原性质**

循环伏安曲线显示RAAs的第一和第二单电子氧化还原步骤间存在大电位分离。E_1/2值可通过引入硫原子调控，每个硫可导致约0.3 V的阳极位移。非对称RAA的氧化还原电位可从对应对称RAAs的电位估计。

**3.3.5 RAAs氧化态的化学氧化与性质**

化学氧化RAAs一般得到稳定的自由基单阳离子和二价阳离子盐。例如，1,3-二乙基完善吖嗪可被AgBF₄氧化为红色二价阳离子，中心N–N键从单键转变为双键。该化合物在空气中可定量氧化为自由基单阳离子，并显示出完全可逆的电致变色行为。

**4 氧化还原活性胍类的应用**

**4.1 GFAs在PCET化学/脱氢偶联反应中的应用**

氧化还原活性胍类是醌类在脱氢偶联反应中的有吸引力替代物。GFAs以氧化态应用，反应中被还原和质子化。研究发现：酸添加通常加速反应，质子化提高氧化还原电位并增加质子转移速率；二胍基苯衍生物一般优于四胍基苯衍生物，因其具有更高的氧化还原电位。

GFAs在多种反应类型中表现优异：分子内/间C–C偶联、芳构化、氢醌氧化、C–N和C–O偶联、P–P和S–S偶联。与醌类相比，GFAs通常需要更少量的添加酸，且还原质子化态易于分离回收。动力学同位素效应（KIE = 5.6）证明了质子转移的重要性。

**4.2 GFAs作为氧化还原催化剂**

1,2,4,5-四(四甲基胍基)苯可被O₂有效氧化再生，使其可作为以O₂为终端氧化剂的氧化还原催化剂。CuCl₂/Cu(BF₄)₂混合物被鉴定为最佳共催化剂。

**4.3 RAAs的环加成反应**

氧化态RAAs可作为二烯亲体发生[4+2]环加成反应。与1,3-二甲基丁二烯的反应在室温10分钟内完成。与蒽的反应显示温度依赖的平衡行为。碱诱导N–N键断裂可生成6,13-二胍基戊省等独特π体系。

**4.4 配位化学与配体-金属电子转移**

**4.4.1 GFAs**

**4.4.1.1 不同氧化态GFA配体的金属配合物**

配体中心氧化可得到含自由基单/二价阳离子GFA配体的配合物。配合物稳定性取决于共配体，在三种氧化态（中性、自由基单阳离子、二价阳离子）中均可稳定存在。同量混合中性配合物和全氧化配合物可发生归中反应生成单阳离子配合物。

配位模式变化与配体氧化态相关。随着GFA配体正电荷增加，二面角向0°（平面四方）方向移动，反映π给体特性减弱。共配体决定金属或配体优先被氧化：acac共配体导致金属中心氧化，hfac共配体则导致配体中心氧化。

**4.4.1.2 GFA配合物的氧化还原异构现象**

温度依赖及溶剂诱导的氧化还原异构现象在铜-GFA配合物中被广泛研究。实现定量温度转换需要大的熵变。溶剂极性影响异构体相对稳定性：二价阳离子均配配合物中CH₃CN稳定Cu^II异构体，CH₂Cl₂稳定Cu^I异构体；而对于卤素共配体单核/双核配合物则相反。

**4.4.1.3 共配体取代或添加触发的电子转移**

可设计含易解离配体的配合物实现配体取代诱导的电子转移。如二核Cu^I配合物氧化后CH₃CN配体可被吡啶或氯离子取代，后者伴随分子内电子转移。

**4.4.1.4 二级配位层离子结合**

含冠醚功能的GFA配体可通过Ba²⁺或K⁺摄取诱导分子内金属-配体电子转移，实现氧化还原异构体的可控切换。

**4.4.1.5 氧化还原诱导电子转移（RIET）**

某些配合物中整体氧化导致金属还原。如特定Co^II-GFA配合物的第二单电子氧化不仅从GFA移除电子，还引发配体-金属电子转移，最终形成高自旋Co^II配合物与二价阳离子GFA。

**4.4.1.6 GFA与儿茶酚配体的配合物**

结合两种互补电荷类型的氧化还原活性配体可产生巨大偶极矩变化。平面四方Pd配合物中可建立GFA自由基与儿茶酚自由基两种异构体间的平衡。八面体Co配合物则可通过配体选择调控电子分布。

**4.4.1.7 配位聚合物**

通过氧化低配位数双核金属-GFA配合物可合成链状聚合物，具半导体性质。Ag⁺连接的二价阳离子GFA单元形成弱导电链，热激活带隙约3 eV。含六胍基三亚苯的聚合物具有蜂窝层状结构。

**4.4.2 RAAs的配位化学**

**4.4.2.1 无N–H功能RAAs的配位化学**

全烷基化RAAs仅在还原中性态与金属配位，氧化即伴随金属-配体键断裂。Cu^II-RAA配合物在CH₃CN中不稳定，发生分子内配体-金属电子转移后分解。

**4.4.2.2 含N–H功能非对称RAAs的配位化学**

去质子化RAA配体可形成稳定的三氧化还原态配合物。同配位Cu^II配合物显示三种可逆氧化还原过程，氧化态电子分布可通过多种光谱和磁性方法表征。配合物在需氧醇氧化催化中表现良好。