通过形式上的偶氮-Diels-Alder反应合成T形喹啉及其液晶性质研究

《Tetrahedron》：Synthesis and Liquid-Crystal Properties of T-Shaped Quinolines via Formal aza-Diels-Alder Reaction.

通过Yb3+催化的三组分反应高效合成了具有T型结构的喹啉衍生物，其结构经NMR和HRMS确认，机理涉及亚胺基丙胺中间体和形式[4+2]环加成，DFT计算表明T型取向由乙烯基中间体与炔烃的逐步相互作用决定，产物显示各向异性液晶行为和宽光谱光物理特性。

　　

Luma Fritsch | Maria do Carmo Martins Alves | Luis A. Baptista | Sidnei Moura | Richard J. Mandle | Aloir A. Merlo

巴西南里奥格兰德联邦大学（UFRGS）化学研究所

摘要

< />³⁺介导的醛、芳香炔烃和异噁唑胺的三组分反应高效合成。其结构通过¹H和¹³C核磁共振（NMR）光谱以及高分辨率质谱（HRMS）得到确认。从机理上看，该转化过程通过芳基丙炔胺中间体进行，可视为一种典型的[4+2]环加成反应，涉及亚胺衍生的氮杂二烯与炔烃之间的反应。密度泛函理论（DFT）计算支持了这一过程涉及2-氮杂二烯与炔烃相互作用的逐步路径，解释了观察到的T型区域选择性。对其液晶性质的研究表明，这些化合物表现出玻璃态向列结构，这一结论通过差示扫描量热法（DSC）和偏振光学显微镜（POM）得到验证，所有样品均观察到典型的层状纹理。光物理研究表明，这些化合物在267–300 nm处有吸收峰，在400–418 nm处有发射峰，Stokes位移较大（102–151 nm），其中苯基取代衍生物的量子产率为约20%，萘基取代衍生物的量子产率为约40%，溶液荧光颜色从紫色到淡青色不等。

引言

₂、AlCl₃或BF₃·OEt₂）可活化亚胺，促进其被亲核攻击，并通过碳正离子稳定或配位机制促进后续环化步骤。[15],[16] 反应通常首先通过路易斯酸活化亚胺，增强其亲电性，随后炔烃进行亲核攻击形成乙烯基中间体，再经过分子内环化和芳香化步骤得到喹啉骨架。该转化过程通常具有区域选择性，并能容忍反应物上的多种官能团，为喹啉的多样化提供了模块化策略。[2] 一种高效且简洁的方法是利用路易斯酸（如FeCl₃和Yb(OTf)₃）促进芳香醛、芳香胺（原位生成亚胺）与芳香炔烃的三组分环缩合，产率中等至良好。[8] 从机理上看，路易斯酸首先与亚胺和/或炔烃配位，增强其亲电性，随后形成丙炔胺中间体，再通过分子内羟基芳基化得到二氢喹啉，最后常通过大气中的O₂氧化生成芳香喹啉骨架。[17] 本文采用的三组分策略可以视为一种原位生成的亚胺与炔烃之间的环加成反应，属于典型的氮杂Diels–Alder反应。尽管公认的机理并非协同进行且非环状，我们仍使用“形式氮杂Diels–Alder”这一术语，以强调反应条件模拟了协同环加成过程，尽管实际过程是逐步进行的，通常需要路易斯酸的催化。Oh等人提出了基于形式氮杂Diels–Alder反应的天然产物合成方法。[18],[19],[20],[21] 芳香亚胺（通常称为Schiff碱）因其可作为二烯等效物而在环加成反应中受到广泛关注。[22] 本研究中，探索了一种基于芳香亚胺与烯烃和炔烃环加成反应的喹啉衍生物合成策略。先前的研究表明，含有五元异噁唑环和异噁唑环的Schiff碱表现出宽范围的液晶行为。然而，这些材料存在显著的热稳定性和光化学不稳定性，限制了其在电子和光电器件中的应用。受到Povarov型反应用于合成含氮杂环化合物的文献启发，[23] 我们假设将这些亚胺转化为喹啉环加成产物可以提高分子稳定性，同时保持甚至增强其液晶性质。 本文报道了一系列三取代T型喹啉的合成和热性质研究，这些化合物的T型结构类似于大写的“T”。通过这种策略，制备了在液晶状态下仍保持介观相行为的非晶材料。在可能的情况下，会抑制薄膜形成过程中的结晶，以稳定介观相。 这些化合物的结构特征为：2位含有芳基取代基，6位含有芳基异噁唑基团；此外，喹啉环的4位通过芳香体系的“bay”区域连接了额外的芳基或萘基单元，从而形成了最终衍生物的典型T型结构。图1展示了本文讨论的喹啉的一般T型结构（a）以及协同氮杂Diels–Alder反应（b）与中间体芳基丙炔胺（c）的对比。

合成

喹啉骨架的合成采用三组分策略（方案1），在路易斯酸催化剂（特别是Yb³⁺，20 mol%）的存在下，使醛1、苯胺2a-d和炔烃3及4发生反应，生成亚胺中间体。醛1通过n-辛基溴化物（K₂CO₃/CH₃CN）进行烷基化制备，[23] 苯胺2a-d通过（3+2）环加成氧化芳基腈随后氧化（NaOCl，5%水溶液）得到，炔烃3和4也通过类似方法制备。

T型喹啉的液晶性质

本研究通过差示扫描量热法（DSC，一种通过热量流动测量识别相变的热分析技术）和偏振光学显微镜（POM，用于直接观察液晶纹理和介观相组织）研究了T型喹啉的介观相行为。 表1中的数据是在第一次和第二次加热以及冷却循环过程中获得的。

T型喹啉的光物理研究

最终T型喹啉5a-b和6a-c的光物理性质见表2。吸收和荧光光谱是在室温下、二氯甲烷（CH₂Cl₂，M = 1.0 x 10^-5 mol/L）稀释溶液中收集的。图5显示，5a和5b样品在紫外-可见光实验室灯照射下分别呈现紫色和紫色；在6a中观察到淡紫色，在6b中观察到浅蓝色，在6c中观察到白色。

T型喹啉的理论计算

尽管缺乏导致喹啉形成的协同机理，本文仍讨论了假设的形式氮杂Diels–Alder加成的DFT理论结果，重点讨论了前线分子轨道的相对能量以及HOMO和LUMO轨道的轮廓及其相应的轨道系数。[22] 所有密度泛函理论计算均使用Gaussian 16软件（版本B.01）进行。[28] 电子结构的相关描述如下：

结论

本研究展示了一种将本质上不稳定的芳香亚胺转化为结构稳定的喹啉衍生物的有效合成策略，通过环化有效缓解了亚胺的不稳定性。该方法通过结合协同和逐步反应途径扩展了喹啉的合成方法，同时保持了亚胺前体原有的液晶特性。使用了多种类型的亚胺（Schiff碱）作为二烯组分。

通用仪器

化学合成所用溶剂均从商业供应商处购买，并按常规程序纯化。其他化学品和试剂为市售产品，使用前无需额外处理。提取物用无水Na₂SO₄干燥后通过蒸发去除溶剂。质子和碳核磁共振（¹H NMR和¹³C{¹H} NMR）谱图使用CDCl₃作为溶剂，在Varian 400 MHz谱仪上获得。

CRediT作者贡献声明

Luma Fritsch： 数据可视化、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。 Maria do Carmo Martins Alves： 实验研究、数据分析、数据整理。 Luis A. Baptista： 结果验证、软件应用、实验研究、数据分析、数据整理。 Sidnei Moura： 结果验证、方法论设计、实验研究、数据分析。 Aloir Antonio Merlo： 文章撰写与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、实验指导、资源协调。

数据可用性声明（DAS）

声明在写作过程中使用了生成式AI和AI辅助技术

利益冲突声明

作者声明

致谢

CNPq/Pq-2023 311195/2023-7和Fapergs/Edital 07/2021 n. 21/2551-0002121-7, 07/2022 n. 23/2551-0000114-4项目提供了财务支持。L. F.感谢CAPES的资助（编号#001）。A. A. M.感谢CNPq的奖学金（编号PQ/2023, 311195/2023和Ed. 06/2021 RITES – Fapergs）。特别感谢Julio Vaghetti博士和Alexsandro Dallegrave博士完成了差示扫描量热（DSC，LAMAT/IQ）和高分辨率质谱（CA/IQ）分析。