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華東理工大學(xué)劉培念課題組Angew. Chem.[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng):直接從異腈合成氮雜

來(lái)源:化學(xué)加      2022-03-21
導(dǎo)讀:軸烯是一類含有環(huán)外雙鍵的星形環(huán)狀分子,具有交叉共軛的π-電子結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出區(qū)別于共軛烯烴的獨(dú)特光電性質(zhì)。三軸烯是最小的軸烯,具有平面結(jié)構(gòu),是苯環(huán)的異構(gòu)體,但其π-電子共軛模式不同,是研究共軛效應(yīng)與分子功能之間關(guān)系的代表性結(jié)構(gòu)基元。由于三元碳環(huán)的高張力,熱力學(xué)上形成三元碳環(huán)不利,三軸烯及其衍生物的高效合成是合成化學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。

目前已報(bào)道的合成策略主要有兩種:1)直接在含有三元碳環(huán)的分子骨架中引入環(huán)外雙鍵;2)通過(guò)預(yù)先合成的偕二鹵代烯烴的逐步脫鹵偶聯(lián)形成三元碳環(huán)。盡管這兩種合成策略均能實(shí)現(xiàn)三軸烯的合成,但是需要冗長(zhǎng)的多步合成,并且生成三軸烯的總產(chǎn)率較低。

在理想情況下,通過(guò)不飽和基團(tuán)的[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)可以直接合成三軸烯。然而,目前[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)還沒(méi)有被報(bào)道,其主要的挑戰(zhàn)是:1)如何控制三個(gè)反應(yīng)物分子中具有高構(gòu)象自由度的不飽和基團(tuán)處在同一平面,并且可以協(xié)同生成三個(gè)C–C鍵;2)如何調(diào)控反應(yīng)物的反應(yīng)路徑僅產(chǎn)生三元碳環(huán)結(jié)構(gòu)。

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圖1. 通過(guò)表面[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)合成氮雜[3]軸烯

近日,華東理工大學(xué)劉培念教授/李登遠(yuǎn)副教授團(tuán)隊(duì)和國(guó)家納米中心的裘曉輝研究員/劉夢(mèng)溪副研究員團(tuán)隊(duì)及河北大學(xué)的石興強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)合作,針對(duì)[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)的難點(diǎn),提出降維合成的方法。即在金屬單晶表面進(jìn)行[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng),利用二維表面的限域效應(yīng)降低反應(yīng)物分子中不飽和基團(tuán)的構(gòu)象自由度,使反應(yīng)基團(tuán)的HOMOs和LUMOs共平面,加速環(huán)加成反應(yīng)的發(fā)生。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展了取代基團(tuán)位阻調(diào)控策略,發(fā)展出高選擇性的一步生成三元碳環(huán)的[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng),率先實(shí)現(xiàn)了異腈前體分子向氮雜三軸烯的定向轉(zhuǎn)化(圖1)。

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圖2. 基于DCICB的[1+1+1]環(huán)加成在Ag(111)上合成氮雜三軸烯分子基元

首先,選用1,4-二氯-2-異氰苯(DCICB)為反應(yīng)前體分子,Ag(111)為限域表面。在超高真空條件下,將DCICB蒸鍍到室溫的Ag(111)基底上,通過(guò)掃描隧道顯微鏡(STM)和非接觸原子力顯微鏡(nc-AFM)在超高的化學(xué)鍵分辨率下對(duì)[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)的實(shí)空間精確表征,并通過(guò)飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)確定了產(chǎn)物的分子量,結(jié)合密度泛函理論(DFT)計(jì)算證實(shí)了產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體構(gòu)型(圖2)。

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圖3. 表面[1+1+1]環(huán)加成的協(xié)同反應(yīng)路徑

在確定了[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)產(chǎn)物的幾何結(jié)構(gòu)和立體構(gòu)型基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算模擬了兩種可能的反應(yīng)路徑,即通過(guò)協(xié)同或逐步反應(yīng)形成三個(gè)C–C鍵。兩個(gè)反應(yīng)路徑的初態(tài)均是前體分子DCICB通過(guò)分子間弱相互作用組裝形成的同手性三聚體,其平面吸附構(gòu)象和同向構(gòu)型促進(jìn)了異氰基末端碳的HOMO和LUMO之間的相互作用,有利于形成前線軌道理論中對(duì)稱性允許的過(guò)渡態(tài)。對(duì)于協(xié)同反應(yīng)路徑,DFT計(jì)算顯示形成三個(gè)C–C鍵的能壘為1.06 eV,平均形成一個(gè)C–C鍵的能壘為0.35 eV(圖3)。對(duì)于逐步反應(yīng)路徑,逐個(gè)形成C–C鍵的最高能壘是0.45 e V,而同時(shí)形成兩個(gè)C–C鍵的能壘是0.79 eV,平均形成一個(gè)C–C鍵的能壘為0.39 eV。此外,[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)是一個(gè)放熱的過(guò)程,總能量降低約2 eV??紤]到形成每個(gè)C–C鍵的能壘都很低,因此在室溫的反應(yīng)條件下兩種反應(yīng)路徑都是可行的。

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圖4. 基于DCDICB的[1+1+1]環(huán)加成在Ag(111)上合成二維氮雜三軸系分子體系

為了合成由氮雜三軸烯分子基元組成的二維分子體系,作者進(jìn)一步設(shè)計(jì)合成了包含有兩個(gè)異氰基的前體分子1,4-二氯-2,5-二異氰苯(DCDICB)。將DCDICB沉積在Ag(111)表面上形成了具有三角孔型二維結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步通過(guò)STM、nc-AFM和DFT的結(jié)合,確定了三角孔型結(jié)構(gòu)是由氮雜三軸烯分子基元通過(guò)三重對(duì)稱的C3?Ag聯(lián)接結(jié)構(gòu)形成了金屬-有機(jī)網(wǎng)格(圖4)。此外值得注意的是,在三角孔型金屬-有機(jī)網(wǎng)格的邊界處,也觀察到了由多個(gè)氮雜三軸烯分子基元共價(jià)連接的低聚物。

相關(guān)成果近期以“On-Surface Synthesis of [3]Radialenes via [1+1+1] Cycloaddition”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2022, doi/10.1002/anie.202117714. 該研究工作建立的[1+1+1]環(huán)加成反應(yīng)新模式,為發(fā)展高選擇性的表面環(huán)化反應(yīng)提供了新思路,并為表面合成新型低維納米分子體系提供了新的途徑。

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202117714


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