四阳离子卤键折叠体

《ChemComm》：A tetracationic halogen bonding foldamerOpen Access

　　

报道了一种四齿阳离子卤键（XB）折叠体，以及一种三阳离子类似物。该四重碘代三唑鎓基体系由双（碘代炔烃）与两当量芳香叠氮化物制备，补充了现有合成路径。卤键供体的阴离子结合能力已在卤化物提取基准反应中得到评估。

卤键（halogen bonding, XB）是涉及卤素原子作为亲电中心的非共价相互作用，近年来在晶体工程、有机催化、材料化学、光电子学和药物设计等领域受到广泛关注。在众多XB供体单元中，碘代三唑（iodotriazole）及其季铵化形式碘代三唑鎓（iodotriazolium）因其可调谐的Lewis酸性和合成可及性而成为重要骨架。已有文献报道了中性四（碘代三唑）折叠体、手性类折叠体XB供体以及大环四齿阴离子受体，但四阳离子四（碘代三唑鎓）基的“类折叠体”XB供体此前尚未见诸报道，尽管其具有强阴离子结合潜力。为此，研究人员设计并合成了四齿四阳离子XB供体10^2I-2I/BArF₄及三齿三阳离子类似物13/BArF₄，并通过卤化物提取基准反应评估了其阴离子结合与碳–溴键活化性能。该研究发表在《ChemComm》上。

研究人员从商品化3-氨基苯乙炔5出发，经一锅碘化/铜催化的叠氮–炔环加成（CuAAC）反应转化为碘代三唑6I（收率72%），再经重氮化叠氮化得到芳香叠氮7I。随后，以1,3-双（碘乙炔基）苯8I与两当量7I进行第二次CuAAC反应，构建中性四（碘代三唑）前体9^2I-2I（收率80%）。通过使用非碘代中心二炔和/或非碘代侧臂，还合成了部分碘代化合物9^2I-2H（67%）和四重氢键供体9^2H-2H（84%）。甲基化后用非配位的大体积BArF₄^?阴离子进行交换，得到目标四阳离子XB供体10^2I-2I/BArF₄（93%）、部分碘代10^2I-2H/BArF₄（84%）及氢键类似物10^2H-2H/BArF₄（98%）。此外，通过8I与辛基叠氮的选择性单CuAAC反应制得单碘代三唑11（45%），其单晶X射线衍射分析显示固态中炔基碘与三唑氮之间存在强卤键（I···N距离分别为2.97 ?和3.10 ?）。11再与7I进行第二次CuAAC得到中性三（碘代三唑）12（85%），同样经甲基化和阴离子交换获得三阳离子XB供体13/BArF₄。该项合成路线避免了使用潜在危险的二叠氮中间体，各步收率均较高。

关键技术方法包括：铜催化的叠氮–炔环加成（CuAAC）反应构建三唑骨架；一锅碘化/叠氮化官能团转化；三氟甲磺酸甲酯甲基化及BArF₄阴离子交换；单晶X射线衍射（XRD）用于固态卤键结构表征；核磁共振（NMR）波谱技术实时监测基准反应动力学。

在卤化物提取活性评估中，研究人员采用二苯甲基溴（14）在CD₃CN中的溶剂解作为标准基准反应，并以已知双齿XB供体16/BArF₄为参考。结果表明，四齿XB供体10^2I-2I/BArF₄表现出最高的键活化能力：反应12小时后生成78%的乙酰胺产物15，而三齿13/BArF₄和双齿16/BArF₄分别为65%和31%。初始速率常数（k_rel）显示，10^2I-2I/BArF₄约是16/BArF₄的7.2倍，13/BArF₄约为4倍。对照实验显示，部分碘代的10^2I-2H/BArF₄在同样条件下得到58%产物，k_rel为4；而纯氢键类似物10^2H-2H/BArF₄仅产生5%的产物。这清晰表明碘代卤键位点对活化至关重要，且核心位置的两个碘代三唑鎓贡献最大。进一步实验发现，当使用0.5当量的10^2I-2I/BArF₄（与1当量16/BArF₄所含卤键位点数目相同）时，其活性仍高于双齿参考，说明四个阳离子卤键单元的协同结合以及整体更高的正电荷对溴离子的结合具有增益效应。

讨论部分指出，四齿XB供体活性优于三齿和双齿，支持多价卤键协同活化；部分碘代四阳离子供体活性与三齿相当，可能源于四阳离子骨架的更高电荷或未碘代三唑鎓基团的氢键贡献，抑或二者共同作用。纯氢键类似物初始阶段反应速率较慢（曲线呈S形）的原因尚不明确。研究结论为：研究人员开发了一种高产率合成四齿和三齿碘代三唑鎓基XB供体的新路径，与现有协议相比，该方法避免了使用潜在危险的二叠氮中间体。通过在卤化物提取基准反应中的评估，四重卤键阳离子单元的协同作用使反应速率显著高于三齿和双齿体系；二碘代四（三唑鎓）类似物则表现出与三齿供体相当的活性，这可能归因于氢键作用或整体更高的电荷。该研究为设计高效多齿卤键供体提供了新策略，拓展了类折叠体XB催化剂的结构空间。