【有机】湖南师范大学宋建新教授团队周明波研究小组Angew. Chem. ：铑催化[5+2]成环反应合成多个七元环稠合卟啉的研究

导语

卟啉是一类由四个吡咯基团经其α位与四个次甲基桥连而成的具有18π电子共轭体系的大环芳杂环化合物。人工合成的卟啉类似物在生物活性模拟、催化、染料、太阳能利用、光动力治疗等领域都扮演着重要的角色。研究表明通过修饰卟啉大环外围，可以改变卟啉的电子结构和分子的空间构型，进而实现精准调控其光电等性能的目的。近日，湖南师范大学宋建新教授团队周明波研究小组首次报道了铑催化卟啉类似物与炔烃的[5+2]成环反应，获得了系列七元环稠合卟啉，并对反应机理、光电性能以及芳香性等方面开展了研究，相关成果以“Efficient Synthesis of Multiply Seven-Membered-Ring Fused Porphyrins by Rhodium-Catalyzed [5+2] Annulation”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202209594）。

前沿科研成果

铑催化[5+2]成环反应合成多个七元环稠合卟啉的研究

在卟啉大环外围引入π电子组分，可有效地延伸分子的电子网，进而实现它们在近红外材料等领域的应用。在此背景下，卟啉化学家发展了诸多方法制备稠合π电子组分的卟啉类似物。然而已报道的方法通常面临多步反应、合成收率低、底物范围有限等问题，因而亟待开发新的合成方法。另一方面，相比五元、六元环，七元环的构建一直以来是合成化学中的一大挑战，然而七元环引入多环芳烃后，分子表现出更为灵活的空间、电子结构以及独特的性能。湖南师范大学宋建新教授团队周明波研究小组在前期工作的基础上，继续尝试以吡咯作为导向基团，通过铑催化吡咯取代卟啉与炔烃的[5+2]环化反应构建了一系列与七元环相稠合的新颖卟啉分子。该反应条件温和，操作简单，且一步实现了上述两个目标。
在反应条件优化过程中，作者拿到了关键中间体4aa’，并结合实验结果以及文献报道，推测该反应经历了Rh(I)/Rh(III)催化循环过程。值得注意的是，在这个过程中八元铑杂环物种可以通过旋转变成另一种八元铑环物种，因而最终能够同时构建一个七元碳环和一个七元氮环。

图1. 铑催化[5+2]成环反应合成七元环稠合卟啉的机理研究（来源：Angewandte Chemie International Edition）

获得最优反应条件后，作者对底物范围进行了研究。一系列芳基中间炔烃以及代表性的烷基中间炔烃在该催化体系下反应良好。不同的卟啉底物在该体系下也可以顺利得到对应的产物，其中包括一个亚卟啉底物。值得注意的是，利用具有四个“湾区”的卟啉分子与炔烃在上述催化体系下反应，可以得到顺式结构的包含四个七元环的卟啉分子7和8。随后的实验表明在10% H₂SO₄作用下Ni(II)卟啉5aa与5ba可以发生脱金属反应得到对应的自由碱型卟啉。它们与Zn(OAc)₂·2H₂O反应转化成相应的Zn(II)卟啉5ea和5ga。这些Zn(II)卟啉不稳定，例如在Zn(OAc)₂·2H₂O作用下5ga高效地转化成其二聚体9。对于Ni(II)卟啉5ba，经电催化氧化以87%的收率生成其二聚体10，并且它的结构经X射线单晶衍射分析确认。这些结果为高效、快速合成卟啉二聚体提供了温和的途径。

图2. 铑催化[5+2]成环反应合成七元环稠合卟啉的底物范围（来源：Angewandte Chemie International Edition）

X射线单晶衍射分析结果表明，相较于其前体，稠合一个或两个七元环的卟啉明显起褶皱，整个分子呈鞍型；而稠合四个七元环的卟啉分子则发生了明显的扭曲。

图3. 代表性化合物4aa、5aa、8及10的单晶图（氢原子、卟啉环上的芳基及溶剂分子均省去。黑色的是碳原子，蓝色的是氮原子，绿色的是镍原子）（来源：Angewandte Chemie International Edition）

与卟啉原料2a相比，随着稠合单元的增加，化合物的吸收峰发生红移，这说明稠合后卟啉的π电子体系获得了延伸。相比单体5ba，其二聚体10吸收峰红移并不明显，这是由二聚体中分子的两部分成垂直结构所致。
电化学测试显示单个七元环稠合卟啉4aa和4aa’的第一还原电势非常接近，分别在-1.81和-1.86 V，然而它们的氧化电势具有较大的差异，分别在0.29和0.09 V。双稠合卟啉5aa和5ba的第一氧化电势分别为0.09和0.11 V，还原电势均为-1.79 V。四个七元环稠合卟啉的第一氧化电势出现在-0.08 V，第一还原电势在-1.72 V。电化学HOMO-LUMO能级差按照2a（2.17 eV）> 4aa（2.10 eV）> 4aa’（1.95 eV）> 5aa（1.88 eV）> 5ba（1.90 eV）> 7（1.64 eV）的顺序依次减小。这个趋势和光谱HOMO−LUMO能级差相吻合。
DFT计算结果表明，化合物2a、4aa、4aa '、5aa和8的LUMO主要离域在Ni(II)卟啉母体上，而其HOMO则延伸到了七元环部分。与2a的HOMO能级相比，4aa、4aa’、5aa和8的HOMO能级分别抬高了0.22、0.36、0.46和0.78 eV，然而它们的LUMO能级却很接近。化合物2a、4aa、4aa’、5aa和8的计算HOMO-LUMO能级差分别为2.81、2.60、2.46、2.38和2.16 eV，这与前面提及的光谱和电化学HOMO-LUMO能级差结果一致。
比较2a-FB、5da、2a和5aa的核磁氢谱发现：5da的环内NH明显的向低场移动，而卟啉环外围的吡咯质子明显的向高场移动。此外与原料2a相比，5aa的卟啉环中的吡咯质子也向高场移动。这些变化表明，卟啉外围稠合七元环后芳香性减弱，这与NICS(0)值给出的结论一致。
总结：作者以吡咯作导向基团，通过铑催化吡咯取代的卟啉与炔烃的[5+2]成环反应合成了一系列外围稠合一个、两个甚至四个七元环的新颖卟啉分子，并发展了在温和条件下高效构建Zn(II)卟啉和Ni(II)卟啉二聚体的方法。在获得关键中间体和相关实验结果的基础上，作者提出了反应的可能机理。该反应首次以卟啉为底物，运用铑催化策略实现其与炔烃的[5+2]成环反应，这为七元环在卟啉及其他多环芳烃体系中的构建开辟了一条有效途径。

该工作发表在德国应用化学上（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, e202209594），舒慧和郭梦杰为论文的共同第一作者；通讯作者为周明波副教授及宋建新教授（论文作者：Hui Shu、Mengjie Guo、Machongyang Wang、Mingbo Zhou、* Bixiang Zhou、Ling Xu、Yutao Rao、Bangshao Yin、Atsuhiro Osuka and Jianxin Song*）。上述研究工作得到了国家自然科学基金委、湖南省自然科学基金以及湖南省创新团队等项目的资助。

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宋建新教授团队简介

宋建新教授团队自2011年成立以来，一直从事卟啉类功能分子的设计、合成与组装方面的研究。基于卟啉的研究工作已在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际高水平学术期刊发表论文40余篇。

宋建新教授简介

宋建新，湖南师范大学化学化工学院教授，博士生导师，科研副院长。2014年遴选为湖南省普通高校学科带头人培养对象；2019年入选湖南省“芙蓉学者奖励计划”特聘教授。主要研究方向包括：卟啉纳米分子、卟啉类似物的设计、合成与性能研究；新颖杂环共轭体系的设计、合成与性能研究；光电转换材料、抗癌药物的合成与筛选。主持多项国家自然科学基金以及湖南省创新团队等项目。

周明波副教授简介

周明波，湖南师范大学化学化工学院副教授，硕士生导师。2015年7月至今任职于湖南师范大学；2017获得湖南省优秀博士论文；2018年获得湖南省自然科学一等奖（第三完成人）。2020年获得湖南省普通高校教师课堂教学竞赛二等奖。主要研究方向包括：合成中等杂环以及螺杂环化合物；构建并应用以卟啉为基础的结构新颖、性能独特的有机功能分子。主持多项国家自然科学基金、湖南省自然科学基金以及长沙市科技局项目。

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