Rh(III)催化C(sp2)–H活化/环化构建吡咯并[3,4-b]吲哚二酮及其作为荧光化学传感器的应用

《ACS Omega》：Rh(III)-Catalyzed C(sp2)–H Activation/Annulation for the Construction of Pyrrolo[3,4-b]indolediones and Their Application as Fluorescent Chemosensors

　　

本研究报道了一种高效合成稠合吲哚的策略：以嘧啶基为导向基，通过Rh(III)催化N-芳基嘧啶-2-胺与马来酰亚胺的C–H活化反应，经形式上的[3+2]环化过程构建新的C–C键与C–N键，实现结构多样、含嘧啶基取代的吡咯并[3,4-b]吲哚二酮的高效构筑。在此基础上，研究人员筛选该类化合物的潜在金属离子传感性能，发现一种新型稠合吲哚类荧光探针，对Fe3+表现出高选择性与高灵敏度检测能力。

该研究发表于《ACS Omega》，针对稠合吲哚类化合物在药物化学及功能材料中的重要应用，聚焦吡咯并[3,4-b]吲哚二酮这一较少被探索的结构骨架，旨在开发基于C–H活化/环化策略的模块化合成方法，并拓展其在荧光化学传感领域的应用。现有合成路线有限且底物适用范围窄，含药理活性嘧啶单元的该类分子尚无法通过过渡金属催化的C–H活化直接获得，限制了其结构多样性构建与功能开发。研究人员开发了Rh(III)催化N-芳基嘧啶-2-胺与N-取代马来酰亚胺的形式[3+2]环化反应，首次实现了含嘧啶基吡咯并[3,4-b]吲哚二酮的高效合成，并将产物应用于Fe³⁺荧光检测，填补了该结构在化学传感领域的空白。

关键技术方法方面，研究人员采用条件优化实验确立最优催化体系，通过底物普适性考察验证反应对不同官能团的兼容性，结合氘代交换与动力学同位素效应（KIE）实验探究反应机理，并利用紫外-可见吸收光谱与荧光光谱评估目标产物的光学性质及对多种金属离子的响应性能，筛选出高选择性Fe³⁺荧光探针。

研究结果部分，在结果与讨论中，首先通过条件优化确立最佳反应参数：以[RhCpCl₂]₂为催化剂，AgNTf₂为添加剂，Cu(OAc)₂·H₂O为氧化剂，DCE为溶剂，在氮气保护下于110°C反应可获得最高产率。其次，底物适用范围研究显示，该反应对N-取代马来酰亚胺的芳基、烷基、苄基、杂环及手性基团均表现出良好兼容性，对N-芳基嘧啶-2-胺苯环上不同位置、不同类型的取代基也具有较高容忍度，并可放大至2mmol规模。机理研究方面，氘代交换实验证实邻位C–H键可发生质子/氘代交换，竞争与平行KIE实验显示k_H/k_D分别为1.27与1.17，表明C–H键活化并非速率决定步骤。研究人员据此提出反应机制：活性Rh(III)物种与嘧啶配位后经邻位金属化形成六元铑环中间体，再与马来酰亚胺发生迁移插入及还原消除，生成环化产物并再生催化剂。在荧光传感性能*研究中，化合物3al（N-苄基取代产物）在甲醇/水混合体系中表现出强荧光，对Fe³⁺具有特异性荧光淬灭响应，检测限低至0.14μM，线性范围为0–50μM，优于多数已报道Fe³⁺探针。

结论部分指出，该研究成功建立了嘧啶基导向的Rh(III)催化C(sp²)–H活化/环化新方法，实现了含嘧啶基吡咯并[3,4-b]吲哚二酮的高效合成。其中化合物3al作为Fe³⁺荧光探针具有高灵敏度与高选择性，在医学诊断、环境监测及工业过程分析中具有应用潜力。