新加坡国立大学吴继善团队Angew：无模板合成的高张力、全π-共轭的全芳香性卟啉环蕃

方案1 化合物1的合成及其双阳离子1²⁺ · 2SbF^{6 -}和1-2Cl^{2 +} · 2SbCl^{6 -}形式。

在本文中，作者设计并合成了迄今为止最小的基于卟啉的笼状化合物，其在meso位由α，α ' -联噻吩连接了两个卟啉单元。作者预计这种结构是具有高度应变力的，且在中性和氧化状态下，π电子在完全共轭的骨架中离域，使得结构具有的整体芳香性。

在1的合成方面，作者开发了一种从卟啉醌( 2 )开始的无模板策略。首先，他们发现，在将2，5 -二溴噻吩与2发生亲核加成反应后，得到目标二醇中间体全为顺式结构，两个5 -溴-2-噻吩基位于同一侧，是理想的大环化试剂。然后，他们对4进行分子间的Yamamoto偶联，得到了含有四个甲氧基的环状二聚体5，经纯化后产率为17 %。5在二氯甲烷( DCM )和三氟乙酸( TFA )的溶液中，经SnCl₂还原、DDQ氧化脱氢和硅胶柱层析纯化后，以93 %的收率得到目标π共轭笼1。

图1 ( a )在CH₂Cl₂中，以0.1 M nBu₄N · PF₆为支持电解质，测定的1的循环伏安图( CV )和差分脉冲伏安图( DPV )；( b )中性化合物1和双核化合物1^{2 +} · 2SbF^{6 -}在CH₂Cl₂中的电子吸收光谱。

1的循环伏安图和差分脉冲伏安图显示一个可逆的氧化波，半波电位( E_{1 / 2}^ox )在0.12 V，一个伪可逆的氧化波为E_{1 / 2}^ox = 0.68 V，可以分别对应于单电子和双电子转移过程。在干燥的DCM中，用过量的NO· SbF₆对1进行化学氧化，能得到相应的双核化合物( 1^{2 +} · 2SbF^{6 -} )，并以单晶形式分离得到。然而，在用[ ( 4-BrC₆H₄ ) ₃N ] SbCl₆氧化后，只能得到双氯双阳离子1 - 2Cl^{2 +} · 2SbCl^{6 -}。单晶X射线衍射分析表明，2个氯原子连接在卟啉单元的meso位，并有2个SbCl^{6 -}抗衡离子。

在DCM中，化合物1在λ_max = 433 nm处有一个尖锐的Soret带，在λ_max = 541，588，614和680 nm处存在四个弱的Q带，这对应于卟啉的结构，表明通过联噻吩连接的两个面对面卟啉之间的电子耦合有限。相比之下，1^{2 +} · 2SbF^{6 -}则发生了显著的变化，在λ_max = 455和742 nm处有两个强而宽的吸收带，在λ_max = 1245 nm的近红外区域有一个中等强度的吸收带，表明整个π共轭骨架的电子离域性增强。1和1^{2 +}的DFT计算表明，最低能量吸收对应于HOMO→LUMO电子跃迁。在中性状态下，HOMO和LUMO系数主要集中在卟啉单元上，而在双核结构中，它们在整个π共轭骨架中离域，这表明了潜在的全局芳香性。

图2 ( a ) 1和( b ) 1^{2 +}∙2SbF^{6 -}的晶体结构和键长(单位：Å )。

在1的单晶结构中，该分子属于三斜晶系P - 1空间群，具有C₂中心对称性。卟啉大环发生扭曲，表明具有较大的应变。卟啉与相邻的噻吩之间的二面角为61.6^◦ / 76.5^◦ 和45.1^◦ / 56.7^◦ ，并且2，2′-联噻吩单元中的两个噻吩环也形成了51.3^◦ 的二面角。键长分析表明，连接卟啉环和噻吩环之间的键( 1.483 ( 3 ) / 1.493 ( 3 ) Å )以及噻吩环之间的键( 1.464 ( 3 ) Å )明显长于典型的C ( sp² ) -C ( sp² )键( 1.45Å )。这种高度扭曲的结构也会破坏有效的电子离域。双核1^{2 +} · 2SbF^6-化合物属于同一空间群，具有相同的中心对称性，并且卟啉和噻吩环之间的二面角( 39.5^◦ / 51.3^◦ 和56^◦ / 42^◦ )比中性化合物的二面角小，表明更有效的π电子离域。然而，两个噻吩之间的二面角为64.9^◦ ，比中性结构中噻吩的二面角稍大。同一卟啉的中间位置的两个对位碳原子的距离分别为6.57 Å和7.98 Å，而1^{2 +} · 2SbF^{6 -}中对应的距离分别为6.53 Å和8.10 Å，表明化学氧化后卟啉环弯曲程度增加，应变增大。

对比1和1^{2 +}· 2SbF^{6 -}的侧视图可以发现，1中的两个卟啉环是完全对齐的，而1^{2 +}· 2SbF^{6 -}中的卟啉环发生了明显的位移，这种结构变化可能增强了卟啉和联噻吩单元之间的π电子离域。1和1^{2 +}· 2SbF^{6 -}都是紧密堆积的，其中1与周围4个分子有π - π的相互作用，而1^{2 +}· 2SbF^{6 -}与周围2个分子有相互作用。

图3 1和1^{2 +}的理论计算和π电子离域图。

为了进一步了解1及其双阳离子1^{2 +}的芳香性和反芳香性性质，作者根据晶体结构进行了感应电流密度( ACID )、核独立化学位移( NICS )和位移屏蔽面( ICSS )的各向异性计算。1在三个不同方向上的ACID图揭示了每个噻吩环的顺时针环电流回路，并且计算了两侧几何中心处的NICS ( 1 ) _zz值，分别为- 19.9，- 20.4，- 19.1和- 20.1 ppm。此外，当磁场(绿色箭头)垂直穿过卟啉环时，NICS ( 0 ) _iso值为- 13.5 ppm，对应于在几何中心的卟啉单元，ACID图显示出相同的各向异性环电流。这些计算与X射线分析、NMR和吸收光谱一致，证明了主要的局域芳香性。

1^{2 +}的ACID图显示了沿着主要π共轭骨架的顺时针方向的各向异性环电流回路，表明整个骨架的全局芳香性。在卟啉区域中可以观察到两个清晰的分支电路，其中右分支比左分支更突出，这可能是由于分支之间的角度和它们相对于磁场的方向不同。计算得到的桥联噻吩环几何中心处的NICS ( 1 ) _zz值( - 27.3、27.3、- 25.9和- 26.9 ppm)均比1更负，凸显了全局芳香性的显著贡献。当磁场垂直于卟啉环方向施加时，1^{2 +}的ACID图显示主要的顺磁性电流回路，在卟啉的吡咯单元内有微弱的顺磁性电流，表明卟啉环的反芳香性占主导地位。

总之，在本文中，作者通过立体选择性的卟啉醌亲核加成和Yamamoto偶联反应，成功地合成了高张力、全π共轭的卟啉基环蕃( 1 )。化合物1具有高度扭曲的结构，具有较大的应变能( 51.2 kcal / mol )，并且在单个卟啉大环和噻吩环中表现出局部芳香性。相比之下，它的双核物种1^{2 +}表现出更大的张力( 80.7 kcal / mol )，以及沿整个大环骨架的整体芳香性和卟啉环中较弱的局部反芳香性的独特组合。本研究为构建高张力π共轭体系提供了一种合理的合成途径。

Title: Highly Strained, Fully π-Conjugated Porphyrin Cyclophanes: Template-free Synthesis and Global Aromaticity

Authors: Longbin Ren, Yi Han, Liuying Jiao, Ya Zou and Jishan Wu*

To be cited as: Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202418532

DOI: 10.1002/anie.202418532