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方法文章

微波辅助分子内脱氢Diels-Alder反应合成功能化萘类化合物/溶致变色染料

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DOI：

10.3791/50511

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2013年4月1日

 ,  , 
1Department of Chemistry, University of Pittsburgh

本文内容

摘要

微波辅助分子内脱氢Diels-Alder（DA）反应可高效构建官能团化的环戊二烯并[b萘类构筑单元。通过布赫瓦尔德-哈特维希钯催化偶联反应，将脱氢DA加成产物一步转化为新型溶致变色荧光染料，展示了该方法的实用性。

摘要

功能化萘类化合物在多种研究领域中具有广泛应用，从天然产物或生物活性分子的合成到新型有机染料的制备均有所涉及。尽管已有大量策略被报道用于构建萘类骨架，但在引入官能团方面，许多方法仍存在局限性，从而限制了可用底物的范围。因此，开发能够直接获取取代萘类化合物的多功能合成方法具有重要意义。

Diels-Alder（DA）环加成反应是一种高效且具有吸引力的方法，可利用易得的起始原料构建饱和与不饱和环系。本文报道了一种新型的微波辅助分子内脱氢DA反应，适用于苯乙烯基衍生物，能够生成多种采用现有合成方法难以获得的官能化环戊并[b]萘类化合物。与传统加热相比，微波辐射可显著加快反应速率、提高产率，并减少副产物的生成。

通过 Buchwald-Hartwig 钯催化交叉偶联反应将一个 DA 电环加成产物转化为一种新型溶剂致变色荧光染料，进一步证明了本方案的实用性。荧光光谱法作为一种信息丰富且灵敏的分析技术，在环境科学、医学、药理学和细胞生物学等研究领域中发挥着关键作用。借助微波辅助脱氢 DA 反应获得多种新型有机荧光团，将有助于推动这些领域的进一步发展。

引言

小分子的设计与合成对于包括药物、农药、有机染料等多个科学领域的发展至关重要1。狄尔斯-阿尔德（DA）反应和脱氢狄尔斯-阿尔德（DDA）反应在小环状化合物和芳香族化合物的合成中是尤为强大的工具2-4。此外，苯乙烯类二烯与炔类亲二烯体之间的热脱氢DA反应，可通过首先生成环加合物，并在氧化条件下进一步芳构化，为芳香族化合物的合成提供了一条潜在的有利途径5。通过采用苯乙烯二烯与炔烃之间的分子内热脱氢DA反应，可缓解通常使用苯乙烯作为二烯时所遇到的问题，例如不希望发生的[2 + 2]环加成5,6、聚合反应7以及区域选择性差等问题，从而生成萘类化合物。

苯乙烯与炔烃的分子内脱氢Diels-Alder（DA）热环化反应存在诸多问题。首先，大多数反应产率较低，反应时间较长，且需要较高的反应温度8-11。此外，许多反应无法专一地生成萘类产物，通常同时生成萘和二氢萘，且常以难以通过柱层析分离的混合物形式存在11,12。前体苯乙烯-炔烃分子中的连接链也受限，通常需包含杂原子和/或羰基结构单元。目前仅有一例报道使用全碳连接链，但需在250 °C下无溶剂反应48小时才能实现萘环的形成10。

除了起始原料中连接基团的种类有限之外，该方法最严重的限制之一是在常规热条件下无法耐受多种官能团。起始原料的炔基末端要么未被取代，要么连接有苯基或三甲基硅基（TMS）片段8-13 。曾有报道显示，炔基末端带有酯基的底物可发生脱氢Diels-Alder反应，但会生成萘和二氢萘产物的混合物11。后续研究提出，炔基末端连接TMS基团是实现高收率、专一生成萘类产物的必要条件10 。由于热驱动脱氢Diels-Alder反应所报道的官能团多样性严重不足，极大地限制了该反应在构建独特萘类结构方面的应用潜力。

萘类结构的多样化需求源于其作为小分子构建单元在多个科学领域中的功能，尤其是在有机荧光染料中的应用 14,15小分子有机染料在监测实时事件中具有优异的空间分辨率和响应时间 16 已催生出数百种商业化的荧光化合物。这些染料中许多为具有特定光物理和化学特性的萘类衍生物 15. 选择具有特定性质的荧光染料以监测单一功能具有挑战性，这导致人们对开发具有更广泛光物理性质的新型荧光团的需求日益增加。为此，苯乙烯与炔烃发生分子内脱氢Diels-Alder反应，可实现对独特萘骨架的结构多样化，该策略有望应用于开发含萘荧光染料。

与传统加热方法相比，微波辅助化学具有优势，因为它能实现对化学样品更均匀的加热，从而带来更高的化学产率、更快的反应速率、更温和的反应条件，以及通常不同的产物选择性17。 在苯乙烯分子内脱氢Diels-Alder（DA）反应中采用微波辅助加热而非传统加热条件，可显著减少反应时间（从数天缩短至数分钟），提高以往较低的产率，降低反应温度，并实现对目标萘类产物更专一的选择性生成，从而克服该方法相关的诸多问题。微波辅助反应条件还可能更有利于将更多种类的官能团引入萘类产物中，而这些在以往是难以实现的。此前仅有一例报道采用微波辅助条件进行脱氢DA反应，在170 °C下反应仅15分钟，即同时获得90%产率的萘和二氢萘产物12。

本文报道了一种微波辅助的苯乙烯衍生物分子内脱氢Diels-Alder反应，可在低至30分钟内高收率至定量收率地专一生成多种官能化的萘类产物18。该方法学的实用性进一步体现在将一种萘类产物通过一步转化制备出一种新型溶致变色荧光染料，其光物理性质可与 commercially available 的常用染料Prodan相媲美19。

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方案

1. 微波辅助脱氢DA反应

  1. 将对氯苯乙烯衍生物（0.045 g，0.18 mmol）和1,2-二氯乙烷（3 ml）加入装有搅拌子的2-5 ml微波反应瓶中，配制成0.060 M的溶液。采用此浓度的原因是较高浓度会导致副产物生成。
  2. 盖紧微波反应瓶，并将其放入微波合成仪的反应腔中。
  3. 在180 °C下搅拌 irradiate 溶液200分钟，并开启恒温保持时间。保持时间指在设定温度下持续 irradiate 的时长。反应混合物颜色将变为金黄色。延长反应时间不会对反应产率造成不利影响。
  4. 采用薄层色谱（TLC）法，以5%乙酸乙酯/正己烷为洗脱剂，确认反应是否完成。使用紫外灯和高锰酸钾染色剂显色TLC板。反应物和产物的Rf值分别为0.2和0.25。
  5. 用1 ml的1,2-二氯乙烷冲洗微波反应瓶，将反应液转移至闪烁瓶中。最终闪烁瓶中溶液体积约为3 ml。
  6. 在40 °C下，使用旋转蒸发仪（10-30 mmHg）减压浓缩闪烁瓶中的内容物。溶剂蒸发需时5-10分钟，得到45 mg粗制的棕色油状物。该粗制油状物稳定，可长期储存而不发生分解。
  7. 使用硅胶柱（以5%乙酸乙酯/正己烷为洗脱剂）通过移液管过滤法纯化粗油，获得41 mg白色固体萘。
  8. 采用氘代氯仿（CDCl3）为溶剂，通过1H核磁共振（NMR）谱确认产物结构。在300 MHz NMR谱仪上，萘的1H NMR谱数据如下：7.80（d，J = 1.8 Hz，1H），7.72（d，J = 9.0 Hz，1H），7.70（s，1H），7.38（dd，J = 1.8，9.0 Hz，1H），3.07（t，J = 7.1 Hz，4H），2.66（s，3H），2.18（p，J = 7.1 Hz，2H）ppm。

2. Buchwald-Hartwig 钯催化偶联反应

  1. 将 RuPhos 钯杂环（3 mg，0.004 mmol）加入一个经烘箱干燥的 0.5–2 ml Biotage 微波反应瓶中，瓶内放入搅拌子后盖上瓶盖。
  2. 用细针穿刺瓶盖的隔膜，对反应瓶抽真空并用氮气置换三次。完成置换后，拔出针头。在反应过程中，微波反应瓶将作为密封管使用，当反应容器中残留空气最少时，可获得最佳结果。
  3. 通过隔膜，用注射器在搅拌下加入双(三甲基硅基)氨基锂（0.32 ml 的 1.0 M THF 溶液，0.32 mmol）。溶液将变为红色。
  4. 搅拌 2–10 分钟后，用注射器加入萘（0.038 g，0.16 mmol）溶于 0.3 ml 无水四氢呋喃（THF）的溶液。可额外使用最多 0.2 ml THF 以完全溶解萘。
  5. 继续搅拌 2–10 分钟后，用注射器加入二甲胺（0.12 ml 的 2.0 M THF 溶液，0.24 mmol），然后将反应瓶浸入预热至 85 °C 的油浴中。
  6. 在 85 °C 下加热反应混合物 3 小时，或直至薄层色谱（TLC）显示反应完成。反应混合物呈深棕色。TLC 使用 20% 乙酸乙酯/己烷作为洗脱剂，通过紫外灯和高锰酸钾染色显色。反应物和产物的 Rf 值分别为 0.5 和 0.4。
  7. 将反应冷却至室温，打开瓶盖，用饱和氯化铵水溶液（10 ml）淬灭反应。
  8. 使用 60 ml 分液漏斗分离水相和有机相。用水相用乙酸乙酯（12 ml）萃取三次。
  9. 将分液漏斗中的有机相合并，用饱和食盐水（15 ml）洗涤一次。
  10. 将合并的有机相用无水硫酸钠干燥 10 分钟，然后通过重力过滤除去硫酸钠。
  11. 使用旋转蒸发仪，在 30 °C 和减压条件（10–30 mmHg）下浓缩所得溶液。溶剂蒸发需 5–10 分钟，得到粗制的棕色油状物。
  12. 通过硅胶柱色谱纯化粗产物，使用 1.5 cm 色谱柱，以 5% 乙酸乙酯/己烷为洗脱剂。目标染料为黄色固体，产量为 27 mg。
  13. 使用 CDCl3 作为溶剂，通过 1H NMR 谱确认产物结构。在 400 MHz NMR 谱仪上，该染料的 1H NMR 谱数据如下：7.64（d，J = 9.0 Hz，1H），7.56（s，1H），7.11（dd，J = 2.5，9.0 Hz，1H），6.87（d，J = 2.5 Hz，1H），3.02（s，6H），3.02–2.87（m，4H），2.65（s，3H），2.12（五重峰，J = 7.3 Hz，2H）ppm。

3. 光物理研究用染料溶液的制备

  1. 将1 mg染料转移至一个洁净、干燥的10 ml容量瓶中，用二氯甲烷（DCM）定容，得到浓度为0.4 × 10-3 M的染料储备液。
  2. 取253 μl储备液转移至另一个10 ml容量瓶中，用DCM定容，配制浓度为1 × 10-5 M的染料溶液。该溶液将用于采集染料的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱数据。

4. 紫外-可见吸收光谱法

  1. 用二氯甲烷（DCM）填充两个石英紫外分光光度计比色皿。这些为空白样品。将它们放入紫外-可见分光光度计的样品腔中。切勿触碰比色皿的光学表面，应仅在侧面非光学面的顶部进行操作。
  2. 设置仪器参数：狭缝宽度为 2，扫描速率为 480 nm/min。为样品命名，并选择 600 至 200 nm 的扫描范围。
  3. 采集背景光谱后，将样品比色皿从仪器中取出，倒空内容物，并用数份 1 × 10-5 M 染料溶液润洗后再装填。避免过度填充。在将比色皿重新插入样品架前，需用洁净的镜头纸小心擦拭比色皿窗口。
  4. 采集样品的吸收光谱。吸收最大值出现在 377 nm 处。
  5. 在对其他样品进行紫外-可见吸收分析前，须用水、丙酮和乙醇仔细清洗石英紫外分光光度计比色皿。
  6. 使用 Excel 或 Origin 软件绘制并分析所采集的数据。

5. 荧光发射光谱法

  1. 用1 × 10-5 M染料溶液填充石英荧光池，并将其放入荧光分光光度计中。避免皮肤接触荧光池的光学表面。
  2. 设置仪器参数：激发波长为334 nm，狭缝宽度为2，采集速率为0.1 nm/sec，采集范围为390至750 nm。需使用390 nm截止滤光片以消除来自发射光源的散射光。
  3. 采集样品的荧光发射光谱。荧光发射最大值出现在510 nm处。
  4. 在对其他样品进行荧光分析前，用水、丙酮和乙醇清洗石英荧光池。
  5. 使用Excel或Origin软件绘制并分析采集的数据。

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结果

微波辐射（MWI）对苯乙烯类衍生物的处理 180 °C 导致完整的环戊二烯并[b]萘的形成仅需30分钟，且产率从高到定量图1) 18. 未观察到二氢萘副产物，且通过 1H NMR波谱显示，产物在辐照后无需进一步纯化即呈现纯度良好图2在这些热反应条件下，对萘环骨架进行多种结构修饰均具有良好的耐受性，包括改变连接链结构、萘环上的取代模式、引入多种吸电子基团，以及改变吸电子基团的位置，从而生成不同的稠合环戊酮产物。

荧光团的合成遵循两步法：首先进行微波辅助的脱氢Diels-Alder反应，随后进行Buchwald-Hartwig钯催化的交叉偶联反应。荧光团合成的一个代表性示例如图3所示。在上述条件下，对氯取代的苯乙烯发生环化反应，然后在RuPhos钯环配合物、LHMDS和二甲胺存在下进行钯催化的交叉偶联反应，生成目标荧光染料。

在不同极性的多种...

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讨论

微波辅助脱氢DA反应

通过微波辐照（MWI）实现苯乙烯基前体的分子内脱氢Diels-Alder反应，可高效生成多种萘类结构，产率高达71–100%，反应时间短至30分钟即可完成。图1) 18进行脱氢Diels-Alder反应最困难的部分在于溶剂的选择，这通常较为复杂，因为需要综合考虑多种溶剂特性以确保最佳加热效果。首先，所选溶剂必须能够在微波条件下支持反应的顺利进行。溶剂的沸点、对微波的吸收能力、极性以及微波反应瓶中溶剂的用量等因素均会影响加热效率和反应结果。1,2-二氯乙烷（DCE）和 o二氯苯（DCB）是适用于脱氢Diels-Alder反应的微波辐射（MWI）溶剂，但二氯乙烷（DCE）在微波加热时偶尔难以达到180 °C。该问题可通过增加溶剂量、重新密封微波反应瓶，或改用DCB作为溶剂来解决，因为DCB比DCE具有更强的微波吸收能力和更高的沸点。反应进程通过薄层色谱（TLC）监测，尤其当反应规模扩大时，反应时间可能延长，更需密切监控。尽管大多数底物在180 °C下可顺利发生环化，但在DCB中于225 °C加热...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

感谢美国国家科学基金会（CHE0910597）和美国国立卫生研究院（P50-GM067982）对本工作的资助。我们感谢匹兹堡大学的 Michael Trakselis 教授在荧光测量方面的有益讨论。感谢匹兹堡大学的 Kristy Gogick 和 Robin Sloan 在荧光数据采集过程中提供的帮助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
<强>试剂/材料
1,2-二氯–噻烷，ACS 级试剂 ≥99.0% Sigma-Aldrich319929
SiliaPlate G 薄层色谱板 - 玻璃背衬，250 μmSilicycleTLG-R10011B-323
乙酸乙酯，符合ACS标准 ≥99.5%Fisher ScientificE14520
正己烷，符合ACS标准 ≥98.5%Fisher ScientificH29220
硅胶，标准级吸附剂技术30930M60 A，40-63 μM（230 × 400 目）
RuPhos 钯环化合物Strem46-0266
氮气Matheson TRIGASNI304工业级氮气 304cf
双(三甲基硅基)氨基锂溶液Sigma-Aldrich225770THF 中的 1.0 M 溶液
无水四氢呋喃 ≥99.9%Sigma-Aldrich401757无抑制剂
二甲胺溶液Sigma-Aldrich391956THF 中的 2.0 M 溶液
氯化铵Fisher ScientificA661-500
无水硫酸钠（颗粒状）Fisher ScientificS421-500
色谱柱ChemglassCG-1188-04½ 内径 18 英寸 E.L.
环己烷， ≥99.0%Fisher ScientificC556-1
甲苯，无水，99.8%Sigma-Aldrich24451
1,4-二噁烷 无水，99.8%Sigma-Aldrich296309
四氢呋喃 无水 ≥99.9%Sigma-Aldrich186562250 ppm BHT 作为抑制剂
二氯甲烷Sigma-Aldrich650463Chromasolv Plus
氯仿 ≥99.8%Fisher ScientificC298-1
乙腈，无水，99.8%Sigma-Aldrich271004
二甲基亚砜 ≥99.9%Fisher ScientificD128
乙醇 Pharmco-AAPER11ACS200绝对值
<强>仪器设备
微波合成仪BiotageBiotage Initiator Exp
微波反应管Biotage3520160.5 – 2 ml
微波反应管Biotage3515212 – 5 ml
微波反应瓶盖Biotage352298
微波合成仪安东帕Monowave 300
微波反应管 G4安东帕99135
微波反应瓶盖安东帕88882
核磁共振波谱仪BrukerAvance300 或 400 MHz
紫外-可见分光光度计PerkinElmerLamda 9
分光光度计比色皿Starna 细胞29B-Q-10Spectrosil 石英，光程 10 mm，半微量，黑壁
荧光分光光度计 HORIBA Jobin YvonFluoroMax-3 S4
荧光计比色皿Starna 细胞29F-Q-10Spectrosil 石英，光程 10 mm，半微量

参考文献

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