【人物与科研】辽宁大学梁福顺教授课题组：电子给-受体复合物引发、可见光促进的含氟氮杂环的构建

导语

含氮杂环化合物广泛存在于自然界中，如中草药中的有效成分生物碱、镇痛的吗啡、抗虐疾的奎宁、抗癌的喜树碱、治疗高血压的利血平等。统计显示，约30%的杂环化合物是氮杂环。另一方面，由于氟原子的原子半径较小（1.47 Å）且电负性最大（χ_p=4.0），所以向分子中引入氟单元会大大改善分子的亲脂性、膜渗透性、代谢稳定性以及药理和生物活性。就材料而言，引入含氟基团能够有效调控分子的能级、激发态性质和堆积特性。因此，含氟氮杂环的合成及性质研究得到了广泛关注。

近期，辽宁大学梁福顺教授课题组围绕电子给-受体复合物引发的、可见光促进的有机反应展开研究（图1）。2017年，研究人员通过“一锅多组分”[2+1+3]环化反应，实现了含氟嘧啶的构建（Org. Lett. 2017, 19, 2358）。研究表明，烯醇负离子与多氟烷基卤之间可以有效地形成电子给-受体复合物。在此研究基础之上，研究人员通过外加具有C、N双亲核特性的有机碱DBU，合成了具有聚集诱导发光（AIE）性质的氮杂并三环类化合物（Org. Biomol. Chem. 2018, 16, 8950）。近日，研究人员实现了可见光促进的双胍底物与多氟烷基碘之间的[5+1]环化，合成了6-多氟烷基均三嗪产物（Org. Lett. 2019, DOI: 10.1021/acs.orglett.9b00655）。

图1. 电子给-受体复合物引发的含氟杂环的构建

梁福顺教授简介

梁福顺，教授，博士生导师。辽宁大学有机发光材料研究院院长。2002年在中国科学院长春应用化学研究所取得博士学位；2003-2005年在早稻田大学开展博士后研究（日本学术振兴会（JSPS）奖学金资助）；2007-2008年，在加拿大国家研究院开展访问研究（加拿大NSERC奖学金资助）。2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2005年5月至2016年8月在东北师范大学化学学院工作。2016年8月转入辽宁大学化学院工作。

梁福顺教授已在国内外著名学术刊物上发表论文70余篇，被引用超过1600次。共承担国家自然科学基金面上项目3项。代表性论文有：J. Am. Chem. Soc. 1篇；Angew. Chem. Int. Ed. 1篇；Chem. Commun. 7篇；Org. Lett. 14篇；Chem. Mater. 1篇；Macromolecules 1篇；App. Phys. Lett. 1篇。

梁福顺教授课题组简介

目前，课题组共有博士生3人，硕士生7人。科研兴趣集中在新反应、新材料的开发及新概念的建立。具体包括：可见光催化的有机新反应和有机光电材料。已经取得了阴离子接力串联（J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 1781）、利用d-pπ键延长有机室温磷光材料寿命（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201901546）、卤键活化的N-卤代酰亚胺做胺化试剂（Org. Lett., 2012, 14, 4202）以及基于激发态分子内质子转移（ESIPT）的电致发光（Appl. Phys. Lett., 2002, 81, 4）等一系列标志性成果。

前沿科研成果

电子给-受体复合物引发、可见光促进的含氟氮杂环的构建

三嗪类衍生物的研究始于20世纪50年代中期，是许多具有生物活性和药物活性天然产物的结构单元，广泛应用于除草、杀菌、抗病毒等医药、农药领域。由于三嗪本身固有的特点，也可以在光电材料、阻燃材料、紫外线阻挡材料、含能材料及多孔材料中得到应用（图2）。因此，其合成方法受到广泛的关注。

图2. 代表性的功能化三嗪的结构

（来源：Org. Lett.）

双胍由于自身的结构特点，可以很好地作为合成三嗪的前体。先前报道的基于双胍底物的三嗪合成，大部分是基于热引发的反应，比如双胍与合适的酯的酰化/环化（图3a），以及过渡金属催化的双胍与合适的醇或二卤代烯烃的反应（图3b，c）。近日，梁福顺教授课题组在前期工作的基础上，实现了可见光促进的双胍底物与多氟烷基碘之间的[5+1]环化，合成了6-多氟烷基均三嗪产物（图3d）。随后，作者对这一反应进行了深入研究。

图3. 代表性的合成三嗪的方法

（来源：Org. Lett.）

首先，作者以盐酸二甲双胍和全氟碘代丁烷为模型底物来优化反应条件。在获得最佳反应条件后，作者进一步对底物范围进行了拓展。不同的双胍底物（表1）和多氟烷基碘（表2）都能很好地兼容。更为重要的是，该反应可用于药物分子中常见的三氟甲基的引入（产物4a）。

表1 双胍的底物范围

（来源：Org. Lett.）

表2 多氟烷基卤的底物范围
（来源：Org. Lett.）

为了进一步展示该方法的实用性，作者合成了具有苗期除草活性的分子5和双三嗪产物6（图4）。

图4. 方法的拓展

（来源：Org. Lett.）

为了探究反应的历程，作者进行了紫外-可见吸收光谱（图5a，b）及量子产率测试（图5c，d）等一系列对照实验。结果表明，在可见光激发下，底物分子间电子给-受体复合物的形成及单电子转移是反应的关键。

图5. 对照实验

（来源：Org. Lett.）

基于上述对照实验，作者提出了可能的反应机理（图6）：首先，双胍阴离子I与全氟碘代丁烷1a形成电子给-受体复合物II，其在可见光激发下得到三重激发态II*；然后，II*经由单电子转移形成双胍自由基III和自由基阴离子Ⅳ；III和Ⅳ再经过自由基复合得到中间体V；最后，V经消除HF、6π电环化及芳构化得到目标产物。

图6. 可能的反应机理

（来源：Org. Lett.）

总结：该研究发现双胍阴离子可以和多氟烷基碘之间形成电子给-受体复合物，在无光敏剂及过渡金属催化剂的情况下，利用可见光促进的[5+1]环化策略，成功合成了6-多氟烷基均三嗪。作者进一步研究发现：可见光和空气中的氧气分别扮演了促进三重激发态产生以及“电子梭”的角色，总结：该研究发现双胍阴离子可以和多氟烷基碘之间形成电子给-受体复合物，在无光敏剂及过渡金属催化剂的情况下，利用可见光促进的[5+1]环化策略，成功合成了6-多氟烷基均三嗪。作者进一步研究发现：可见光和空气中的氧气分别扮演了促进三重激发态产生以及“电子梭”的角色，从而使该串联反应得以顺利进行。相关成果发表在Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b00655）上，东北师范大学博士研究生汪锐为该论文的第一作者。通讯作者是沈阳化工大学任保轶副教授和辽宁大学梁福顺教授。

关于人物与科研

在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。欢迎联系：[e-mail]