可見光誘導熒光素鈉催化N-芳基四氫異喹啉的交叉脫氫偶聯合成THIQs類化合物

譚玉婷, 陳 陽, 周明東

(遼寧石油化工大學 石油化工學院,遼寧 撫順 113001)

如何有效地構建C—C鍵一直是有機合成領域的研究熱點[1]。近年來,過渡金屬催化的C—H鍵活化[2]和不同活性官能團的交叉偶聯[3]成為該研究領域中的理想合成方法。其中,N-芳烴四氫異喹啉類化合物的交叉脫氫偶聯(CDC)可以避免底物的預先功能化,縮短合成路線并提高反應效率,具有較高的原子經濟性及實用性[4]。在眾多不同的CDC反應中,1,2,3,4-四氫異喹啉類化合物(THIQs)因其大量存在于天然產物中,且可作為合成不同生物的活性中間體而被廣泛關注[5-7]。然而,大多數THIQs的CDC反應在THIQs和不同的親電體之間使用了許多過渡金屬催化劑[8-16](如釕、鐵、銅、釩、鉬、銥、鉑、金和鈀等)以及化學計量的氧化劑[17-20](如氧氣、過氧化氫、叔丁基過氧化氫和2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌等)。以上方法雖然被證明具有良好的反應性,但有些過渡金屬催化劑價格昂貴,且難以制備及分離,甚至涉及使用危險的過氧化物及非良性氧化系統,這些缺點嚴重限制了過渡金屬催化劑在有機催化合成領域中的廣泛應用。因此,綠色、經濟、安全高效的CDC反應催化體系亟待開發。

近年來,光催化因采用綠色經濟的可見光作為能量來源已成為現代有機合成領域的研究熱點[21]。可見光具有節能高效,條件溫和且操作簡便等優點,因此,可見光作為可以構建功能有機分子的實用有效方式而被廣泛關注[22]。在這一背景下,有機染料已被證明是一類廣受歡迎的無金屬光催化劑。有機染料廉價、低毒等特點被廣泛應用于許多可見光介導的有機光催化反應中[23]。熒光素鈉作為有機染料,具有良好的光催化性能[24]。雖然采用可見光催化的CDC反應已有報道[25-28],例如,以過渡金屬為光催化劑配合強氧化劑體系[25-26]、以蒽醌類化合物為光催化劑配合無機鹽體系[27]和以聚合物光敏材料為光催化劑的催化體系[28]等,但以熒光素鈉作為光催化劑的報道卻并不多見。

本文首次以2-位芳環上連有不同取代基的N-芳烴四氫異喹啉類化合物(1a～1n)為原料(圖1),以熒光素鈉有機小分子為光催化劑,對可見光介導下的N-芳基四氫異喹啉與硝基甲烷、硝基丙烷及1H-吲哚的交叉脫氫偶聯合成2-位(芳基)-1,2,3,4-四氫異喹啉類化合物(2a～2n)的反應進行研究(圖2)。通過對反應條件進行優化,得到了綠色、安全且高效的最佳反應條件,同時還考察了不同取代基底物的電子效應對反應的影響。最后對最佳條件下合成的14種不同取代基的2-位(芳基)-1,2,3,4-四氫異喹啉類化合物的可能機理進行了分析。

圖2 可見光誘導熒光素鈉催化N-芳基四氫異喹啉交叉脫氫偶聯反應

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AVANCE 400型核磁共振波譜儀(CDCl3或DMSO-d6為溶劑,TMS為內標)。

實驗所試劑及溶劑均為分析純,均購自上海麥克林生化科技有限公司,無特殊說明外均未作處理直接使用。

1.2 合成

(1)N-芳烴四氫異喹啉類化合物(1a～1n)的合成

使用Schlenk雙排管對250.00 mL史蘭克管進行抽換氣操作(重復3次),使反應管內保持氮氣氣氛。依次加入碘化銅(1.00 mmol)、磷酸鉀(20.00 mmol)、 2-丙醇(10.00 mL)、乙二醇(1.11 mL)、 1,2,3,4-四氫異喹啉化合物(10.00 mmol)和芳基碘化物(10.5 mmol)。將反應混合物在0 ℃下加熱回流,通過TLC(薄層色譜法)監測。反應結束后將其冷卻至室溫,取乙酸乙酯(20.00 mL)和飽和食鹽水(20.00 mL)加入到反應混合物中,有機層用乙酸乙酯(2×20 mL)萃取。合并有機相后用飽和食鹽水洗滌,用無水硫酸鎂干燥后過濾,濾液通過旋轉蒸發儀蒸發除去溶劑并通過柱層析(洗脫液:V石油醚∶V乙酸乙酯=5 ∶1)分離純化得到N-芳烴四氫異喹啉類化合物1a～1n。

2-(4-甲氧基苯基)-1,2,3,4四氫異喹啉(1a)[29]:白色固體2.15 g,產率90%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.16(d,J=8.4 Hz, 4H), 6.98(d,J=8.4 Hz, 2H), 6.88(d,J=8.2 Hz, 2H), 4.30(s, 2H), 3.78(s, 3H), 3.44(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.99(t,J=5.4 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 153.4, 145.4, 134.53, 134.46, 128.6, 126.5, 126.3, 125.8, 118.0, 114.5, 55.5, 52.6, 48.3, 29.1。

2-(對甲苯基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(1b)[29]:白色固體1.83 g,產率82%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.20～7.05(m, 6H), 6.93～6.89(m, 2H), 4.36(s, 2H), 3.52(t,J=6.0 Hz, 2H), 2.98(t,J=6.0 Hz, 2H), 2.28(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.7, 134.7, 134.6, 129.8, 128.7, 128.4, 126.5, 126.1, 125.9, 115.8, 51.5, 47.2, 29.1, 20.4。

2-(3,5-二甲基苯基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(1c)[30]:白色固體1.92 g,產率81%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.18(s, 4 H), 6.63(s, 2H), 6.51(s, 1H), 4.38(s, 2H), 3.53(t,J=5.8 Hz, 2H), 2.98(t,J=5.8 Hz, 2H), 2.31(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 150.8, 138.6, 134.8, 134.5, 128.4, 126.3, 126.2, 125.8, 120.6, 113.0, 50.8, 46.5, 29.3, 21.6。

2-苯基-1,2,3,4-四氫異喹啉(1d)[29]:白色固體1.95 g,產率93%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.33～7.23(m, 2H), 7.19～7.06(m, 4 H), 6.99～6.88(m, 2H), 6.82(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.42(s, 2H), 3.56(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.98(t,J=5.6 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 149.7, 133.8, 133.4, 128.3, 127.6, 125.6, 125.3, 124.9, 117.6, 114.1, 49.7, 49.5, 45.5, 45.3, 28.2, 28.0。

2-(萘-1-基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(1e)[29]:白色固體2.02 g,產率78%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.25(d,J=5.2 Hz, 1H), 7.84(d,J=4.4 Hz, 1H), 7.58(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.50～7.39(m, 3H), 7.25～7.06(m, 5 H), 4.31(s, 2H), 3.45(s, 2H), 3.13(s, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 149.5, 135.2, 134.7, 134.4, 129.1, 128.8, 128.26(s), 126.3, 126.1, 125.7, 125.6, 125.3, 123.6, 123.4, 114.8, 55.1, 51.3, 29.5。

2-(萘-2-基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(1f)[31]:白色固體1.95 g,產率75%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.76～7.64(m, 3H), 7.41～7.32(m, 2H), 7.28～7.21(m, 1H), 7.21～7.15(m, 5H), 4.52(s, 2H), 3.67(t,J=6.0 Hz, 2H), 3.04(t,J=6.0 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.5, 134.7, 134.4, 128.8, 128.6, 128.1, 127.5, 126.8, 126.5, 126.3, 126.2, 126.1, 123.1, 118.7, 109.3, 51.1, 47.2, 29.2。

2-(4-氯苯基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(1g)[29]:黃色固體1.95 g,產率80%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.24～7.11(m, 6H), 6.92～6.86(m, 2H), 4.37(s, 2H), 3.52(t,J=6.0 Hz, 2H), 2.98(t,J=5.6Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 147.9, 133.6, 133.1, 127.9, 127.4, 125.4, 125.1, 115.2, 49.5, 45.3, 27.9。

2-(4-溴苯基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(1h)[32]:白色固體2.22 g,產率77%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.36(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.18(d,J=6.6 Hz, 4 H), 6.81(d,J=8.0 Hz, 2H), 4.39(s, 2H), 3.52(t,J=5.2 Hz, 2H), 2.96(s, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 149.4, 134.5, 133.9, 131.7, 128.4, 126.5, 126.4, 126.1, 116.2, 110.3, 50.3, 46.2, 28.9。

4-(3,4-二氫異喹啉-2(1H)-基)苯腈(1i)[29]:白色固體1.89 g,產率81%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.51(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.20(d,J=14.0 Hz, 4 H), 6.86(d,J=8.0 Hz, 2H), 4.48(s, 2H), 3.61(s, 2H), 2.98(s, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 152.3, 134.9, 133.5, 133.4, 128.2, 126.9, 126.5, 126.4, 120.2, 112.6, 98.7, 48.8, 44.6, 28.9。

6,7-二甲氧基-2-苯基-1,2,3,4-四氫異喹啉(1j)[33]:白色固體2.29 g,產率85%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.32(d,J=7.6 Hz, 2H), 6.99(d,J=8.4 Hz, 2H), 6.82(t,J=7.2 Hz, 1H), 6.64(d,J=4.0 Hz, 2H), 4.33(s, 2H), 3.87(s, 3H), 3.86(s, 3H), 3.54(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.91(t,J=5.6 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 150.2, 147.3, 147.1, 128.7, 126.3, 125.7, 118.2, 114.8, 110.9, 109.1, 55.43, 55.38, 49.9, 46.2, 28.1。

6,7-二甲氧基-2-(對甲苯基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(1k)[33]:白色固體2.38 g,產率84%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.12(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.93(d,J=7.8 Hz, 2H), 6.63(s, 2H), 4.28(s, 2H), 3.88(s, 3H), 3.86(s, 3H), 3.49(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.89(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.28(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.3, 147.2, 147.0, 129.3, 127.7, 126.2, 125.9, 115.4, 111.3, 109.1, 55.4, 50.6, 46.9, 28.2, 20.0。

2-(4-氯苯基)-6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氫異喹啉(1l)[33]:白色固體2.49 g,產率82%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.19(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.88(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.64(s, 2H), 4.28(s, 2H), 3.86(s, 3H), 3.84(s, 3H), 3.49(t,J=5.8 Hz, 3H), 2.86(t,J=5.6 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 149.2, 147.8, 147.6, 128.9, 126.5, 125.7, 123.6, 116.3, 111.4, 109.4, 56.1, 55.9, 50.4, 46.7, 28.3。

(2) 2-位(芳基)-1,2,3,4-四氫異喹啉類化合物(2a～2n)的合成

在25.00 mL史蘭克管中加入1(0.50 mmol),親核試劑(5.00 mmol),熒光素鈉(FS)(0.015 mol)和甲醇(5.00 mL)。空氣氣氛室溫下使用12 W藍色LED燈照射,反應通過TLC監測,反應結束后通過柱層析(洗脫液:V石油醚∶V乙酸乙酯=5 ∶1,)分離純化得到目標產物2a～2n。

2-(4-甲氧基苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2a)[34]:黃色固體143.00 mg,產率96%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.28～7.12(m, 4H), 6.94(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.82(d,J=8.8 Hz, 2H), 5.39(t,J=8.4 Hz, 1H), 4.84(dd,J=12.0 Hz, 8.8 Hz, 1H), 4.56(dd,J=12.0 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.75(s, 3H), 3.61～3.53(m, 2H), 3.06～2.97(m, 1H), 2.71(dt,J=16.4 Hz, 4.0 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 154.1, 143.2, 135.3, 132.9, 129.2, 127.8, 126.9, 126.6, 118.8, 114.7, 78.9, 58.9, 55.6, 43.2, 25.8。

1-(硝基甲基)-2-(對甲苯基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2b)[34]:黃色固體131.00 mg,產率93%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.29～7.11(m, 4H), 7.08(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.88(d,J=8.0 Hz, 2H), 5.49(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.83(dd,J=11.8 Hz, 8.2 Hz, 1H), 4.56(dd,J=11.8 Hz, 6.2 Hz, 1H), 3.67～3.50(m, 1H), 3.13～3.00(m, 1H), 2.74(dt,J=16.4 Hz, 4.6 Hz, 1H), 2.25(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 146.3, 135.3, 132.8, 129.9, 129.3, 128.9, 127.9, 126.9, 126.6, 115.80, 78.8, 58.4, 42.3, 26.1, 20.3。

2-(3,5-二甲基苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2c)[34]:黃色固體136.00 mg,產率92%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.23～7.08(m, 4H), 6.58(s, 2H), 6.50(s, 1H), 5.51(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.81(dd,J=11.6 Hz, 7.6 Hz, 1H), 4.49(dd,J=11.6 Hz, 6.4 Hz, 1H), 3.65～3.49(m, 2H), 3.09～2.98(m, 1H), 2.74(dt,J=16.4 Hz, 4.8 Hz, 1H), 2.26(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.6, 139.0, 135.4, 133.0, 129.2, 128.0, 126.9, 126.7, 121.3, 112.9, 78.7, 58.2, 42.1, 26.5, 21.7。

1-(硝基甲基)-2-苯基-1,2,3,4-四氫異喹啉(2d)[34]:黃色固體123.00 mg,產率92%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.29～7.13(m, 5H), 7.12(dd,J=7.2 Hz, 1.6 Hz, 1H), 6.97(s, 1H), 6.95(s, 1H), 6.82(t,J=7.2 Hz, 1H), 5.52(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.84(dd,J=11.6 Hz, 7.6 Hz, 1H), 4.53(dd,J=12.0 Hz, 6.8 Hz, 1H), 3.68～3.54(m, 2H), 3.11～3.01(m, 2H), 2.76(dt,J=16.4 Hz, 4.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.4, 135.3, 132.9, 129.4, 129.2, 128.3, 126.9, 126.6, 119.4, 115.2, 78.7, 58.2, 42.0, 26.4。

2-(萘-1-基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2e)[32]:無色液體145.00 mg,產率91%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.16(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.83(d,J=7.2 Hz, 1H), 7.57(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.53～7.42(m, 2H), 7.33～7.14(m, 5H), 6.85(d,J=7.2 Hz, 1H), 5.34(dd,J=10.8 Hz, 4.4 Hz, 1H), 4.95(t,J=11.2 Hz, 1H), 4.68(dd,J=12.0 Hz, 4.4 Hz, 1H), 3.76～3.66(m, 1H), 3.52(dd,J=14.0 Hz, 5.6 Hz, 1H), 2.94～2.77(m, 1H), 2.56～2.45(m, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 147.4, 135.1, 132.4, 132.2, 129.2, 128.1, 126.9, 126.7, 116.7, 111.3, 78.5, 58.1, 42.0, 26.1。

2-(萘-2-基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2f)[31]:黃色固體143.00 mg,產率90%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.75～7.61(m, 3H), 7.37(t,J=7.2 Hz, 1H), 7.32～7.10(m, 7H), 5.67(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.89(dd,J=12.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 4.57(dd,J=11.6 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.84～3.75(m, 1H), 3.69～3.61(m, 1H), 3.14～3.05(m, 1H), 2.77(dt,J=16.4 Hz, 4.4 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 146.2, 135.1, 134.5, 132.7, 129.2, 128.2, 128.1, 127.4, 127.1, 126.7, 126.6, 126.4, 123.4, 118.2, 110.2, 78.8, 58.1, 42.2, 26.3。

2-(4-氯苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2g)[34]:黃色固體139.00 mg,產率90%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.28～7.11(m, 6H), 6.88(d,J=9.2 Hz, 2H), 5.48(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.83(dd,J=11.6 Hz, 8.0 Hz, 1H), 4.57(dd,J=12.0 Hz, 6.4 Hz, 1H), 3.68～3.55(m, 2H), 3.10～3.00(m, 1H), 2.77(dt,J=16.4 Hz, 4.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 147.2, 135.1, 132.4, 129.32, 128.2, 126.8, 126.7, 124.1, 116.4, 78.5, 58.2, 42.1, 26.1。

2-(4-溴苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2h)[34]:黃色液體158.00 mg,產率91%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.32～7.08(m, 6H), 6.82(d,J=8.4 Hz, 2H), 5.47(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.81(dd,J=12.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 4.53(dd,J=12.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 3.63～3.51(m, 2H), 3.08～2.97(m, 1H), 2.75(dt,J=16.4 Hz, 4.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 147.3, 135.1, 132.4, 132.2, 129.2, 128.1, 126.9, 126.7, 116.8, 111.4, 78.5, 58.0, 42.0, 26.1。

4-(1-(硝基甲基)-3,4-二氫異喹啉-2(1H)-基)芐腈(2i)[35]:黃色液體131.00 mg,產率89%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.55(dt,J=10.0 Hz, 3.2 Hz, 2H), 7.33～7.20(m, 5H), 7.14(d,J=7.6 Hz, 2H), 6.98(dt,J=10.0 Hz, 3.2 Hz, 2H), 5.64(t,J=14.4 Hz, 1H), 4.86(q,J=12.0 Hz, 7.2Hz, 1H), 4.61(q,J=12.0 Hz, 6.8 Hz, 1H), 3.69(t,J=12.4 Hz, 2H), 3.13(dt,J=16.4 Hz, 6.4 Hz, 1H), 2.91(dt,J=16.4 Hz, 5.6 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 150.9, 134.6, 133.7, 132.1, 129.0, 128.6, 127.0, 126.9, 119.7, 113.2, 100.5, 78.1, 57.3, 41.7, 26.7。

6,7-二甲氧基-1-(硝基甲基)-2-苯基-1,2,3,4-四氫異喹啉(2j)[32]:黃色液體138.00 mg,產率84%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.30～7.22(m, 2H), 6.98(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.86(t,J=7.6 Hz, 1H), 6.65(s, 1H), 6.62(s, 1H), 5.46(t,J=7.6 Hz, 1H), 4.88(dd,J=11.6 Hz, 8.0 Hz, 1H), 4.57(dd,J=12.0 Hz, 6.4 Hz, 1H), 3.86(d,J=2.8 Hz, 6H), 3.72～3.64(m, 1H), 3.62～3.53(m, 1H), 3.05～2.96(m, 1H), 2.68(dt,J=16.0 Hz, 4.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.8, 148.6, 147.6, 129.4, 127.2, 124.4, 119.5, 115.3, 111.6, 109.5, 78.7, 57.9, 56.1, 55.8, 41.9, 25.7。

6,7-二甲氧基-1-(硝基甲基)-2-(對甲苯基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2k)[33]:黃色液體142.00 mg,產率83%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.07(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.88(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.62(d,J=12.8 Hz, 2H), 5.41(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.84(dd,J=12.0 Hz, 8.4 Hz, 1H), 4.58(dd,J=11.6 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.86(s, 6H), 3.68～3.60(m, 1H), 3.58～3.49(m, 1H), 3.02～2.92(m, 1H), 2.62(dt,J=16.0 Hz, 4.4 Hz, 1H), 2.26(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.8, 147.6, 146.5, 129.9, 129.2, 127.5, 124.6, 116.2, 111.8, 109.6, 78.9, 58.2, 56.1, 55.9, 42.3, 25.6, 20.3。

2-(4-氯苯基)-6,7-二甲氧基-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2l)[33]:黃色液體149.00 mg,產率82%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.22(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.88(d,J=8.8 Hz, 2H), 6.64(s, 1H), 6.62(s, 1H), 5.41(t,J=6.4 Hz, 1H), 4.83(dd,J=12.0 Hz, 8.4 Hz, 1H), 4.57(dd,J=12.0 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.88(s, 6H), 3.68～3.52(m, 1H), 3.02～2.92(m, 1H), 2.66(dt,J=16.4 Hz, 4.4 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.8, 147.7, 147.2, 129.1, 127.1, 124.3, 123.8, 116.7, 111.6, 109.3, 78.4, 57.8, 55.9, 55.7, 41.9, 25.2。

1-(1-硝基丙基)-2-苯基-1,2,3,4-四氫異喹啉(2m)[36]:黃色液體123.00 mg,產率83%;分離非對映體比例為2.16 ∶1.00;1H NMR(400 MHz, CDCl3)主要異構體δ: 5.13(d,J=9.6 Hz, 0.67H), 4.91～4.81(m, 0.69H), 3.89～3.81(m, 0.68H),次要異構體δ: 5.24(d,J=9.2 Hz, 0.31H), 4.72～4.61(m, 0.32H), 其它重疊峰δ: 7.31～7.09(m, 6H), 7.01～6.90(m, 2H), 6.83～6.73(m, 1H), 3.72～3.45(m, 1H), 3.14～2.99(m, 1H), 2.96～2.81(m, 1H), 2.28～2.01(m, 1.39H), 1.88～1.75(m, 0.72H), 0.97～0.90(m, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)主要異構體δ: 149.1, 135.6, 132.6, 129.4, 129.2, 128.7, 128.2, 125.9, 119.4, 115.8, 93.1, 62.2, 42.3,次要異構體δ: 149.1, 134.7, 133.91, 129.3, 128.7, 128.2, 127.1, 126.6, 118.7, 114.2, 96.1, 60.7, 43.6, 26.8, 24.9, 10.7,其他重疊峰δ: 129.4, 129.3, 129.2, 128.7, 128.6, 128.3, 128.1, 127.2, 126.5, 125.9, 26.8, 25.8, 24.9, 24.6, 10.7。

1-(1H-吲哚-3-基)-2-苯基-1,2,3,4-四氫異喹啉(2n)[37]:白色固體136.00 mg,產率84%;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 10.88(s, 1H), 7.48(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.38～7.29(m, 2H), 7.24～7.12(m, 5H), 7.07～6.97(m, 3H), 6.93～6.86(m, 1H), 6.79(d,J=2.4 Hz, 1H), 6.66(t,J=7.2 Hz, 1H), 6.24(s, 1H), 3.58(t,J=6.0 Hz, 1H), 3.05～2.96(m, 1H), 2.94～2.85(m, 1H);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ: 149.1, 137.9, 136.6, 134.9, 128.9, 128.5, 127.7, 126.4, 125.9, 125.5, 124.3, 120.9, 119.2, 118.5, 117.4, 117.1, 114.5, 111.5, 55.4, 26.4。

2 結果與討論

2.1 反應條件優化

(1) 溶劑對反應的影響

以1a為反應的模型底物,硝基甲烷為親核試劑,5%(物質的量分數,下同)熒光素鈉為光催化劑,12 W藍色LED燈為光源,空氣氣氛室溫下照射8 h,考察溶劑對反應產率的影響,結果如表1所示。實驗結果顯示,當四氫呋喃(THF)作為溶劑時,反應產率為56%;當以二氯甲烷(DCM)、甲苯和1,2-二氯乙烷(DCE)作為溶劑時,反應的產率相近,分別為60%、 62%和64%;而當乙酸乙酯(EA), 1,4-二氧六環和乙腈(MeCN)作為溶劑時,反應的產率有了明顯提升,可分別達到70%、 72%和78%;此外,反應在硝基甲烷(MeNO2)和乙醇(EtOH)溶劑中的產率有了進一步提升,均可達到90%以上;當甲醇(MeOH)作為溶劑時,反應產率最高,為96%。因此,選擇MeOH作為該反應的最佳溶劑來進行后續進一步的條件優化。

表1 不同溶劑對反應產率的影響

(2) 光催化劑種類及用量對反應的影響

基于以上優化實驗,以1a為反應底物,硝基甲烷為親核試劑,甲醇作為溶劑,12 W藍色LED燈為光源,空氣氣氛室溫下照射8 h,考察光催化劑種類及用量對反應的影響,結果如表2所示。結果表明,熒光素鈉(FS)是反應最佳的光催化劑,原因可能是熒光素鈉在該反應體系中最易被激發,因而催化反應的效果最好。FS最佳用量為3%,在此條件下反應依然具有96%的產率。

表2 催化劑種類及用量對反應產率的影響

(3) 光源種類對反應產率的影響

在得到最佳光催化劑種類及用量后,基于此條件對影響反應的光源進行了考察,結果如表3所示。結果表明,在白色LED燈照射下,產率為76%;在綠色LED燈照射下,產率為62%;當紫色LED燈為光源時,產率為49%;在黃色和紅色LED光源下產率分別為33%和21%。然而以上光源都不及藍色LED燈作為光源時反應的產率。這是由于熒光素鈉的最大激發波長處在藍色LED光源的波長范圍內,使其可以更好地被激發來催化反應的進行。因此,選擇藍色LED燈作為反應的最佳光源。

表3 LED光源對反應產率的影響

(4) 其它背景條件對反應的影響

考察了其它背景條件如催化劑、光照、氣體條件、反應溫度對反應的影響,結果如表4所示。反應在無光催化劑或光源下不發生,說明光催化劑及光源是反應發生的必需條件,即該反應為光反應。在氮氣氣氛下反應不發生;在氧氣或空氣氣氛下反應可以發生,說明反應過程中需有氧氣參與,即該反應需要有一定濃度的氧化劑才能發生。然而在氧氣或空氣氣氛下反應的產率較為接近,但在空氣氣氛下進行實驗時反應所需成本更低,操作更簡便,所以選擇空氣氣氛下進行反應。室溫下的反應產率與50 ℃和回流溫度下的產率接近,表明溫度對反應的影響并不明顯,即反應能夠在室溫下進行。

表4 背景條件對反應的影響

綜上所述,根據化合物2的合成通法,以1a為原料,硝基甲烷為親核試劑,熒光素鈉為光催化劑,甲醇為溶劑,12 W藍色LED燈為光源,空氣氣氛室溫下對反應進行照射,通過薄層色譜法監測反應的進行,反應結束后通過柱層析分離純化可得到2-(4-甲氧基苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉。通過對影響反應的因素,即溶劑、光催化劑種類及用量、光源種類和其它背景條件(是否有催化劑、是否避光、氣體條件和反應溫度等)進行考察,最終得到反應的最優條件為:熒光素鈉(3%)為光催化劑,甲醇為溶劑,12 W藍色LED燈為光源,空氣氣氛室溫下進行反應。

2.2 底物普適性研究

在最佳反應條件下對該反應進行了底物普適性研究,結果如圖2所示。在最佳反應條件下拓展了14個帶有不同取代基的2-位(芳基)-1,2,3,4-四氫異喹啉類化合物。討論了供電子、吸電子等不同底物的電子效應對反應產率的影響。

以2-(4-甲氧基苯基)-1,2,3,4四氫異喹啉(1a)為原料,硝基甲烷為親核試劑,反應以96%的產率得到了帶有強供電子效應的目標產物2-(4-甲氧基苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氫異喹啉(2a)。當底物帶有弱供電子效應的甲基時,反應以93%和92%的產率得到了相應的目標產物2b和2c。無取代基的底物及帶有近中性萘基的底物分別以92%、 91%和90%的產率得到了相應的目標產物2d～2f。帶有弱吸電子效應的底物分別以90%和91%的產率得到了目標產物2g與2h。帶有強吸電子效應的底物以89%的產率得到了目標產物2i。在四氫異喹啉核心苯環上帶有2個甲氧基的底物分別以83%和82%的產率得到了目標產物2j～2l,這可能是受強供電子效應的甲氧基影響,使反應過程中產生的芐基自由基中間體穩定性略有降低[38-39],從而導致反應的產率下降。除硝基甲烷外,也嘗試了其它親核試劑如硝基丙烷、吲哚,反應均以83%和84%的產率得到了目標產物2m與2n,這可能是由于硝基丙烷與吲哚的空間位阻較大而導致反應的產率有所降低。以上實驗結果表明,無論底物帶有供電子還是吸電子取代基,反應都能夠較好地進行,并且能夠以良好至優秀的產率得到相應的目標產物,展示了該反應良好的底物普適性及官能團耐受性。

2.3 反應機理分析

基于以上實驗結果和光催化合成2-位(芳基)-1,2,3,4-四氫異喹啉類化合物的相關文獻報道[40-41],對該反應可能的機理提出以下分析(圖3):一種可能是,首先在藍色LED燈的照射下,熒光素鈉(FS)被激發生成激發態熒光素鈉(FS*), FS*與1a通過單電子轉移(SET)反應生成自由基陽離子8和自由基陰離子FS·-。隨后,FS·-與氧分子發生電子轉移產生超氧自由基陰離子O2·-,同時使FS·-回到基態。O2·-奪取8的氫產生氫過氧化物自由基HOO·和中間體9。之后新形成的HOO·與9偶聯生成氫過氧化物中間體10,進一步質子化后生成亞胺離子中間體11和H2O2。另一種可能是,SET過程發生在9和FS*之間以提供亞胺離子11。最后,硝基甲烷與11發生親核加成獲得目標產物2a(路徑A)。另一種可行的機理過程是四氫異喹啉類化合物和硝基甲烷之間的光催化偶聯可通過氧來進行光敏化,然后在所產生的單線態氧和底物之間進行SET過程。在這種情況下,FS*可與三線態氧(3O2)生成單線態氧(1O2),再與1a通過SET過程產成自由基陽離子8(路徑B)。

3 結論

本文以帶有不同取代基的N-芳烴四氫異喹啉類化合物為原料,以硝基甲烷、硝基丙烷以及吲哚為親核試劑,首次以熒光素鈉為光催化劑,以空氣中的氧氣為氧化劑,利用有機光催化方法以良好至優秀的產率合成了不同取代基的2-位(芳基)-1,2,3,4-四氫異喹啉類化合物(2a～2n),產率可達到82%～96%。底物拓展實驗結果表明:該反應具有良好的底物普適性及官能團耐受性。分析了反應可能發生的機理,為有機光催化領域內綠色合成2-位(芳基)-1,2,3,4-四氫異喹啉類化合物提供了研究依據。