▲第一作者：伍利成；通讯作者：宋建新；

通讯单位：湖南师范大学；

论文DOI：10.1002/anie.201903446

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选择性溴代的“耳坠”卟啉与 α-噻吩或吡咯硼酸酯经 Suzuki-Miyaura 偶联反应后，再经 FeCl₃ 氧化成环进而构建出一系列杂环稠合的新型“耳坠”卟啉。这类化合物由于受其外围杂环的束缚，结构显示出轻微的扭曲。此外，它们的紫外-可见光谱相对于未稠合的“耳坠”卟啉，吸收发生了明显的红移，最大吸收波长红移至 2200 nm 附近。

研究背景

近红外吸收材料在生物传感、荧光探针、光动力疗法等领域具有广泛的应用前景，引起了科学家们广泛关注。卟啉是具有 18 电子的大 π 共轭体系，经与芳环稠合而成的卟啉类化合物的共轭体系可得到进一步延伸，导致吸收光谱的红移。本课题组 2016 年所报道的“耳坠”卟啉，其紫外-可见吸收相对于卟啉单体分子有着明显的红移，最大吸收波长达到了 1400 nm附近。我们希望通对“耳坠”型卟啉的结构进一步修饰，将芳香环导入指定位置，构筑π电子体系进一步拓展的卟啉类功能分子。

研究出发点

通过对“耳坠”型卟啉周边的选择性溴代，经其与 α-噻吩或吡咯硼化物的 Suzuki–Miyaura 偶联反应，以及后续 FeCl₃ 的氧化偶联/环化反应，构筑了杂环稠合的耳坠型卟啉，该类化合物的最大吸收波长红移到 2200 nm 附近。

图文解析

本文由化合物 1 出发，经 NBS 选择性溴代、Suzuki–Miyaura 偶联反应得到化合物 3H，再通过金属配位合成 3Pd，最后经三氯化铁氧化，以52%的产率生成稠合化合物 4Pd（Scheme 1）。该化合物经高分辨质谱以及核磁共振氢谱表征确认，并且其单晶结构也被获得。对于化合物 4Pd，其核独立化学位移（NICS）在 Ni 卟啉环内显示较大的负值，而“耳坠”环内则显示较大的正值。这些信息表明：稠合上去的噻吩环对 Pd 型“耳坠”环具有顺磁环电流效应，并且这一影响波及到了 Ni 卟啉环上，进而削减了该环上的抗磁环电流效应。这一结论与该化合物的核磁共振氢信号相吻合。

采用同样的策略，我们利用溴代“耳坠”型卟啉 2 与 N-Boc 保护的吡咯单硼酸酯进行偶联。惊喜的发现，该反应在 115 ^oC下反应 48 h，一步得到了 7 H 和吡咯 N 稠合的产物 5H 和 6H，它们的产率分别为 2.2 %、9.5 % 和 8.0 %（Scheme 1）。

▲ Scheme 1: Synthesis of earring porphyrins fused with heteroles. Ar = 3,5-di-tert-butylphenyl, Bpin = pinacolatoboryl, Mes = 2,4,6-trimethylphenyl.

基于上述结果，我们推测化合物 7H 可以通过延长反应时间转化成化合物 5H 和 6H。研究发现，85 ^oC 下反应 22 h，反应以 32 % 的收率得到 7H；70 ^oC 时，产物只有 7H。在醋酸钯作用下，化合物 5H、6H 以及 7H 均可顺利地转化成相应的钯化合物 5Pd、6Pd 以及 7Pd。7Pd 在氯化铁作用下，以 32 % 的产率转化成稠合体 8 Pd，该化合物在三氟醋酸作用下顺利地脱除保护集团（Boc）生成化合物 9 Pd。

如图一所示，4 Pd 的晶体结构呈现 C_2v 的对称模式。相比于“耳坠”型卟啉 1 和 1Pd，由于两个噻吩环的稠合作用，使得整个分子发生了进一步的扭曲，尤其体现在稠合区域。两个噻吩单元的二面角为15.7(2)^o，其三吡咯烯的中心吡咯单元与远端二吡咯单元的二面角为 48.5(2)^o（Figure 1）。

▲Figure 1: X-ray crystal structures of 4Pd. tert-Butyl groups, solvent molecules, and hydrogen atoms are omitted for clarity. The thermal ellipsoids are scaled to the 50% probability.

幸运的是我们也顺利地获得了 5H、6Pd 和 8Pd 的晶体结构（Figure 2）。化合物 5H 同样也展现 C_2v 的对称模式，并且呈现轻度的扭曲结构。不同的是，对于化合物 5H，其沿着分子短轴和长轴的扭曲角度分别为 6.4(1)^o 和 26.7(1)^o，均小于 4Pd 的 15.7(2)^o 和 48.5(2)^o。而对于化合物 6Pd，沿分子长轴的扭曲角度是 50.2(2)^o，略大于化合物 5H 的相应值。对比化合物 6Pd 的稠合部分和未稠合部分，它们在结构上并没有表现出明显的不同之处，这说明稠合的吡咯单元没有参与到整个大 π 共轭环电流中。相对于噻吩稠合物，吡咯稠合物 8Pd 结构上与 4Pd 类似，采取 C_2v 的对称模式，并且两个吡咯的二面角为 30.1(2)^o，而其三吡咯烯的中心吡咯单元与远端二吡咯单元的二面角为 65.6(1)^o。测量发现，化合物 8Pd 长轴方向的 C-N 距离为 4.154(5) Å，而短轴方向的 N-N 距离为 4.023(6) Å，这些数值均小于化合物 4Pd 中的相应数值。这表明稠合噻吩环对这类“耳坠”型卟啉结构的影响要大于吡咯环。

▲Figure 2: X-ray crystal structures of 5H、6Pd and 8Pd. tert-Butyl groups, solvent molecules, and hydrogen atoms are omitted for clarity. The thermal ellipsoids are scaled to the 50% probability.

稠合卟啉 4Pd 和 9Pd 的紫外-可见吸收光谱近似，它们表现出裂分的类 Soret 带以及显著红移的 Q 带。值得注意的是，这两个化合物最低能量的 Q 带吸收波长红移到了 2200 nm 附近，这是目前为止报道的，吸收红移最大的卟啉单体。这个显著的红移归咎于其 π 电子体系的延申以及“耳坠”部分的反芳香性。相比之下，N 稠合的产物 5Pd 的吸收谱与 4Pd 和 9Pd 不同，其 Soret 带与 Q 带出现在 451 nm 和 1505 nm（Figure 3）。TD-DFT 计算表明化合物的最低能量吸收带主要由 HOMO 轨道向 LUMO 轨道的跃迁而引起，这种跃迁涉及到 d-π 共轭引起的卟啉向“耳坠”的电荷迁移。

▲Figure 3: UV/Vis/NIR absorption spectra of 1Pd (black), 4Pd (blue), 5Pd (green), and 9Pd (red) in CHCl₃.

循环伏安法以及微分脉冲伏安法测试表明：稠合“耳坠”卟啉 4Pd 和 8Pd 相比于未稠合的卟啉 3Pd 和 7Pd 显示出向更负值移动的第一氧化电位以及向更正值移动的第一还原电位，并由此表现出更小的 HOMO-LUMO 能差，其数值分别是 0.80 ev 和 0.78 ev。变窄的能级带与吸收显著红移相吻合。相比之下，N 稠合的产物 5Pd 氧化和还原电位变化的幅度较小，它的 HOMO-LUMO 能差为 0.98 ev。

总结与展望

我们以“耳坠”型卟啉为原料，合成了系列杂环稠合的“耳坠”型卟啉。稠合后的卟啉显示出轻度的结构扭曲，并因其延伸的 π 共轭体系，吸收波长红移至 2200 nm附近。我们期望接下来对“耳坠”卟啉的另一侧进行官能团化/氧化/环化，实现π电子体系更大的延伸，吸收进一步红移。该研究为新的、高性能、近红外吸收材料的研发提供了好的思路。