【有机】中科大王官武教授课题组：装饰提篮状分子的电合成：[60]富勒烯稠合12元大环内酯

导语

富勒烯衍生物在生命科学和材料科学领域具有广阔的应用前景，新型富勒烯衍生物的合成是富勒烯表面改性领域的重要研究方向。近日，中国科学‍技术大学王官武教授课题组通过电化学还原[60]富勒烯稠合6元内酯，并与1,2-二(1-溴烷基)苯反应进行扩环，首次高效地合成了装饰提篮状分子：[60]富勒烯稠合12元大环内酯。作者通过理论计算阐明了所得大环内酯的异构分布，通过单晶X-射线衍射确认了产物结构。相关成果在线发表于Org. Lett. 2022, 24, 5530−5534（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01948）。

图1. 装饰提篮状分子的电合成（图片来源：Org. Lett.）

前沿科研成果

装饰提篮状分子的电合成：[60]富勒烯稠合12元大环内酯

具有新颖分子结构的富勒烯衍生物一直吸引着科学家们的兴趣。例如，哑铃状的C₁₂₀（Nature 1997, 387, 583–586）、降落伞状富勒烯-卟啉二元化合物（J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 11599–11600）、羽毛球状五芳基[60]富勒烯（Nature 2002, 419, 702–705）和领结状十芳基[60]富勒烯（J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17058–17059）已被合成。近日，中国科学技术大学王官武教授课题组在先前[60]富勒烯电化学领域研究基础上（Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 3006–3010; Chem. Sci. 2019, 10, 3012–3017; Org. Lett. 2019, 21, 7346–7350; Chem. Sci. 2020, 11, 384−388; Research 2020, 2020, 2059190），通过电化学还原[60]富勒烯稠合内酯，使C–O键断裂形成开环二负离子，随后与1,2-二(1-溴甲基)苯或1,2-二(1-溴乙基)苯反应形成C–O和C–C键，首次高效合成了装饰提篮状的[60]富勒烯稠合12元大环内酯（图2）。

图2. 装饰提篮状[60]富勒烯稠合12元大环内酯的合成（图片来源：Org. Lett.）

作者首先通过控制电位电解(CPE)在–1.34 V对[60]富勒烯（C₆₀）稠合内酯1a进行电还原，得到1a^2–。然后，1a^2–与5当量的氢化钠（NaH）和10当量的1,2-二(溴甲基)苯在25 ℃下反应1.5小时，区域选择性地获得了形状像装饰提篮的[60]富勒烯稠合12元大环内酯2a和2a'，总产率为84%。由于12元环中的内酯部分具有不同的取向，产物是一对难以分离的异构体。通过¹H NMR测得的2a和2a'之比为74:26。作者还进行了底物拓展，发现除间甲基取代的内酯1a外，未取代的内酯1b、间氯取代的内酯1c和3,4-二甲氧基取代的内酯1d均适用于该反应。这些反应得到了具有相似结构的大环内酯2和2'，比例约为3:1，产率为66–87%（图3）。

图3. 1^2–与1,2-二(溴甲基)苯的反应（图片来源：Org. Lett.）

随后，作者进一步扩展了反应，使用1,2-二（1-溴乙基）苯代替1,2-二(溴甲基)苯（图4）。发现当1a–d^2–与5当量的NaH和10当量的1,2-二(1-溴乙基)苯在25 ℃下反应16小时时，以38–58%的产率得到了大环内酯3a–d和3a'–d'。与1^2–和1,2-二(溴乙基)苯的反应选择性（~3:1）相比，反应选择性有所提高（3:3' > 4.5:1）。尽管将3和3'相互分离比较困难，但作者通过结合使用制备型高效液相色谱（HPLC）和制备型薄层色谱(TLC)将它们分离开来。

图4. 1^2–与1,2-二(1-溴乙基)苯的反应（图片来源：Org. Lett.）

作者通过NMR、HRMS、FT-IR和UV-vis光谱对产物2a–d、2a'–d'、3a–d和3a'–d'进行了表征。此外，2d（图5a）、3a（图5b）和3c'（图5c)的结构也经单晶X-射线衍射进行了确认。通过比较3a和3c'的单晶结构，可以清晰地看出异构产物是由大环中内酯部分的不同取向产生的。

图5. 产物2d、3a和3c'的X-射线单晶结构（图片来源：Org. Lett.）

为了进一步理解产物的异构分布，作者计算了2a与2a'（图6a）和3a与3a'（图6b）的相对稳定性。计算结果表明，2a和3a分别比2a'和3a'更稳定。而且3a和3a'之间的能量差略高于2a和2a'（1.1 vs 0.7 kcal mol^-1），这与其较高的异构比（83:17 vs 74:26）相一致。此外，3a和3a'共有8种可能的异构体，其余6种异构体的相对能量至少比3a'高4.5 kcal mol^-1（见文章支持信息），也与实验结果一致。

图6. 理论计算（图片来源：Org. Lett.）

在上述结果和文献调研的基础上，作者提出了可能的反应机理（图7）。[60]富勒烯稠合内酯1接受两个电子后，通过C₆₀–O键断裂生成1^2–。1^2–的一个负电荷分布在C₆₀笼上，而另一个位于羧酸根处。随后，两个–CHR²Br基团之一被羧酸根阴离子的氧原子攻击，得到中间体A。之后，富勒烯阴离子与另一个–CHR²Br基团的分子内闭环过程在C4位发生，得到大环内酯2/3。

图7. 可能的反应机理（图片来源：Org. Lett.）

最后，作者通过循环伏安（CV）研究了产物与C₆₀和[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯（PCBM）的半波还原电位（表1）。2a–d、2a'–d'、3a–d和3a'–d'的半波还原电位在–1.083到–1.186 V的范围内，比C₆₀ (–1.082 V)稍微负一些。2和2'，3和3'与PCBM（–1.166 V）相似，表明它们的LUMO能级普遍高于C₆₀，在有机光电器件中具有作为受体材料的潜力。

表1. 化合物2a–d、2a'–d'、3a–d和3a'–d'以及C₆₀和PCBM的半波还原电位（V）。（图片来源：Org. Lett.）

综上，王官武教授课题组通过[60]富勒烯稠合6元内酯的电化学还原和随后用1,2-双(1-溴烷基)苯扩环高效合成了首个提篮状[60]富勒烯稠合12元大环内酯，展示出富勒烯衍生物电化学反应在多样性和区域选择性方面的优势。提篮状大环内酯的异构分布和结构分别通过理论计算和单晶X-射线解析得到证实。获得的[60]富勒烯稠合大环内酯可能会在太阳能电池器件和分子/离子识别中得到应用。该文章近期发表在Org. Lett. 2022, 24, 5530−5534（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01948）上，第一作者为中国科学技术大学博士后牛闯，通讯作者为王官武教授（论文作者：Chuang Niu, Zhiwei Xu, Xinmin Huang, Wei-Feng Wang, Zheng-Chun Yin, and Guan-Wu Wang）。

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王官武教授课题组简介

课题组的主要研究方向是富勒烯化学与绿色有机合成。近年来，富勒烯化学主要研究富勒烯电化学衍生化反应、富勒烯无溶剂机械化学反应、内嵌金属富勒烯笼外修饰、富勒烯自由基化学以及富勒烯C–H键活化反应等方面。而绿色有机合成除富勒烯无溶剂反应外，侧重于研究有机小分子的无溶剂机械化学反应和有机小分子的C–H键活化反应。最近还开展了将本课题组发展的合成方法学制备的富勒烯衍生物应用于钙钛矿太阳能电池和有机薄膜太阳能电池器件中，以期筛选出性能优良的功能富勒烯化合物，获得优异的光电转换效率的方向。

王官武教授简介

中国科学技术大学讲席教授。1983年9月—1993年6月在兰州大学化学系学习，分别获得学士、硕士、博士学位。1993年7月—2000年4月，先后在复旦大学、日本京都大学、美国肯塔基大学、芝加哥大学和耶鲁大学从事博士后研究。1999年度中国科学院“引进海外杰出人才计划”入选者，2001年度国家杰出青年科学基金获得者。2004年入选国家七部委首批“新世纪百千万人才工程”，2005年获“第七届安徽省青年科技奖”，2005年享受国务院特殊津贴，2007年获“药明康德生命化学研究奖”，2012年获Asian Core Program Lectureship Award，2017年获台湾科技部化学推动中心访问讲座 （Visiting Lectureship）。现为Mini-Reviews in Organic Chemistry（2017-）副主编，《有机化学》（2007至今）、Current Organic Chemistry（2016.1至今）、Materials（2020.4至今）编委。已在Nature、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem., Int. Ed.、Chem. Sci.、ACS Catal.、Research、Org. Lett.、Chem. Commun.、Chem. Eur. J.等著名期刊上发表论文260余篇。连续八年入选爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者（2014-至今）。

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