基于1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷作为媒介物的脱氢环合反应，实现苯并[b]磷杂氧化物电化学合成

《ChemElectroChem》：Electrochemical Synthesis of Benzo[b]Phosphole Oxides via Dehydrogenative Annulation Using 1,4-Diazabicyclo [2.2.2]Octane as a Mediator

　　摘要

本文报道了通过电化学方法实现二芳基膦氧化物与炔烃之间的分子间环化反应，从而合成苯并[b]膦氧化物。该反应在无过渡金属和无氧化剂的条件下，通过间接电解方式完成，其中使用1,4-二氮杂环[2.2.2]辛烷作为介质。高表面积的碳电极（如碳毡和网状玻璃碳）对于这一反应至关重要。多种二芳基膦氧化物和炔烃被用于电化学环化反应，相应的苯并[b]膦氧化物成功获得。机理研究表明，反应通过多种途径生成自由基中间体进行。

高效电化学方法实现了二芳基膦氧化物与炔烃之间的分子间环化。以DABCO作为有机介质，在无过渡金属和无氧化剂的条件下合成了苯并[b]膦氧化物。高表面积的碳电极是该反应的必要条件。电化学反应通过膦基自由基中间体，并通过多种反应路径完成。

1 引言

含有苯并[b]膦氧化物（BPO）框架的多环芳烃化合物因其优异的电子传输和发光性能而受到越来越多的关注。这些特性使它们成为电子和光子材料的理想候选者[1-6]。因此，构建BPO框架和研究其性质的 efficient 方法得到了深入研究[7-38]。 constructing BPO 框架的有效方法是在 ortho 位置含有磷原子的芳基乙炔中形成 C?P 键[14, 16, 35, 37, 39-42]。尽管这种方法在组装 BPO 框架方面很有前景，但通常需要多个反应步骤来制备底物。图1展示了以往研究和本工作中苯并[b]膦氧化物的代表性合成方法。在过去十年中，二芳基膦氧化物与炔烃之间的分子间环化反应受到了特别关注（方案1a）。2013年，Miura 和 Satoh 的团队[7]以及 Duan 的团队[8]独立报道了 Ag 介导的二芳基膦氧化物与内部炔烃之间的分子间环化反应。次年，Ackermann 报道了类似的反应[9]。2016年，Tang 等人报道了使用叔丁基过氧化氢作为氧化剂，在 Cu 的催化下合成 BPO 的方法[10]。最近，无过渡金属的键形成反应在有机合成领域受到了广泛关注[43-52]。无过渡金属合成 BPO 的方法也得到了研究。Gao 等人开发了使用 K2S2O8 介导的 BPO 分子间环化反应[11]。最近，Huang 和 Xiao 报道了使用空气作为氧化剂进行 BPO 的分子间环化反应[12]。Lakhdar 等人报道了在温和条件下使用 Eosin Y 作为光催化剂合成 BPO 的光催化方法（方案1b）[13]。虽然这些方法在构建 BPO 方面很有效，但通常需要过量的过渡金属或氧化剂。电化学有机合成作为一种环境友好的替代方法受到了关注，在这种方法中，电子在温和且无氧化剂的条件下充当氧化还原剂[53-58]。在电化学策略中，间接电解是一种有效的方法，其中介质在电极处被电化学活化，随后与溶液中的底物反应，具有高选择性、高效性和反应可控性[53, 59, 60]。此外，适当的介质的使用可以实现其他方法无法实现的转化[61-67]。2018年，Khrizanforova 等人报道了使用 AgOAc 作为介质的 BPO 间接电化学合成方法（方案1c），该方法在常温条件下进行，但仍需要银盐[68]。我们之前报道了使用 1,4-二氮杂环[2.2.2]辛烷（DABCO）作为氢原子转移（HAT）介质，通过电化学方法实现二苯膦氧化物的分子内 C?P 键的形成[64]。这是一种无金属和无氧化剂的电化学合成二芳基膦氧化物的方法。然而，该协议仅限于分子内环化，不适用于 BPO 的分子间环化。我们设想这种方法可以扩展到分子间系统，用于合成各种 BPO。在这里，我们报道了使用 DABCO 作为介质，实现二芳基膦氧化物与炔烃之间的电化学分子间环化，从而合成 BPO（方案1e）。

2 结果与讨论

我们首先通过使用 DABCO 作为介质，在间接电解条件下研究了二苯基膦氧化物（1a）与炔烃 2a 之间的分子间环化反应（表1）。尽管在我们之前关于二苯膦氧化物分子内 C?P 键形成的研究中，Pt 阳极被证明是有效的[64]，但它对于 1a 和 2a 之间的分子间反应来说效率不足。经过广泛的优化，我们发现碳毡（CF）阳极显著提高了效率。在优化条件下（CF 阳极/Pt 阴极，CH3CN/H2O = 85:15，80°C，10 mA，4.0 F mol?1），所需的苯膦氧化物 3aa 以 81% 的 NMR 收率（68% 的分离收率）获得，证明了 DABCO 介导的电氧化有效促进了这种分子间 C?P 和 C?C 键的形成（条目1）。由于 1a 在这些条件下完全消耗，因此反应使用了 4 当量的 1a；然而，3aa 的收率降至 39%（条目2）。系统地改变反应参数提供了 beberapa 重要的见解。首先，通过的电荷量至关重要。尽管电化学反应是一个两电子氧化反应，但 2 F mol?1 的电量不足以完成反应。在 2 F mol?1 的电量下，收率大幅下降到 57%（条目3），而 3.0 F mol?1 的电量虽然提高了转化率，但仍未超过标准条件（条目4）。这可能是因为电化学生成的 DABCO 自由基阳离子相对不稳定。表1显示了 1a 和 2a 电化学环化的优化条件。

接下来，我们评估了电极材料对反应效率的影响。尽管 CF 阳极表现优异，但网状玻璃碳（RVC）也以 82% 的收率提供了 3aa（条目7）。相比之下，Pt、玻璃碳（GC）和碳棒阳极的反应活性显著降低（条目8-10）。这些结果突显了高表面积碳质电极在电化学环化中的关键作用[69-72]。反应还对溶剂敏感。尽管标准的 CH3CN/H2O（85:15）混合物被证明是最佳的，但在 CH3CN/H2O（99:1）中的收率降至 75%（条目11）。当使用 NaHCO3 或 2,6-卢蒂啶代替 DABCO 时，3aa 的收率分别降至 34% 和 29%（条目13 和 14）。这些结果表明 DABCO 作为 HAT 介质的作用，而不是作为碱。尽管在存在 1 当量 DABCO 的情况下反应仍能进行，但 3aa 的收率略有下降（条目15）。当使用 0.5 当量的 DABCO 时，3aa 的收率大幅下降至 53%（条目16）。在没有 DABCO 的情况下，电化学反应仍能进行，但 3aa 的收率仅为 50%（条目17），表明存在 multiple 反应路径，包括 DABCO 介导的和非 DABCO 介导的。电流对于这一反应是必需的。在没有电流的情况下，几乎没有任何环化发生，大部分 2a 被回收（条目18）。确定了优化的反应条件后，我们研究了二芳基膦氧化物 1 与炔烃 2 之间的分子间环化的底物范围（方案2）。首先，我们研究了炔烃组分（方案2a）。具有电子中性或电子亏缺的芳基环的对称二芳基炔烃产生了相应的环化产物 3ab–ae，收率适中。对于卤代二苯乙炔的反应，使用 HFIP（1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇）作为共溶剂，产物的收率高于标准条件。富含电子的炔烃也参与了环化（3af–ai）。具有氟基的对称二芳基炔烃 2j 产生了 3aj 和 3aj′ 的区域异构体混合物（3aj:3aj′ = 1:1.02）。使用含有甲基的 2k 也得到了类似的结果。与苯乙炔（2al）的电化学反应没有产生预期产物（3al）。相比之下，使用 1-苯基-1-炔（2am）的反应产生了区域选择性的 3am。二烷基乙炔 5-癸炔也适用（3an）；然而，与二甲基乙炔二羧酸盐（DMAD）的反应没有产生相应产物（3ao）。二(2-噻吩基)乙炔被认为不适用，可能是由于炔烃在氧化条件下的不稳定性。使用 1,4-二（prop-1-yn-1-yl）苯产生了双二芳基膦氧化物 3aq（方案2）。

接下来，我们研究了二芳基膦氧化物 1b–f 与炔烃 2 之间的电化学环化（方案2b）。电子给体取代基（如 p-MeO 和 p-Me）被很好地容忍，并以适中到高的收率产生了所需产物（3ca 和 3da 及其异构体 3ca′ 和 3da′）。双(3,5-二甲基苯)膦氧化物（1f）也被证明适用，相应的二苯膦氧化物 3fa 及其异构体 3fa′ 以 69% 的收率获得（3fa:3fa′ = 1:0.29）。这些异构体 3′ 可能是通过 spiro 自由基中间体的迁移产生的[7]（图 S11）。膦氧化物和炔烃都能容忍多种官能团，包括电子给体和电子抽离基团。为了进一步了解反应机理，随后进行了 several 控制实验（方案3）。首先，进行了自由基捕获实验。在 2,6-二叔丁基-p-苯酚（BHT）的存在下，1a 和 2a 的电化学反应没有产生 3aa，而是获得了 BHT 加合物 5（收率 33%）（方案3a）。当 1a 的电解在 5,5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物（DMPO）的存在下进行时，通过高分辨率质谱（HRMS）检测到了 DMPO 加合物 6。反应溶液的电子顺磁共振（EPR）谱也与模拟谱以及文献中的谱一致[73, 74]（方案3b）。这些数据表明在电化学条件下生成了膦基自由基。控制实验表明：(a) 使用 BHT 进行自由基捕获，(b) 使用 DMPO 进行捕获并记录了生成的自由基 6 的 EPR 谱，以及 (c) 在分隔电池中的电化学反应。我们假设 DABCO 作为 HAT 介质生成膦基自由基。然而，如上所述，即使在没有 DABCO 的情况下也获得了所需产物 3aa，尽管收率较低（表1，条目17），这表明还有另一种途径不涉及 DABCO。我们假设在阴极会发生水的还原，并且生成的强碱（?OH）会促进不涉及 DABCO 的途径。为了确认阴极的影响，在分隔电池的阳极室中进行了 1a 和 2a 的电化学反应，3aa 的收率分别降至 38%（有 DABCO）和 20%（无 DABCO）（方案3c）。这些结果支持我们的假设，即存在两条途径：一条由 DABCO 促进，另一条由阴极生成的碱促进。还进行了循环伏安法（CV）（图1）。观察到 DABCO 氧化的起始电位为 0.2 V（vs. Fc/Fc+），比 2a 和 3a 的电位更负（约 1.3 V vs. Fc/Fc+）（图1a）。没有观察到 1a 的氧化峰。这些结果表明 DABCO 在电化学反应中主要被氧化。为了确认 DABCO 的作用，测量了 DABCO 和 1a 混合物的 CV；然而，没有观察到催化电流，表明 DABCO 在电解过程中不能再生（图 S5）。为了确认基底的效果，我们接下来测量了1a、NaH和15-冠-5混合物的循环伏安（CV）图（图1b）。该混合物在1.25 V处显示出氧化峰，表明产生了容易氧化的阴离子物种。有趣的是，在1a和2a混合物的CV谱中观察到了催化电流（图1c）。这表明2a也作为1a的电化学介质。图1（在图查看器中打开）

(a) 1a、2a和3aa的循环伏安图；(b) 含有NaH和15-冠-5的1a；以及(c) 1a、2a和1a与2a的混合物。基于这些实验，1a和2a的电化学反应的合理机制如图2所示。如前所述，存在几种反应路径。第一种是DABCO介导的路径（图2a）。DABCO在阳极被氧化生成自由基阳离子A。1a转化为A后产生磷杂环戊烯自由基中间体C。随后，生成的自由基物种与炔烃2反应生成自由基中间体D，接着发生自由基环化形成中间体E。区域异构体的产生（方案2b）表明存在另一种涉及螺环中间体的路径（图S11）[7]。环化的自由基物种在阳极被氧化生成阳离子中间体F，然后脱质子生成最终产物3a。我们假设使用高表面积碳电极（如CF和RVC）对于高效氧化中间体E到F非常重要。在阴极，水和质子化的DABCO（B）会被还原。我们还进行了密度泛函理论（DFT）计算，计算出的能量曲线支持这一反应路径（见补充信息）。图2b示出了另一种由电生成的碱（-OH）促进的自由基生成路径。水在阴极被还原生成-OH，它与1a的互变体[75]反应生成阴离子中间体G。后者在阳极被氧化生成自由基中间体C。如上所述，2a作为1a的介质。该机制在图2c中进行了说明。炔烃2在阳极被氧化生成自由基阳离子2•+，进而氧化1a为1a•+。1a•+的随后脱质子生成自由基中间体C。图2（在图查看器中打开）

通过(a) DABCO介导的路径、(b) 电生成的碱促进的路径和(c) 烯烃介导的路径的合理机制。

3 结论

我们开发了一种利用DABCO作为介质，高效进行二芳基磷氧化物与炔烃之间的电化学分子间环化反应的方法，以合成BPOs。该协议在无过渡金属和无氧化剂的条件下进行，仅依靠电流来促进C-P和C-C键的形成。使用高表面积碳电极（如CF和RVC）对于实现高效率至关重要。包括自由基捕获实验、电子顺磁共振（EPR）分析和CV在内的机制研究支持了磷杂环戊烯自由基中间体的形成。结果进一步表明，在电化学条件下存在多种反应路径，包括DABCO介导的氢原子转移路径以及由阴极产生的碱物种促进的路径。值得注意的是，炔烃也作为氧化还原介质参与反应，这突显了电化学系统的复杂性和多样性。这项研究表明，使用有机介质进行间接电解可以高效实现分子间的C-P和C-C键形成环化反应，并扩展了构建含磷π共轭框架的电化学策略的范围。我们预期这种方法将为功能性有机磷材料的可持续合成提供一个通用平台。支持信息

更多支持信息可以在补充信息部分在线找到。致谢

部分计算工作使用了日本冈崎的计算科学中心（项目编号：23-IMS-C120、24-IMS-C115和25-IMS-C116）。这项工作得到了中国电气技术研究基金会（OU-SPRING）和日本学术振兴会（JSPS）的支持（项目编号：JP22H02122（针对K.M.）、JP23K17917（针对K.M.）、JP25KJ1850（针对Y.O.）、JP23K13748（针对E.S.）、JP22K05115（针对S.S.）以及JP21H05214（数字化驱动的变革性有机合成）（针对S.S.））。资助

这项工作得到了中国电气技术研究基金会（OU-SPRING）和日本学术振兴会（JP22H02122、JP23K17917、JP25KJ1850、JP23K13748、JP22K05115和JP21H05214）的支持。利益冲突

作者声明没有利益冲突。数据可用性声明

支持本研究结果的数据可以在本文的补充信息中找到，或根据合理请求从相应作者处获取。