中科大王官武教授课题组：联立缩扩环反应—杂环稠合开环[60]富勒烯的电合成及其光伏应用

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]富勒烯稠合四氢哒嗪，在微量氧的作用下，再与三氟乙酸（TFA）、烷基溴化物或邻苯二甲酰氯反应，生成了具有新颖的1,1,2,6-或1,1,4,6-加成模式的吡唑啉稠合开环[60]富勒烯衍生物。该反应同时发生了缩环反应和扩环反应，这在电化学上是首次被发现。相关成果在线发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202304321（DOI: 10.1002/anie.202304321）。

图1. 吡唑啉稠合开环C₆₀衍生物的电化学衍生化。（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

前沿科研成果

联立缩扩环反应--杂环稠合开环[60]富勒烯的电合成及其光伏应用

扩环和缩环反应可以扩大和缩小现有环的大小。例如，在Baeyer-Villiger氧化、Beckmann重排、Tiffeneau-Demjanov反应和Dowd-Beckwith反应中发生扩环反应，而在Wolff、Wagner-Meerwein、Favorskii、Perkin和pinacol重排中发生缩环反应。这些反应可以有效地构建各种用单一的环化反应不可能或难以合成的环状化合物。但是目前同时发生电化学缩环和扩环反应仍未被发现。
[60]富勒烯（C₆₀）衍生物由于其在材料科学和生物学等各个领域的潜在应用而受到广泛关注。其中，C₆₀的四功能化通常会生成区域异构体的混合物。尽管已经开发了系链导向的C₆₀四官能化，以实现高区域选择性，但区域选择性地形成具有新加成模式的特定四官能化异构体仍然是一项具有挑战性的任务。最近，电化学已被证明是一种有吸引力的高效策略，可以选择性地得到C₆₀四功能化衍生物。2014年，王官武课题组报道了C₆₀稠合吲哚啉二价负离子与溴化苄（BrCH₂Ph）或溴乙酸乙酯（BrCH₂CO₂Et）的反应，区域选择性地合成了1,2,3,16-加合物（Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 3006–3010）。当把亲电试剂换成1,2-二(溴甲基)苯或邻苯二甲酰氯时，可选择性合成新颖的1,2,4,17-加合物（图2a，Chem. Sci. 2020, 11, 384–388；Research 2020, 2020, 2059190）。在这些电化学反应中，杂环通常由[6,6]-键重排到邻近的[5,6]-键，但C₆₀笼上所有键都没有断裂。值得强调的是，C₆₀笼的电化学扩环反应从未实现过。因此，王官武教授团队发展了一种在微量氧存在下，电化学引发的C₆₀稠合四氢哒嗪与亲电试剂的联立缩扩环反应，生成了具有新颖的1,1,2,6-或1,1,4,6-加成模式的吡唑啉稠合开环[60]富勒烯衍生物（图2b）。这是首次通过电合成实现联立缩扩环反应。合成的具有代表性C₆₀衍生物还被用作有机太阳能电池（OSCs）活性层的第三组分，得到具有比二元器件更高的光电转化效率（PCE）。

图2. 不同C₆₀稠合杂环化合物的电化学功能化。（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

首先，在氩气（99.999%，含1.0 ppm O₂）气氛下，C₆₀稠合四氢哒嗪1a通过控制电位电解（CPE）进行电还原，电解1.5 h（电解时间t₁）后，1a接受两个电子形成开环的二价负离子物种1a^2–。随后加入3倍当量的三氟乙酸（TFA）在25℃下反应10 min，意外地以26%的产率得到产物2a，并有大量不溶物生成（Table 1，entry 1）。当电解温度从25℃降到0℃，同时t₁被延长到3 h，2a的产率被提高到51%（Table 1，entry 2）。又将生成的1a^2–在Ar/O₂的气氛下继续搅拌15 min（t₂），再用3倍当量的TFA反应10 min，1a的产率可以提高到62%（Table 1，entry 3）。随后，继续延长t₂到30 min，2a的产率进一步上升至75%（Table 1，entry 4）。然而，将t₂延长至60 min时并没有得到更高的产率（Table 1，entry 5）。当Ar中O₂的含量为3.8 ppm时，2a的产率急剧下降到43%（Table 1，entry 6）。这表明O₂越多，越不利于2a的形成。在–0.86 V的电位下电解1a（0.015 mmol），接受1个电子后形成C₆₀–N键，没有断裂的负离子自由基物种1a^•−。当1a^•−在0℃条件下加入3倍当量的TFA反应10 min后，没有得到相应的产物2a（Table 1，entry 7），这表明形成二价负离子中间体对反应的进行是至关重要的。此外，作者还尝试了三价负离子种1a³⁻，但产物2a的产率较低（Table 1，entry 8）。因此，二价负离子1a^2–全部转化为一价负离子的最佳反应条件为：生成的1a^2–（0.015 mmol）在Ar（99.999%，含1.0 ppm的O₂）气氛下在0℃下搅拌30 min。
表1 反应条件优化（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
作者还考察了该缩扩环反应与TFA或烷基溴化物的底物范围和官能团的兼容性。由图3可知，苯环对位为甲基、甲氧基、氯和溴取代的C₆₀稠合四氢哒嗪1b–e都可以很好地适用于该反应。二价负离子1b–e^2–与TFA反应的产率为65–76%。采用不同的烷基溴代物作为亲电试剂时，以较高的产率合成了烷基化的开环C₆₀衍生物2f–l。当使用10倍当量的BrCH₂Ph时，以72%的产率得到产物2f。随后，当BrCH₂CO₂Et或者溴丙酮（BrCH₂COCH₃）当作亲电试剂时，以73%和62%的产率分别得到含酯基和酮羰基的产物2g和2h。另外两个亲电试剂的例子是烯丙基溴和炔丙基溴，产物2i和2j的产率分别为66%和62%。位阻较大的二苯基溴甲烷（BrCHPh₂）也适用于此反应，但是由于空间位阻较大，需要50倍当量的BrCHPh₂，并且反应时间需要延长至20 h，以相对较低的产率（48%）得到产物2k。当1,2-二(溴甲基)苯为亲电试剂时，以71%的产率得到单苄基化的产物2l，而不是双苄基化的产物。

图3 C₆₀稠合四氢哒嗪1^2–与TFA或者BrR²的反应（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

在之前的工作中，C₆₀稠合吲哚啉二价负离子与邻苯二甲酰氯反应得到1,2,4,17-加合物。因此，邻苯二甲酰氯也被当作亲电试剂，在NaH存在下与1a^2–反应6 h，出乎意料的是，并没有得到1,2,4,17-加合物，而是分别以46%和11%的产率得到含有3'-氯异苯呋喃酮基团的开环C₆₀衍生物3a和3a'，这两个化合物具有新颖的1,1,4,6-加成模式（图4）。由于3'-氯异苯呋喃酮基团的旋转受限，3a和3a'是立体异构体，并可以通过常规的硅胶柱层析分离出来。进一步研究其它C₆₀稠合四氢哒嗪对该反应的适应性，结果表明，除1a外，甲基、甲氧基、氯和溴取代的1b–e也适用于该反应，得到了结构相似的产物3b–e和3b'–e'，产率分别为38–46%和9–12%。

图4. C₆₀稠合四氢哒嗪1^2–与邻苯二甲酰氯的反应。（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者通过NMR、HRMS、FT-IR和UV-vis光谱对产物2、3和3'进行了表征。此外，2g（图5a）、3e（图5b）和3c'（图5c）的结构也经单晶X-射线衍射进一步确认。

图5. 产物2g、3e和3c'的X-射线单晶结构。（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

随后，作者也提出了形成2、3和3'的机理（图6）。首先，C₆₀稠合四氢哒嗪1在接受两个电子后发生C₆₀‒N键的断裂，形成开环的二价负离子1^2–，该二价负离子与O₂经过单电子转移（SET）生成自由基负离子1^•−和O₂^•−。然后，通过O₂^•−攫取亚甲基上的氢原子生成双自由基中间体，伴随着C1–C6键的均裂，再关环生成一价负离子中间体A。然后，酰胺上的氮负离子进攻C1，得到吡唑啉稠合开环富勒烯中间体B。B的负离子在C2位置被TFA质子化或与烷基溴代物体发生S_N2反应，得到1,1,2,6-加成模式的开环C₆₀衍生物2。当使用邻苯二甲酰氯时，与B互为共振式的负离子中间体B'的C4会进攻酰氯生成中间体C，同时Cl⁻离去。然后，邻近的Cl⁻立即从不同的方向进攻C的羰基，随后发生分子内亲核取代反应，生成异构体3和3'。
图6. 可能的反应机理（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
作者还将合成的代表性C₆₀衍生物2a、2g、3a和3a'应用到具有ITO/PEDOT:PSS/D18-Cl:N3:fullerene（1:1.2:0.2）/PDIN/Ag结构的有机太阳能电池（OSCs）中（图7）。基于D18-Cl:N3: C₆₀衍生物的OSC的最高PCE为18.67%，显著高于不含C₆₀衍生物的对照器件（17.89%）。这些结果表明，C₆₀衍生物2a、2g、3a和3a'是具有作为OSCs活性层的第三组分受体材料的潜在应用价值。

图7. 有机太阳能电池结构的图式说明；（b）基于D18-Cl:N3（黑线）D18-Cl:N3:2a（蓝线）、D18-Cl:N3:2g（红线）、D18-Cl:N3:3a（黄绿线）和D18-Cl:N3:3a'（紫线）的OSCs电流密度–电压（J–V）曲线。（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

综上，王官武教授课题组揭示了在微量氧的存在下，由[60]富勒烯稠合四氢哒嗪和亲电试剂在电化学作用下发生的联立缩扩环反应。以三氟乙酸和烷基溴化物为亲电试剂时，可区域选择性地形成1,1,2,6-构型的杂环稠合开环富勒烯衍生物。相反，当邻苯二甲酰氯作为亲电试剂，则区域选择性地生成具有1,1,4,6-构型的杂环稠合开环富勒烯衍生物。作者通过光谱数据和单晶X-射线分析，确定了这三种产物的化学结构，并提出了电还原、杂环开环、氧气氧化、杂环缩环、富勒烯笼扩环和亲核加成的反应机理。其中具有代表性的富勒烯产物被应用于有机太阳能电池活性层材料的第三组分，在太阳能电池器件中表现出优异的性能。
该文章近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202304321（DOI: 10.1002/anie.202304321）上，第一作者为中国科学技术大学博士研究生音正春，通讯作者为王官武教授（论文作者：Zheng-Chun Yin, Mingjie Li, Chuang Niu, Wei-Feng Wang, Wen-Rui Liu, Qian-Wen Zhang, Guan-Wu Wang）。

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。其中，富勒烯化学包括：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。近年来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。

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。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-今）副主编，《有机化学》（2007-今）、Current Organic Chemistry（2016.1-今）、Materials（2020.4-今）编委。目前已经在Nature、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem., Int. Ed.、Sci. Bull.、Chem. Sci.、ACS Catal.、Research、Org. Lett.等著名期刊上发表论文270余篇。连续九年入选爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者（2014-今）。 

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