环戊烷-1,2,4-三酮单元嵌入卟啉骨架：meso-四芳基-2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉的头对头二聚化及其分子枢轴铰链动力学

《Organic Chemistry Frontiers》：A cyclopentane-1,2,4-trione moiety entrapped in a porphyrin scaffold: head-to-head dimerization of meso-tetraaryl-2,3,21-trioxo-21-carbaporphyrinOpen Access

　　

研究人员用三氟乙酸银(I)或[双(三氟乙酰氧基)碘]苯(PIFA)处理meso-四芳基-21-咔咯卟啉，得到了meso-四芳基-2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉。2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉的显著抗磁环效应(diatropicity)可从¹H NMR谱中看出，该谱显示β-吡咯质子的显著低场位移和NH质子的高场位移，反映了强烈的芳香环电流效应。在环骨架中引入环戊烷-1,2,4-三酮单元，促成了前所未有的头对头手性二聚体的形成，该二聚体通过分子间N–H?O氢键连接，涉及三酮单元和位于配偶分子卟啉样空腔中的NH氢。该二聚体充当分子枢轴铰链，可通过平面铰链式运动实现对映异构化。该运动围绕一条穿过C5和C5′三酮环质心的枢轴进行。研究人员采用动态NMR线形分析研究了对映异构化过程。通过Eyring分析提取了速率常数，得到活化参数(ΔH? = +28.9 ± 2.1 kJ mol^?1，ΔS? = ?48.7 ± 10.9 J mol^?1 K^?1，ΔG?₂₉₈ = +43.1 ± 5.4 kJ·mol^?1)。研究人员还研究了2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉的可逆二聚化反应，并测定了平衡常数(K)随温度的变化关系。对这些数据进行van't Hoff分析，得到如下热力学参数：ΔH° = ?62.9 ± 1.3 kJ mol^?1，ΔS° = ?173 ± 4 J mol^?1 K^?1。

**环戊烷-1,2,4-三酮单元嵌入卟啉骨架：meso-四芳基-2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉的头对头二聚化及其分子枢轴铰链动力学**

卟啉类化合物的骨架功能化是调节其电子结构和自组装行为的重要手段。传统策略依赖于特定前体的设计合成，而后期功能化策略相对较少。21-咔咯卟啉(21-carbaporphyrin)是将卟啉骨架中一个吡咯烯亚胺氮替换为三配位碳原子的一类咔咯卟啉(porphyrinoid)，其独特的骨架反应性使得多种碳环重排成为可能。已有研究发现环戊二烯相关单元可作为金属苯并卟啉重排的中间体或产物，Lash课题组也曾报道β-烷基取代的21-咔咯卟啉可通过脱羰和氧化转化为含三氧环戊烷单元的2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉。然而，meso-芳基取代的21-咔咯卟啉能否发生类似氧化转化尚不明确。此外，咔咯卟啉二聚体的构筑多依赖共价连接，而通过氢键驱动的头对头二聚化模式在此类体系中仍属空白。本研究旨在探索meso-四芳基-21-咔咯卟啉的氧化转化，并研究所得三氧代产物在溶液和固态中的二聚行为及其动力学。

研究人员通过两种氧化条件成功实现了这一转化，并系统研究了产物的结构、芳香性、二聚化行为及对映异构化过程。该工作首次将环戊烷-1,2,4-三酮单元引入meso-四芳基咔咯卟啉骨架，发现其形成前所未有的氢键驱动头对头手性二聚体，该二聚体可作为分子枢轴铰链实现可逆对映异构化。相关动力学和热力学参数的获得为理解咔咯卟啉的自组装行为提供了新见解，也为设计分子机器和手性超分子体系提供了新思路。

在技术方法方面，研究人员采用两种氧化条件处理meso-四芳基-21-咔咯卟啉：三氟乙酸银(I)和PIFA，其中PIFA产率更高(43%)。利用UV-Vis、¹H/¹³C NMR、高分辨质谱(HRMS)和X射线单晶衍射对产物进行了结构表征。使用变温核磁共振(VT-NMR)研究低温下的二聚化过程，并通过动态NMR线形分析(DNMR)研究对映异构化动力学，结合Eyring分析获得活化参数，通过van't Hoff分析获得二聚化热力学参数。此外进行了DFT计算(包括NICS计算和化学位移计算)来验证分子结构和芳香性。

**合成与表征方面。** 研究人员用meso-四芳基-21-咔咯卟啉1与三氟乙酸银反应得到银(III)配合物1-Ag，再用过量三氟乙酸银或PIFA处理1，得到目标产物meso-四芳基-2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉5。UV-Vis光谱显示Soret带位于439 nm，三个Q带分别位于552、600和653 nm，符合芳香性咔咯卟啉的特征。¹H NMR谱中β-吡咯质子显著低场位移(8.35–8.72 ppm)，NH质子高场位移(1.42和?4.75 ppm)，表明存在强烈的芳香环电流效应。¹³C NMR检测到C(21)和C(2)、C(3)羰基碳信号(186和178.8 ppm)。该化合物可用共振杂化形式5A（酮式）、5B和5C（电荷分离式）描述，其中电荷分离形式5B/5C提供了18π电子离域路径，解释了其显著的芳香性。

**分子结构方面。** X射线衍射分析确认化合物5采取鞍型构象，三酮单元与meso碳平面(C4平面)的二面角为?30.5°。C21=O键长为1.234(5) ?，周边C=O键长为1.263(4)和1.246(4) ?。Cα–Cmeso距离的平均化(1.389–1.426 ?)进一步支持其芳香性。晶体中5以头对头二聚体[5]₂形式存在，通过四个分子间N–H?O氢键(N22–H22?O3′、N24–H24?O3′、N22′–H22′?O3、N24′–H24′?O3)稳定，整体具有C₂对称性的螺旋手性。两亚单元的C4平面近乎平行(二面角约5.3°)，C5平面间距3.2 ?，上下三酮环呈重叠构象。

**溶液中的二聚结构方面。** 变温¹H NMR实验表明，在182 K的二氯甲烷-d₂中可观察到二聚体[5]₂的特征谱图。环电流效应分析显示，5-甲苯基和20-甲苯基质子相对单体发生明显高场位移，10-甲苯基质子发生低场位移，15-甲苯基影响可忽略，这些位移的幅度和方向与固态结构中的几何关系一致，证明溶液中也存在相同的头对头二聚结构。

**分子枢轴铰链方面。** 二聚体[5]₂可视为一个分子枢轴铰链，两个三氧代咔咯卟啉叶片通过四个氢键和π–π相互作用维持，可绕穿过C5和C5′三酮环质心的枢轴进行平面铰链式摆动，实现[5]₂-P ? [5]₂-M的对映异构化。该过程伴随5-甲苯基?20-甲苯基、10-甲苯基?15-甲苯基、H7?H18、H8?H17、N22H?N24H等共振信号的交换。

**对映异构化动力学方面。** 利用动态NMR线形分析模拟N(22)H–N(24)H和H12–H13两组动态交换信号，通过Eyring分析得到活化参数：ΔH? = 28.9 ± 2.1 kJ mol^?1，ΔS? = ?48.1 ± 10.9 J mol^?1 K^?1，ΔG?₂₉₈ = 43.1 ± 5.4 kJ mol^?1。负的活化熵表明过渡态较基态更为有序，与铰链式协同运动机制相符。NOESY/ROESY实验排除了解离/再缔合机制。

**二聚化热力学方面。** 通过在快交换和慢交换区域分别测定单体与二聚体的摩尔分数，研究人员获得了二聚化平衡常数K随温度的变化关系。van't Hoff分析得到二氯甲烷-d₂中ΔH° = ?41.4 ± 0.9 kJ mol^?1，ΔS° = ?120 ± 4 J mol^?1 K^?1；甲苯-d₈中ΔH° = ?62.9 ± 1.3 kJ mol^?1，ΔS° = ?173 ± 4 J mol^?1 K^?1。两者的差异归因于溶剂极性的不同。

**DFT研究方面。** DFT优化确认酮式异构体5-A能量最低(0 kcal mol^?1)，烯醇式5-B和5-C分别高19.6和14.3 kcal mol^?1。NICS(0)计算值为?17.5 ppm，支持5-A的芳香性。计算得到的¹H化学位移与实验值吻合良好，特别是重现了二聚体中5-甲苯基的高场位移和10-甲苯基的低场位移特征。

在讨论部分，研究人员指出，常规卟啉的聚集通常归因于π–π堆叠、π–H相互作用、离子配对和范德华力，而meso-四芳基-2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉二聚体展示了一种根本不同的、由氢键驱动的二聚化机制。与需要共价桥连或配位键连接的二卟啉体系不同，该体系通过N–H?O氢键自发形成具有螺旋手性的面对面二聚体。

研究结论部分可翻译为：meso-四芳基-21-咔咯卟啉1的转化同时作用于大环周边和内芯，导致21-咔咯卟啉骨架化学性质的显著改变，得到具有显著大环芳香特征的meso-四芳基-2,3,21-三氧代-21-咔咯卟啉。环戊烷-1,2,4-三酮单元的引入使得前所未有的头对头手性二聚体得以形成，该二聚体通过分子间N–H?O氢键连接，涉及大环核心的NH氢与指向配偶分子咔咯卟啉空腔的三酮氧原子。这一二聚体在对映异构化过程中充当分子枢轴铰链。