由单向酰胺键构成的螺烯类似物的直接芳基化方法

《ACS Omega》：A Direct Arylation Approach for Helicene Analogues Composed of Unidirectional Amide Linkages

　　

含酰胺键的[5]螺烯和[7]螺烯类似物分别通过钯催化的卤代线性二酰胺和三酰胺的2倍和3倍直接分子内芳基化反应合成。这些螺烯类似物中酰胺键的取向被设计为与螺烯的螺旋方向一致。在线性三酰胺前体的末端苯胺单元的3-位引入甲基对于[7]螺烯类似物的合成至关重要。通过单晶X射线衍射分析明确确定了[5]螺烯和[7]螺烯类似物在晶态下的分子结构。向[7]螺烯类似物的二氯甲烷溶液中加入三氟乙酸（TFA）增加了荧光强度，而吸收强度保持不变。通过手性固定相高效液相色谱（HPLC）分离了[7]螺烯类似物的对映体。这些对映体表现出具有较大发光不对称因子的圆偏振发光（CPL）。

**论文解读：由单向酰胺键构成的螺烯类似物的直接芳基化合成与性质**

**研究背景与问题提出**

碳螺烯（carbohelicene）及含杂原子的螺烯状分子因其扭曲的π共轭结构而展现出独特的光电性质和手性光学特性，近年来受到广泛关注。合成这类结构的方法已有多种报道，包括光环化、Friedel–Crafts酰化、Diels–Alder反应、[2+2+2]环加成以及直接芳基化等。其中，芳香酰胺是构建分子架构的常用基元，已有研究利用酰胺键构建构型稳定的螺旋结构，并合成了含一个或两个酰胺键的螺烯类似物。然而，合成含有三个酰胺键且其取向与螺烯螺旋方向完全一致的类似物仍是一项挑战。目前，含酰胺键的螺烯类似物的圆偏振发光（CPL）光谱尚未有报道。因此，研究人员旨在开发一种通过直接分子内芳基化策略，构建由单向酰胺键组成的螺烯类似物的方法，并系统研究其结构、光物理性质及手性光学性能。

**研究方法与技术路线**

研究人员采用的主要关键技术方法包括：钯催化直接分子内芳基化反应（使用Pd(OAc)₂和PPh₃等配体，以K₂CO₃或Ag₂CO₃为碱），通过优化反应条件（温度、浓度、配体）实现线性二酰胺和三酰胺前体的环化；单晶X射线衍射分析用于确定最终产物的固态分子结构；手性高效液相色谱（HPLC）在Chiralpak IC手性固定相上分离对映体；圆二色（CD）光谱和圆偏振发光（CPL）光谱用于表征手性光学性质；时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）计算辅助指认螺旋手性。研究中未涉及特定样本队列来源。

**研究结果**

**2.1. 合成**

研究人员首先以线性二酰胺3为前体，优化了直接分子内芳基化条件。在Pd(OAc)₂（0.4 equiv）、PPh₃（0.8 equiv）和K₂CO₃（4 equiv）于80 °C反应44小时，得到[5]螺烯类似物1，产率73%。同时分离出钯配合物10，其结构由X射线衍射确认。随后，尝试合成[7]螺烯类似物2a，但线性三酰胺4a在相同条件下未生成目标产物，而是得到苯并[ghi]苝类似物13（产率17%）。研究人员推测，这是由于末端2-碘苯胺单元3-位的C–H键发生了副反应。为抑制该副反应，在4a的末端苯胺3-位引入甲基，得到前体4b。进一步优化4b的反应条件（降低初始浓度至5.0 mmol/L，使用Pd(OAc)₂、PPh₃和K₂CO₃，80 °C），获得[7]螺烯类似物2b，产率26%。使用dppp/PBu₃配体与Ag₂CO₃碱的组合，产率提升至29%。副产物15的结构也被X射线衍射确认，其形成源于C环与D环甲基之间的反应。

**2.2. 结构与性质**

单晶X射线衍射分析表明，2b具有螺旋结构，其末端苯环重叠，且二面角为17.3°，小于碳[7]螺烯（30.7°–33.8°），但接近六氢[7]螺烯。在氯仿中，2b的吸收峰位于260 nm和298 nm，肩峰在403 nm；荧光发射峰在488 nm，肩峰在416 nm，荧光量子产率（Φ）为3%。向2b的二氯甲烷溶液中加入2000 equiv的三氟乙酸（TFA）后，荧光强度显著增强，量子产率升至12%，而吸收强度基本不变，研究人员推测TFA与酰胺键氧原子间的氢键抑制了系间窜越。通过手性HPLC分离出2b的对映体，其比旋光度[α]为+1405（c=0.10 g/dL，CHCl₃）。CD光谱显示镜像关系，结合TD-DFT计算将(+)-2b指认为(P)-螺旋。CPL光谱同样呈现镜像关系，(+)-2b在508 nm处的最大发光不对称因子g_lum为8.4×10^–3，该值大于碳[7]螺烯，与四氮杂[7]螺烯相当。

**讨论与结论**

本文发展了通过钯催化直接分子内芳基化构建含单向酰胺键的螺烯类似物的合成方法。通过优化反应条件及引入甲基阻断副反应，成功合成了[5]螺烯和[7]螺烯类似物，并对其晶体结构和手性光学性质进行了系统表征。研究结论如下：通过Pd(OAc)₂和PPh₃在80 °C下对二酰胺3进行直接分子内芳基化，以73%产率获得[5]螺烯类似物1。三酰胺4a的相同反应因末端2-碘苯胺单元3-位的副反应未生成[7]螺烯类似物2a。在3-位引入甲基可抑制副反应，甲基化三酰胺4b的分子内直接芳基化以29%产率得到目标[7]螺烯类似物2b。2b单晶的X射线衍射分析揭示了其螺旋结构。向2b的二氯甲烷溶液中加入2000 equiv TFA可增强荧光强度，而吸收强度不受影响。通过手性拆分获得对映体(+)-2b和(?)-2b，其CD和CPL光谱呈镜像关系，(+)-2b在508 nm处的g_lum值为8.4×10^–3。该研究为构建含酰胺键的螺烯结构提供了新策略，相关手性光学性质的研究拓展了螺烯类似物在光电材料领域的应用前景。论文发表在《ACS Omega》。