无需催化剂和溶剂的固-固熔融法合成多色发光的雙功能基喹喔啉类荧光染料

《RSC Advances》：Catalyst and solvent-free solid–solid melt synthesis of multi-colour emissive 2-functionalized quinoxaline-based fluorophores

　　赛·特贾·塔拉里 | 拉马·莫哈纳·雷迪·西里吉雷迪 | 西瓦·达克沙雅尼·瓦达纳帕利 | 莫汉·达斯·达萨帕 | 苏尔塔娜·谢克 | 文卡特拉穆·韦穆拉 | 伊塔穆卡拉·乌巴 | 拉玛莫哈纳·雷迪·马迪克 | 哈拉纳特·迪维 | 奇纳·甘吉·雷迪·纳拉戈恩杜
绿色与可持续合成有机化学及光电子学实验室，化学系，约吉·维马纳大学，卡达帕-516005，安得拉邦，印度
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我们开发了一种快速、高效且实际可行的固-固熔融反应（SSMR）方法，用于在无溶剂和催化剂条件下，利用容易获得的邻苯二胺和α-溴酮或芳基乙二醛/乙二酸合成多种颜色发射的喹诺酮类小分子荧光染料（QBSOFs）。这种环境友好的方法具有操作简便、避免高频微波或超声辐照等成本高昂且限制规模的技术、广泛的底物兼容性以及优异的官能团耐受性，并且产物的纯度较高。值得注意的是，该反应能够迅速进行，产率接近定量（95–99%）。2-(4-氯苯基)喹诺酮的成功克级合成进一步证明了该方法在大规模生产2-芳基喹诺酮方面的经济可行性和工业应用性。合成的喹诺酮类荧光染料的固态光物理性质也得到了系统研究，这些化合物表现出从紫蓝到黄光区域的可调发射谱，主要受喹诺酮核第2位取代基性质的影响。特别是，4-(喹诺啉-2-基)苯腈和4-(6,7-二甲基喹诺啉-2-基)苯腈分别显示出冷白光和暖白光发射。此外，其HOMO和LUMO能级与已报道的导 hole 材料相当，突显了这些荧光染料同时具有发光和导 hole 的特性。因此，这些多色发射的QBSOFs具有潜在的有机光电器件应用价值。

**引言**
有机光电子材料因其潜在的应用而受到广泛关注，例如有机发光二极管（OLEDs）、有机太阳能电池（OSCs）、有机场效应晶体管（OFETs）和有机荧光传感器等。特别是含氮杂环化合物在药物化学和材料科学中发挥着重要作用。在各种含氮杂环化合物中，基于喹诺酮的化合物因其优异的电子性质、结构灵活性、颜色可调性以及高热稳定性和光化学稳定性而在有机电子领域受到极大关注。因此，基于喹诺酮的材料在有机光伏器件、有机半导体、电致发光材料、荧光探针、OLEDs、OSCs、染料敏化太阳能电池、聚合物发光二极管（PLEDs）和燃料电池等领域有广泛应用。喹诺酮不仅在光电子领域有广泛应用，在生物学和农业领域也有潜力应用。一些基于喹诺酮的药物分子和荧光材料如图1所示。

**合成方法**
由于喹诺酮在生物学和光电子领域的广泛应用，已经开发了多种合成方法来制备其衍生物。传统上，喹诺酮通常通过科纳方法（K?rner method）和欣斯伯格方法（Hinsberg method）等经典方法合成。这些方法通常涉及邻苯二胺与1,2-二羰基化合物的缩合反应生成2,3-取代的喹诺酮。近年来，人们致力于开发更绿色和可持续的合成路线，包括使用环保催化剂、环境友好型溶剂和替代绿色技术。此外，2-取代喹诺酮也常通过邻苯二胺与α-溴酮的反应合成，使用多种催化剂和溶剂以提高反应效率。尽管上述方法能有效合成喹诺酮衍生物，但它们存在一些缺点，如反应时间较长、催化剂用量大、底物范围狭窄、需要昂贵且有毒的催化剂和试剂、繁琐的后处理过程、产生大量废物以及不适合工业应用等。因此，开发环境友好且工业可行的合成路线以克服这些缺点成为当前研究的重点。

**固-固熔融反应（SSMR）策略**
固-固熔融反应（SSMR）被认为是一种环保的合成方法，并已成功应用于生物活性有机化合物的合成。在这种策略中，固体反应物在其共晶温度下熔化。SSMR具有设置简单、环境友好、反应速度快、选择性高、无需溶剂、短时间内获得定量产物、无需色谱技术纯化、简化后处理过程、减少废物生成和良好的可扩展性等优点，非常适用于工业应用。据我们所知，目前尚未有关于利用邻苯二胺和α-溴酮或芳基乙二醛/乙二酸合成2-芳基喹诺酮的SSMR策略的研究报道。

**研究内容**
基于对氮基和硫基杂环结构的绿色和可持续合成方法的研究兴趣，我们展示了利用SSMR策略合成2-芳基喹诺酮的方法。该方法包括使用不同的邻苯二胺和α-溴酮，以及在无催化剂和无溶剂条件下进行反应。结果表明，该方法在短时间内（1–13分钟）即可获得产物。进一步研究了合成2-芳基喹诺酮的光物理和电化学性质。

**结果与讨论**
为了开发绿色合成方法以合成喹诺酮衍生物，我们对模型底物邻苯二胺（2.0 mmol）和4-氯苯酰溴（2.0 mmol）进行了优化研究，目标是获得2-(4-氯苯基)喹诺酮。首先，在RT条件下，使用研磨化学（GSC）在TiO2纳米管（TNTs）存在下将两者研磨10分钟，但产率较低（30%）。随后尝试了溶剂滴加研磨（SDG）方法，在不同溶剂（水、乙醇、异丙醇和丙酮）和TNTs催化剂存在下进行反应15分钟，产率在15%到45%之间。进一步在45°C下使用超声辐照（USI）进行反应，产率提高到75%。为了提高产率，我们在无溶剂条件下通过SSMR策略将底物混合物在55–60°C下熔化，结果在极短时间（1.0分钟）内获得了接近定量的目标产物（99%）。优化结果表明，与其他绿色方法相比，SSMR方法在1.0分钟内能以最高产率（99%）获得目标产物。

**应用**
利用上述优化后的反应条件，我们应用SSMR策略合成了多种2-芳基喹诺酮衍生物。结果表明，含活化基团和失活基团的底物在优化条件下都能获得良好的产率。此外，该方法还扩展到了其他类型的芳香族化合物和杂环化合物的合成中，进一步证明了其通用性。

**总结**
我们的研究表明，SSMR策略是一种高效且环境友好的合成方法，适用于多种含氮和硫基杂环化合物的合成。这一成果为有机光电器件的开发提供了新的可能性。从1,2-二胺和芳基乙二醛/乙二酸合成2-芳基醌类化合物的库：
反应条件：(2.0 mmol)和(2.0 mmol)，在无催化剂和无溶剂条件下，温度为55–85 °C，反应时间为1–7分钟。
邻苯二胺与同时含有供电子基团(3,4-diOMe)和吸电子基团(3-NO2)的苯基乙二醛反应，分别以99%和98%的优异产率获得了相应的醌类化合物。此外，邻苯二胺还能顺利与1-萘基乙二醛和2-萘基乙二醛反应，得到所需的产品。值得注意的是，该反应还显示出了与苯基乙二酸和2-噻吩基乙二酸的高反应性，同样能够以优异的产率生成相应的醌类化合物。类似地，4-硝基-1,2-苯二胺也表现出与含有各种取代基团(如3,4-diOMe、4-Et、3-OH和4-OMe)的苯基乙二醛的良好反应性，生成了相应的醌类化合物。这些反应均以良好的产率生成了目标产物。
研究表明，无论芳基乙二醛/乙二酸和1,2-二胺的苯环上具有何种取代基团，SSMR反应策略都能实现目标产物的优异产率。

**可能的反应机理**
从(a)邻苯二胺和α-溴酮以及(b)邻苯二胺和芳基乙二醛/乙二酸合成2-芳基醌类的可能机理如图2所示。这些转化的机理途径已在文献中有所报道。

**可扩展性**
为了验证所开发的SSMR策略的可扩展性，使用模型底物邻苯二胺(10.0 mmol, 1.08 g)和4-氯苯酰溴(10.0 mmol, 2.32 g)进行了克级反应，生成了2-(4-氯苯基)醌类化合物，产率为98%（2.35 g，图2）。由此可见，该方法是经济可行且适合工业应用的。

**2-芳基醌类的光物理性质**
通过吸收光谱(图3)和发射光谱(图4)研究了2-芳基醌类的光物理性质。合成得到的2-芳基醌类的CIE色坐标和相关色温(CCT)值从各自的发射光谱中得出。

**结论**
所开发的合成方法具有绿色化学优势，相关指标接近理想值，表明该方法与绿色化学原则高度一致。此外，这些化合物在固态下展现出优异的外量子效率(EQEs)，进一步证明了其在白色发光二极管(WLED)中的应用潜力。采用了一种标准的三电极配置，包括一个Ag/Ag+（饱和KCl）参比电极、一个铂片工作电极和一个铂丝作为对电极。所有的伏安图都是在100 mV s?1的扫描速率下记录的，电位范围从?0.2到1.6 V。最高占据分子轨道（HOMO）能级是根据氧化起始电位通过以下关系估算的：EHOMO = ?[Eox (onset) ? EFOC + 4.8; (EFOC = 0.38 eV)]，而最低未占据分子轨道（LUMO）能级则是利用吸光光谱计算出的光带隙（Eoptg）得出的（图3a和b；Eoptg = 1240/λedge），其表达式为ELUMO = (EHOMO + Eoptg)。所有研究的化合物（，，，，，，，，，，，和）在循环伏安图中显示出准可逆的氧化还原特征（图6a和b），提取的电化学参数汇总在表6中。如表中总结的，合成的喹诺嗪的HOMO和LUMO能级分别位于?5.63到?5.52 eV和?2.92到?2.23 eV之间。这些值与已报道的空穴传输材料（HTMs）的值非常接近，例如N,N′-bis(metatolyl)-N,N′-diphenylbenzidine（TPD，HOMO/LUMO ?5.5/?2.3 eV）、N,N′-di-(naphthalen-1-yl)-N,N′-diphenylbenzidine（NPB；HOMO/LUMO -5.5/-2.4 eV）、poly(9,9-dioctylfluorene-alt-bithiophene）（F8T2；HOMO/LUMO ?5.5/?3.1 eV）和4,4′-[bis-((4-di-n-hexylamino)benzylideneamino)]stilbene（DHABS；HOMO/LUMO ?5.6/?2.7 eV）104, 105。表6中有提及。在文献中报道的HTMs中，TPD、NPB和F8T2通常被用作OLED设备中的空穴传输层（HTLs）。值得注意的是，这些化合物的HOMO能级低于空气氧化阈值（约?5.2 eV），表明它们在环境条件下具有更强的抗氧化降解能力。106, 107。下载：下载高分辨率图像（466KB）下载：下载全尺寸图像图6。（a）在DMSO（1.0 × 10?5 M）中，2-芳基喹诺嗪（，，，和）的循环伏安图，扫描速率为100 mV s?1。（b）在DMSO（1.0 × 10?5 M）中，2-芳基喹诺嗪（，，，和）的循环伏安图，扫描速率为100 mV s?1。表6。2-芳基喹诺嗪（）的电化学性质及其HOMO–LUMO能级与文献报道的HTMs的比较。化合物 λ edge (nm) E opt g (eV) E ox (onset) E HOMO (eV) E LUMO (eV) HTM的 comercial name E HOMO (eV) E LUMO (eV) 参考文献3793.271.142?5.56?2.29TPD/NPB?5.5/?5.5?2.3/?2.4 105 3773.281.142?5.56?2.28TPD/NPB?5.5/?5.5?2.3/?2.4 105 3763.291.107?5.52?2.23TPD/NPB?5.5/?5.5?2.3/?2.4 105 3763.291.110?5.53?2.24TPD/NPB?5.5/?5.5?2.3/?2.4 105 3843.231.164?5.58?2.35TPD/NPB?5.5/?5.5?2.3/?2.4 105 4632.671.139?5.56?2.89F8T2?5.5?3.1 105 4162.981.208?5.63?2.65DHABS?5.6?2.7 105 4252.911.195?5.61?2.70DHABS?5.6?2.7 105 4732.621.120?5.54?2.92F8T2?5.5?3.1 105 4392.821.104?5.52?2.70DHABS?5.6?2.7 105 4402.811.189?5.61?2.80DHABS?5.6?2.7 105 计算研究计算研究使用了Gaussian 09W软件包和B3LYP/6-311+G(d,p)理论水平，108来预测所研究化合物的电子结构。为了更深入地了解光物理行为，特别是对代表性化合物的电子转换（前沿分子轨道HOMO和LUMO），采用了时变密度泛函理论（TD-DFT）方法在溶液相中进行分析。图7展示了这些模型系统的HOMO和LUMO轨道的空间分布，清晰地可视化了激发时的电子密度迁移。定量上，计算得到的HOMO/LUMO能级分别为?5.43/?3.06 eV、?5.38/?3.02 eV和?5.43/?3.13 eV，对应的带隙（Eg）值分别为2.37、2.36和2.30 eV。这些相对较窄的带隙表明了它们在光电子系统中的良好电子离域性和潜在的应用性。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图7。，和的HOMO/LUMO分布。重要的是，这些理论结果与从循环伏安法测量得到的实验值非常吻合。实验得到的（?5.54/?2.92 eV）、（?5.52/?2.70 eV）和（?5.61/?2.80 eV）的HOMO/LUMO能量分别对应于2.62、2.82和2.81 eV的带隙（Eg）（表6）。尽管由于溶剂效应、方法学近似和实验条件可能会有一些微小偏差，但整体一致性验证了计算模型的稳健性。理论预测与电化学数据之间的强相关性进一步增强了所采用的DFT框架在探测此类分子系统电子性质方面的可靠性。喹诺嗪合成的比较研究表7总结了当前方法与已报道的喹诺嗪合成协议之间的比较。报道的绿色能量辅助方法，包括力学化学、微波、超声波和光化学方法（表7，条目1–14、20–27）能够提供中等至优异的产率，但它们通常需要专用设备、较长的反应时间、高温、昂贵的催化剂、有害溶剂、色谱纯化过程以及外部能源。此外，它们的可扩展性仍然有限。41., 42., 43., 44., 45., 46., 47., 48., 49., 50., 51., 52., 53., 54., 65., 66., 67., 68., 69., 70., 71。表7. 选定的喹诺嗪合成方法的比较。条目方法催化剂/辐照溶剂温度（°C）时间（分钟）纯化产率（%）可扩展性参考文献（I）从1,2-二胺和1,2-二羰基化合物合成2,3-取代喹诺嗪（A）绿色能量辅助方法1均质化（2毫米球磨棒和4000转/分钟）——室温部分产品需要柱色谱91–99是41 2研磨[EMIM]AlCl4EtOH室温5–8柱色谱45–83— 42 3力学化学球磨（600转/分钟）La(DS)3和NaCl—室温30柱色谱72–99— 43 4液体辅助手工研磨—EtOH室温10–30液体产物需要柱色谱80–98— 44 5研磨纳米高岭土/BF3/Fe3O4—室温10–75重结晶（EtOH）69–98— 45 6研磨基础Al2O3—室温10–25柱色谱87–99— 46 7微波微波辐照H2O（A）/AcOH（B）23060/10柱色谱86–95/80–97— 47 8a微波微波辐照二甲苯22060柱色谱70–96是48 9微波微波辐照（100–220瓦）甘油80–1002–8柱色谱83–95— 49 10微波微波辐照（400瓦）——0.5–3结晶（EtOAc和己烷（7:3）80–90— 50 11超声波超声波辐照（150瓦和55千赫）EtOH和AcOH室温45–90柱色谱90–98— 51 12超声波超声波辐照（750瓦，2000焦耳和20%振幅H2O室温0.58–4.2重结晶（乙醇/甲苯）86–99— 52 13可见光Rose Bengal/CFL灯泡辐照（23瓦）CH3CN室温30–180柱色谱75–93— 53 14b蓝光LED（30瓦，448纳米）辐照1,2-DCE80720柱色谱27–99是54 （B）传统方法15磁力搅拌—氯化胆碱/水室温5萃取用EtOAc46–97— 55 16磁力搅拌Ca(IO3)2EtOH室温3–20重结晶（EtOH或MeOH/AcOH）89–97— 56 17磁力搅拌Ni@Co3O4纳米笼EtOH3015–20—85–100— 57 18加热CuO@g-C3N4—1005–60柱色谱71–90是58 19磁力搅拌阿拉伯树胶H2O?:?EtOH（1?:?4）室温6–1080重结晶（EtOH）55–98— 59 （II）从1,2-二胺和α-卤代酮/甲基酮合成2-取代喹诺嗪（A）绿色能量辅助方法20力学化学球磨（20赫兹和6个球）（3.0毫米）TCCA, p-TSA和K2CO3—室温600柱色谱75–82— 65 21力学化学球磨（600转/分钟）La(DS)3和NaCl—室温30柱色谱72–99— 43 22微波微波辐照t-BuOH/CH2Cl210015柱色谱31–62— 66 23微波硅胶/微波辐照—70–15010–20柱色谱70–85— 67 24微波AgI, I2/微波辐照（300–350瓦）H2O–PEG-400（1?:?2）90–1003–5制备层析93–97— 68 25微波微波辐照100–1208重结晶（95% EtOH）37–95— 69 26超声波TMSCl/超声波辐照（150瓦和55千赫）甘油–水70–752.7–3重结晶（水溶液EtOH）90–94— 70 27可见光K2CO3/CFL灯泡辐照（9瓦）DMSO和氧气压力（2大气压）室温1440柱色谱56–85是71 （B）传统方法28磁力搅拌Cu(TfO)2EtOH50480柱色谱74–91是72 29磁力搅拌Cu0.5Ni0.5 Fe2O4EtOH回流30–55重结晶（热EtOH）91–98— 73 30磁力搅拌Al2O3–ZrO2DMF室温120重结晶51–92— 74 31磁力搅拌S8, 苹果酸DMSO80–110960柱色谱10–83是75 32加热Nano-γ-Fe2O3–SO3H—12060柱色谱58–97— 76 33磁力搅拌Cu(0)/Al2O3H2O室温7–80柱色谱81–92— 77 34磁力搅拌—H2O80120–180柱色谱72–85— 85 35 SSMR — — 50–85 1–13 用乙醇洗涤 95–99 是本文的工作a反应物是（2-(3-氧代吲哚-2-基)-2-芳基乙腈和1,2-二胺。b反应物是苯醌、乙炔和1,2-二胺。另一方面，传统方法（表7，条目15–19、28–34）经常使用昂贵的金属基纳米催化剂，产率较低至中等。这些方法存在几个限制，包括反应时间较长、使用有毒溶剂、依赖柱色谱进行纯化、可扩展性有限以及环境问题。55., 56., 57., 58., 59., 72., 73., 74., 75., 76., 77., 85.本文提出的SSMR策略（表7，条目35）在无催化剂和无溶剂的条件下进行，能够在相对较低的温度下短时间内（1–13分钟）获得优异的产率（95–99%）。该方法不需要特殊或昂贵的设备，因此经济上具有吸引力，并且易于适应常规实验室操作。它还展示了克级合成的可行性以及广泛的底物范围，适用于不同的α-溴代酮/芳基glyoxals/glyoxylic acids和取代的o-phenylenediamines。值得注意的是，产物纯度很高，无需色谱纯化。这些特点凸显了该协议的优越性。结论开发了一种无溶剂和催化剂的固-固熔融反应（SSMR）策略，作为一种绿色和可持续的方法来合成多色发射的喹诺嗪基小有机荧光体（QBSOFs）。该方法通过o-phenylenediamines与α-溴代酮或芳基glyoxals/glyoxylic acids的反应，高效地制备了2-芳基喹诺嗪。该方法具有几个关键优势，包括（i）环境友好且操作简单的过程，（ii）消除了微波或超声波辐照等成本高昂和限制规模的技术，（iii）广泛的底物范围和出色的官能团耐受性，（iv）简单的后处理程序，产物纯度高，（v）在短时间内获得接近定量的产率（95–99%）。克级合成的可行性进一步强调了该方法在2-芳基喹诺嗪制备方面的经济和工业潜力。从绿色化学的角度来看，关键指标如E因子、过程质量强度（PMI）和碳效率接近理想值，证实所开发的方法符合“设计友好”的原则。对合成喹诺嗪的固态光物理研究显示，其发射光谱可调，覆盖从紫蓝色到黄光的范围，这受到喹诺嗪核心2位取代基性质的强烈影响。特别是，某些化合物分别表现出冷白光和暖白光发射。此外，这些荧光体的HOMO–LUMO能级与已报道的空穴传输材料（HTMs）相当。这些发现表明，合成的喹诺嗪基荧光体结合了多色固态发射和有效的空穴传输特性，使其适合在有机光电子学领域的各种应用。实验通用信息所有化学品和溶剂都是商业可用的，无需进一步纯化即可使用。1H NMR光谱是在Bruker NMR光谱仪（400 MHz）上记录的。质谱是在Shimadzu-LCMS-2010A质谱仪上记录的。吸光光谱是使用Shimadzu model UV-3100 UV-可见光谱仪测量的。发射光谱是在Hitachi荧光光谱仪（F-2710）上记录的。反应通过薄层色谱（TLC）在0.25毫米Merck硅胶板上监测， Developmented plates在紫外光下观察。Millipore双蒸馏水用于后处理过程。α-溴代酮是根据已报道的方法制备