1,2,4-苯并三嗪自由基的合成及應(yīng)用研究進(jìn)展

李淑昱, 林 淵, 張睿博

(西南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 國(guó)家民委化學(xué)基礎(chǔ)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

自由基是指含有未成對(duì)電子的原子、分子和離子，由于單電子的存在，化學(xué)性質(zhì)比較活潑，具有獨(dú)特的物理性質(zhì)。穩(wěn)定的自由基在電子器件、太陽(yáng)能電池、鋰離子電池、儲(chǔ)能、電磁及生物應(yīng)用材料的構(gòu)建中占有重要的地位[1-12]。1900年，剛伯格發(fā)現(xiàn)了首例穩(wěn)定的有機(jī)自由基[13]。此后，自由基化學(xué)得到了迅速的發(fā)展，大量穩(wěn)定的有機(jī)自由基已被合成和分離，如氮氧自由基、三苯甲基自由基及其衍生物、噻唑自由基、主族較重元素自由基等[14-15]。而1,2,4-苯并三嗪自由基作為一種尤其穩(wěn)定的自由基(Chart 1)，自1968年Blatter首次合成以來(lái)，因其良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、較低激發(fā)能等特性而受到人們的廣泛關(guān)注[16-20]。

Chart 1

Chart 2

盡管1,2,4-苯并三嗪自由基發(fā)現(xiàn)較早，但是合成較為困難，多采用氧化苯三嗪的方式，產(chǎn)率較低[19,21]。2010年Koutentis課題組首次通過(guò)氧化腙胺化合物的方式合成了1,2,4-苯并三嗪自由基，極大提高了產(chǎn)率[22]。接著，研究者們通過(guò)不同的方法，如還原環(huán)化、增環(huán)反應(yīng)、去氫氧化、氮雜Wittig反應(yīng)法，制備了大量1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物，并且發(fā)現(xiàn)其具有特殊的物理性質(zhì)：很好的穩(wěn)定性[19]、寬可見(jiàn)光吸收區(qū)域[23]、可逆的氧化還原電位[24-26]。這些獨(dú)特的性質(zhì)使1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物在有機(jī)功能分子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

本文綜述了1,2,4-苯并三嗪自由基及其衍生物的合成方法，探討了1,2,4-苯并三嗪自由基在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)1,2,4-苯并三嗪自由基在功能材料開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1,2,4-苯并三嗪自由基的合成方法大致分為五大類：氧化電環(huán)化(方法i)、還原環(huán)化(方法ii)、增環(huán)反應(yīng)(方iii)、去氫氧化(方法iv)、氮雜Wittig反應(yīng)(方法v)(Scheme 1)。

Scheme 1

1.1 氧化電環(huán)化

2010年，Koutentis課題組報(bào)道了1,2,4-苯并三嗪自由基及6個(gè)C-7(R=CF3, Cl，Br, I, Me, OMe)取代衍生物的合成；空氣中，在Pd/C的催化下，1,8-二氮雜二環(huán)十一碳-7-烯(DBU)作為堿，于二氯甲烷溶劑中將相應(yīng)的腙氨化合物環(huán)氧化生成1,2,4-苯并三嗪自由基，通過(guò)TLC檢測(cè)分析反應(yīng)是否完全；反應(yīng)產(chǎn)物使用柱層析純化，產(chǎn)率高達(dá)90%(Scheme 2)[22]。

2017年，Grant等用市售分析純硝酸靈在乙腈中一步合成了1,2,4-苯并三嗪自由基，并進(jìn)行了反應(yīng)機(jī)理推測(cè)，水分子進(jìn)攻硝酸靈的卡賓中心，發(fā)生裂解，伴隨氧化環(huán)化反應(yīng)(Scheme 3)；通過(guò)此合成方式，將部分硝酸靈衍生物成功轉(zhuǎn)化成了1,2,4-苯并三嗪自由基[27]。

1.2 還原環(huán)化

通過(guò)上述環(huán)氧化反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)很高的產(chǎn)率，需要注意的是產(chǎn)率主要取決于腙胺化合物的純度；但是此中間體不穩(wěn)定，多數(shù)不能通過(guò)重結(jié)晶的方式提純，為合成不同類型的1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物帶來(lái)了困難。

2014年Koutentis課題組通過(guò)還原環(huán)化反應(yīng)合成了1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物。首先通過(guò)多步反應(yīng)制得酰肼化合物；室溫下，將錫粉一次性加入到酰肼的醋酸溶液中加熱回流反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，加入有機(jī)溶劑稀釋；并用氫氧化鈉溶液分解。此反應(yīng)用錫粉作為還原劑還原得到胺，在冰醋酸作用下實(shí)現(xiàn)醛胺縮合，并成環(huán)；最后在苛性堿氫氧化鈉溶液中分解得到1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物。這種合成方法避免了不穩(wěn)定中間體苯腙胺或其前體亞胺氯化物的合成，使反應(yīng)更容易進(jìn)行(Scheme 4)[26]。

Scheme 2

Scheme 3

Scheme 4

Scheme 5

Scheme 6

1.3 其他方法

(1)自由基參與的偶聯(lián)反應(yīng)

2011年，Koutentis課題組采用1,2,4-苯并三嗪自由基作為原料，進(jìn)行Stille和Suzuki-Miyaura 偶聯(lián)反應(yīng)，可以得到一系列苯環(huán)、噻吩、呋喃、聯(lián)苯取代的衍生物[28-31]，是比較少見(jiàn)的穩(wěn)定自由基參與偶聯(lián)反應(yīng)的例子(Scheme 5)。

Scheme 7

Scheme 8

Scheme 9

Scheme 10

將7-位碘代1,2,4-苯并三嗪自由基和苯基正丁基錫烷在醋酸鈀催化下于干燥的DMF中發(fā)生Stille偶聯(lián)，直到反應(yīng)完全；或通過(guò)得到的碘代1,2,4-苯并三嗪自由基和苯取代硼酸在醋酸鈀的催化下，碳酸鉀提供堿性環(huán)境，于干燥的甲苯中發(fā)生Suzuki-Miyaura反應(yīng)得到一系列7-位苯環(huán)及噻吩環(huán)取代1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物。這兩種反應(yīng)均需要在惰性氛圍中進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)率都比較高，Stille偶聯(lián)反應(yīng)相對(duì)較快，但是Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)得到的產(chǎn)物更加單一[28]。

(2)自由基官能團(tuán)轉(zhuǎn)換

采用上述不同方法已經(jīng)合成了部分1,2,4-苯并三嗪自由基，但是官能團(tuán)的種類還比較少，并且多為7-位取代；2014年Kaszynński課題組合成了一系列OCOPh(OBz)、OCH2Ph(OBn)、NO2、CO2Me取代的1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物，通過(guò)自由基的官能團(tuán)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)(Scheme 6)[20]。

取代羧酸經(jīng)過(guò)酰化、氨化、氯代反應(yīng)后，與取代水合肼反應(yīng)得到腙胺化合物，進(jìn)一步氧化環(huán)化得到1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物。以O(shè)Bz取代1,2,4-苯并三嗪自由基為例，通過(guò)與當(dāng)量氫氧化鉀在甲醇中反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)苯甲酸酯的水解或通過(guò)催化加氫得到酚羥基取代產(chǎn)物，與碘庚烷發(fā)生取代反應(yīng)實(shí)現(xiàn)羥基的官能團(tuán)轉(zhuǎn)換。

(3)環(huán)擴(kuò)展

通過(guò)擴(kuò)環(huán)反應(yīng)引入雜原子S、N、O，增加自旋離域程度，能夠使1,2,4-苯并三嗪自由基更加穩(wěn)定，有利于對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行分析，而且會(huì)提高在固態(tài)的磁交換作用。增環(huán)反應(yīng)可從苯環(huán)的C6和C7位置或者C7, C8位置進(jìn)行。

2012年Koutentis課題組合成了噻唑環(huán)作為衍生環(huán)的1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物。將1,2,4-苯并三嗪自由基用二氧化錳或高錳酸鉀直接氧化得苯醌類似物，經(jīng)過(guò)氨化、酰化后與五硫二磷反應(yīng)成環(huán)(Scheme 7)[32]。

2013年，Koutentis課題組報(bào)道了咪唑作為拓展環(huán)的1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物的合成與結(jié)構(gòu)。以苯醌的類似物和酰胺為原料，于甲苯中，N,N-二異丙基乙基胺作為堿，反應(yīng)即可得到中間體腙胺；將腙胺溶于冰醋酸，回流可得到咪唑環(huán)1,2,4-苯并三嗪自由基(Scheme 8)。其中苯醌類似物由二氧化錳或高錳酸鉀直接氧化1,2,4-苯并三嗪自由基獲得[25,33]。

2015年，Yoshioka課題組通過(guò)苯胺與酰肼一步反應(yīng)合成了噻唑重氮環(huán)合的1,2,4-苯并三嗪自由基，并從單晶結(jié)構(gòu)中分析出分子間通過(guò)S—S鍵形成π堆積(Scheme 9)[34]。

Scheme 11

Scheme 12

1.4 去氫氧化

2016年，Kaszynński課題組報(bào)道了一鍋煮合成1,2,4-苯并三嗪自由基的方法；由各類溴代芳烴和正丁基鋰或叔丁基鋰在低溫反應(yīng)獲得芳基鋰鹽；芳基鋰鹽和1,2,4-苯并三嗪發(fā)生親核反應(yīng)后經(jīng)空氣氧化可得目標(biāo)產(chǎn)物(Scheme 10)。此方法能夠?qū)㈦s環(huán)引入到N1的位置[35-37]。

2016年，Kaszynński課題組采用相似的方法合成了平面型1,2,4-苯并三嗪自由基(Scheme 11)，使未成對(duì)電子離域程度增加，紅外光譜向近紅外區(qū)移動(dòng)[38]。另外通過(guò)自由基環(huán)化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了平面型自由基的官能團(tuán)化，為自組裝材料、分子電子器件的應(yīng)用提供了可能性[39]。

1.5 氮雜Wittig反應(yīng)

2017年，Koutentis課題組將氮雜磷葉立德和羰基化合物在二苯醚中進(jìn)行加熱合成了1,2,4-苯并三嗪自由基，此方法避免了腙胺等水氧敏感化合物的生成，為合成1,2,4-苯并三嗪自由基提供了便利(Scheme 12)[40]。

2 1,2,4-苯并三嗪自由基的應(yīng)用

雖然1,2,4-苯并三嗪自由基含有單個(gè)電子，但是電子自旋離域程度較大，十分穩(wěn)定，在各個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用。

2.1 液晶光電導(dǎo)體

液晶材料在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)和太陽(yáng)能電池器件中有廣泛的應(yīng)用。其中盤狀液晶分子通常包括剛性的具有平面或近平面的芳香族內(nèi)核和外面圍繞著的6～8條柔性脂肪側(cè)鏈兩個(gè)基本組成部分；這樣的盤狀分子通過(guò)苯環(huán)之間的π-π鍵作用形成取向有序的向列相或位置有序的柱狀相和層狀相，擁有高的有序性和電荷傳輸速率。1,2,4-苯并三嗪自由基化合物多為平面化合物，且大π離域，當(dāng)取代基為長(zhǎng)鏈烷烴時(shí)，易形成盤狀液晶材料。2016年，Jasiński課題組合成了長(zhǎng)鏈取代的自由基分子1，分子間存在較強(qiáng)的自旋耦合，自組裝形成柱狀相；在液相中呈現(xiàn)反鐵磁耦合，晶相中的作用與N1取代基有關(guān)(Chart 2)；通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)自由基1a和1c光引發(fā)載流子遷移速率為1.3×10-3cm2V-1s-1，并展示出不同的磁性，是很好的光導(dǎo)盤狀液晶材料的結(jié)構(gòu)單元[41-44]。

2.2 分子電子器件

自由基因?yàn)楹袉坞娮涌赏ㄟ^(guò)電荷轉(zhuǎn)移的方式用作摻雜劑，例如有機(jī)自由基分子間作用可以形成自由基陰離子-自由基陽(yáng)離子對(duì)，產(chǎn)生的電荷會(huì)在電場(chǎng)中發(fā)生離域，形成一種新的自摻雜半導(dǎo)體材料，用于制備有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，且能夠大幅度提高導(dǎo)電性[45]。2015年，Zheng課題組先后合成了雙自由基2和3，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)它們?cè)谑覝鼐哂袑?dǎo)電性和磁性，且導(dǎo)電性通過(guò)溫度控制可實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)節(jié)，可用作分子電子器件(Chart 3)；這種現(xiàn)象是由于分子自摻雜引起的，并且導(dǎo)電性有了極大的提高。分子自摻雜能有效控制且能極大挺高導(dǎo)電性的特性通過(guò)傳統(tǒng)的化學(xué)摻雜很難實(shí)現(xiàn)，為先進(jìn)光電器件的應(yīng)用打開(kāi)了新世界[46-47]。

Chart 3

2.3 光學(xué)探測(cè)器

近紅外光電探測(cè)器在光纖通信、無(wú)人駕駛生物模式識(shí)別技術(shù)、光電耦合器等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。2015年，Zheng課題組合成的雙自由基化合物3在紫外可見(jiàn)、近紅外區(qū)域有寬的吸收峰，可用作光學(xué)探測(cè)器(Chart 3)；當(dāng)其和PCBM([6,6]-苯基C61丁酸甲酯)混合時(shí)，在300～1200 nm有較高的靈敏度和探測(cè)能力，和其他硅基、鎵基有機(jī)光學(xué)探測(cè)器相比更具有優(yōu)勢(shì)[46]。

2.4 聚合物合成控制

在高分子化合物的合成過(guò)程中，不僅要實(shí)現(xiàn)高分子鏈分子量分布的控制，還要能夠控制聚合物的組成和結(jié)構(gòu)；控制自由基聚合的過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定分子量和低離散度網(wǎng)狀、枝狀等聚合物結(jié)構(gòu)的合成。2013年，Krasia-Christoforou等合成了一系列1,2,4-苯并三嗪自由基及其衍生物(4)，首次用于穩(wěn)定自由基調(diào)節(jié)苯乙烯聚合的過(guò)程，使多分散系數(shù)為1.05～1.27，并探究不同取代基對(duì)平均分子量、轉(zhuǎn)化率的影響，為設(shè)計(jì)自由基用來(lái)控制聚合過(guò)程提供新思路(Chart 4)[48]。

Chart 4

2.5 電磁材料

1,2,4-苯并三嗪自由基是構(gòu)筑高自旋分子體系和磁性材料很好的結(jié)構(gòu)基元[17-18]。近幾年，研究人員合成了基于1,2,4-苯并三嗪的高自旋雙自由基及三自由基，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诖判圆牧现杏袧撛趹?yīng)用[46,49-52]。電磁材料不僅要求分子具有穩(wěn)定性，并且要能夠形成單層或薄膜用于電子設(shè)備中。2016年，Ciccullo課題組合成了自由基5并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)自由基5能夠在室溫紫外光照射下以薄膜形式穩(wěn)定存在，并通過(guò)EPR、XPS、原子力顯微鏡測(cè)試分析進(jìn)行了驗(yàn)證；這類自由基化合物在無(wú)金屬順磁性薄膜材料中有潛在的應(yīng)用(Chart 5)[52]。

Chart 5

Chart 6

2.6 傳感器

三硝基苯酚是強(qiáng)有機(jī)酸，易爆炸、易溶于水，比TNT更危險(xiǎn)，對(duì)人體健康有極大的影響，阻止三硝基苯酚在環(huán)境中的傳播至關(guān)重要，各種各樣的檢測(cè)傳感器已用來(lái)對(duì)硝基芳香化合物和三硝基苯酚進(jìn)行檢測(cè)。2014年，Zheng課題組合成了芘并三嗪自由基6，用于三硝基苯酚的檢測(cè)；該自由基與三硝基苯酚反應(yīng)靈敏，溶液顏色由粉色變?yōu)榫G色，可視化，選擇性好，檢測(cè)限為10-6M(Chart 6)[53]。

雖然1,2,4-苯并三嗪自由基的合成研究取得了一定的進(jìn)展，但是仍有困難存在，如取代基多位于C3及C7位，取代基種類較少，基于1,2,4-苯并三嗪的多自由基較難合成；另外可用于構(gòu)筑功能材料的化合物還是少數(shù)，實(shí)現(xiàn)此分子在電磁材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用是未來(lái)研究的重點(diǎn)，可以從高自旋1,2,4-苯并三嗪自由基的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等方面考慮，如構(gòu)建不同骨架結(jié)構(gòu)的多自由基、在分子中引入其他穩(wěn)定自由基單元、與金屬離子配位等。