钴催化的亲电胺化反应合成稠合的喹啉

稠合的氮杂环结构在材料科学领域具有重要的应用。尽管人们已经发展了多种合成方法用于构建稠合的氮杂环结构，但都缺乏普适性，特别是无法用于构建新型材料中重要的稠合喹啉单元。有机金属试剂，特别是有机锌试剂在合成杂环分子方面具有广泛的应用，有机锌新戊酸盐是一类对空气和水分十分稳定的有机锌化合物，在氩气氛围下固体可以储存数月。

德国慕尼黑大学的Paul Knochel（点击查看介绍）等人报道了Co催化有机新戊酸锌与苯甲酸羟胺酯的亲电胺化反应。与Pd或Ni催化剂相比，使用Co催化剂更为廉价，且具有较低的毒性。这种胺化反应条件温和，且具有广泛的底物适用范围。在此基础上，他们又将亲电底物拓展到氨茴内酐类化合物，最终可得到一系列稠合的喹啉产物。该类结构在有机发光二极管材料及钙钛矿太阳能电池领域具有重要的应用价值，相关工作发表在J. Am. Chem. Soc.上。

作者设想氨茴内酐2可通过共振结构3与烯基、芳基或杂芳基新戊酸锌发生傅克反应，形成稠合喹啉结构。初步的研究表明，在10 mol% CoCl₂的存在下，PhZnOPiv（4a）在23 °C下与氨茴内酐（2a）反应16 h，能以65%的分离产率得到氨基醛5a。其他过渡金属盐如CrCl₂、MnCl₂、FeCl₂以及Fe(acac)₃作为催化剂反应无法进行。

图1. 氨茴内酐2和烯基、芳基或杂芳基新戊酸锌的傅克反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图2. 钴催化氨茴内酐胺化反应的条件优化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

在优化条件下，作者成功合成了一系列氨基醛（5b−5f）和氨基酮（5g−5k），产率为56−91%。吡唑和吲哚结构衍生的杂芳基新戊酸锌也能以55−75%的收率得到预期的苯胺衍生物5l和5m。此外，二茂铁基新戊酸锌以及甲基、苄基锌新戊酸盐也能以40−79%的收率顺利地得到相应的苯胺类产物5n−5p。80 °C下，苯胺在TFA中反应12小时，能以优异的收率得到相应的吖啶类产物（6a-6c）。

图3. 有机新戊酸锌和氨茴内酐的胺化反应底物适用范围的考察。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图4. 苯胺制备吖啶产物。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者进一步固定烯基新戊酸锌，考察不同氨茴内酐（2）参与反应的情况，亲电胺化后，体系中进一步发生环异构化，由此一锅法以62−96%的产率得到喹啉类产物8a−8n。

图5. 烯基新戊酸锌和氨茴内酐的胺化反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

随后作者使用芳基和杂芳基新戊酸锌9作为底物考察喹啉合成反应的适用情况。富电子的有机锌新戊酸在胺化后可顺利发生环化，能得到各种稠合的氮杂环衍生物10a-10p。部分产物还可以通过金属化进一步发生官能化，如将稠合杂环化合物10m和10f与TMPMgCl•LiCl混合，23 ℃下反应16小时完全镁化后加入Zn(OPiv)₂，随后进行Negishi交叉偶联得到芳基化的产物。此10g发生Buchwald-Hartwig胺化能得到胺化的噻吩并[2,3-b]喹啉13，产率为72%。噻吩并[2,3-b]喹啉（10f）衍生的新戊酸锌在CoCl₂（10 mol%）存在下会再次与氨茴内酐（4a）反应，以34%的产率得到进一步稠合的杂环14。

图6. （杂）芳基新戊酸锌的底物适用范围。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图7. 氮杂环的后期官能化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者还对产物的光学性质进行分析，并且对部分产物进行循环伏安测试。所有化合物在紫外区域都具有强烈的吸收，对喹啉骨架结构进行调整或官能化可使吸收扩展到可见光范围。对于6a和6b，吖啶结构修饰甲氧基可使吸收略微红移，波长大于300 nm的区域出现明显的吸收增强。对比10d、10e和10f或者10j和10k，氧原子与硫原子交换导致吸收的红移，带隙减小0.3 eV。含硫杂环具有更好的芳香性，π体系更大，因此吸收波长更长。

在378 nm波长光的激发下，不同产物在400-570 nm的范围内表现出光致发光（PL）。6b在510 nm处具有最强的发射。与10o相比，10m的PL最大值出现显著的红移。他们还测量了不同杂环产物的光致发光量子产率（PLQY），其中化合物6b的PLQY为37%。研究发现，具有强PL的化合物都包含吖啶核心单元。仅调整化合物10e中噻吩单元的位置，即硫和氮杂原子不在相邻位置而在相对位置（10f），PL的位置、强度以及寿命发生显著变化。这种方式可以在不改变吸收带和带隙的情况下调节PL的特性，10b的吖啶环修饰三个甲氧基，PL衰变时间最长。6b比6a在吖啶环上多修饰一个甲氧基，PL寿命增加了一倍多，表明修饰甲氧基对增加PL寿命具有重要的影响。6b具有高PL量子产率，同时PL寿命长，可作为OLED的理想材料。

作者还设计了循环伏安（CV）实验研究化合物10f、10k、10m、10o和14的能级，在乙腈溶液中以电位E（Fc/Fc⁺) 为−4.8 eV vs E_vac的二茂铁作为内标，测得10f、10k和14的HOMO在-6.3 eV附近，而10m和10o分别具有更高的HOMO能量，分别为-4.9和-5.3 eV，可用作有机光伏器件（OPV）的空穴传输材料。钙钛矿太阳能电池的情况。10o的HOMO不仅符合常见的甲基铵碘化铅（MAPI）型钙钛矿的标准，而且具有足够高的LUMO与大的带隙，可作为钙钛矿太阳能电池的理想材料。

总结

Paul Knochel等人报道了在温和的反应条件下钴催化氨茴内酐和多种芳基、杂芳基、烯基以及烷基新戊酸锌的胺化反应，该方法可用于合成结构多样的稠合喹啉分子。作者还对相关结构进行光学表征，表明其在有机发光二极管及空穴传输材料方面具有广阔的应用前景。

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Cobalt-Catalyzed Electrophilic Aminations with Anthranils: An Expedient Route to Condensed Quinolines

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 98, DOI: 10.1021/jacs.8b11466

导师介绍

Paul Knochel

https://www.x-mol.com/university/faculty/4049