具有2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌的交叉共轭羰基系统的阴离子环化反应

《Journal of the Chinese Chemical Society》：Anionic annulation of cross-conjugated-carbonyl systems with 2,3-dichloro-5,6-dicyanobenzoquinone

模块化合成电子缺陷芳香骨架的新方法：以2,3-二氯-5,6-二氰obenzo醌（DDQ）为反应试剂，通过环加成和逆环加成过程实现α-活性烯酮的串联反应，揭示DDQ作为二氰基乙炔等价物的机制。

　　本研究介绍了一种以DDQ（2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌）为反应试剂，通过碱介导的环加成反应与逆环化过程，实现对α-电子吸引基团（EWG）活化的烯酮体系的环合反应，从而高效合成一系列二氰苯基衍生物。这一方法不仅操作简便，而且为构建具有电子缺陷的芳香族骨架提供了一种模块化的合成路径。DDQ在此反应中表现出独特的双功能特性，既可作为氧化剂，又可作为二氰乙炔的等效试剂，参与环加成反应并最终形成目标产物。

DDQ是一种在有机合成中广泛应用的多功能试剂，其结构由苯醌环和两个氯原子以及两个氰基组成，赋予其高度的亲电性和氧化还原活性。尽管DDQ通常被用作氧化剂，用于氢化物的抽象和脱氢反应，但近年来的研究表明，它还可以作为环合反应中的关键试剂，参与构建复杂的环状结构。例如，Chen、Zhou及其团队发现，DDQ可以在无过渡金属的条件下，作为氧化剂和二烯ophile，与预烯衍生物进行脱氢性Diels-Alder反应，生成高度功能化的十氢化萘衍生物。此外，Kucklaender等人也展示了DDQ在Nenitzescu型反应中的应用，用于合成一系列杂环化合物。这些研究为DDQ在构建新型芳香族结构中的潜力提供了支持。

在本研究中，DDQ被进一步开发为一种环合试剂，能够与α-电子吸引基团活化的烯酮体系进行反应，形成二氰苯基衍生物。这一反应过程包括两个关键步骤：首先是[4?+?2]环加成反应，其次是逆环化反应。通过这一策略，DDQ不仅参与了环合过程，还表现出类似二氰乙炔的反应特性，从而使得反应能够在温和条件下进行，同时保持较高的产率和选择性。

在实验部分，研究者首先选择了多种α-活化的共轭酮醛作为反应底物，并在碱性条件下与DDQ进行反应。其中，使用1a和1b作为起始材料时，分别得到了3a和3b。1a是一种含有三甲基结构的四氢萘酮醛，而1b则是在1a基础上引入了甲氧基取代基。通过DDQ的氧化作用，这些底物在碱性条件下发生脱氢反应，生成相应的二氰苯基衍生物。3a的产率高达95%，而3b的产率则为97%。这表明，DDQ在这些反应中不仅能够有效氧化底物，还能促进环合反应的进行。

进一步的实验表明，DDQ在反应中表现出高度的灵活性和适应性。研究者尝试了不同结构的底物，如五元环和六元环的类似物，发现这些底物在反应中同样表现出良好的兼容性。例如，使用2c和2d作为起始材料时，分别得到了3c和3d。2c是一种含有三个甲基和一个羰基的环己烯酮醛，而2d则在结构上进行了调整，引入了不同的取代基。反应后，3c和3d均以白色或橙色固体形式析出，产率分别为98%和93%。这表明，DDQ的反应模式能够适用于多种类型的底物，从而拓宽了其在有机合成中的应用范围。

对于更复杂的结构，研究者还尝试了使用2e作为起始材料，生成了3e。2e是一种含有乙基和两个甲基的环戊烯酮醛，反应后得到了一种浅白色固体，产率高达92%。此外，研究者还探讨了DDQ在处理非环状底物时的反应行为，如使用S1（一种由6,6-二甲基-4,6,7,8-四氢-5H-1,3-苯并二氧杂环戊烯酮与乙基镁溴化物反应得到的产物）作为前体，生成了2f。2f是一种含有乙基和三个甲基的环己烯酮醛，其结构与3e类似，但取代基略有不同。通过进一步的反应，2f最终转化为3f，产率为68%。这些实验结果表明，DDQ不仅适用于环状底物，还可以在非环状体系中发挥作用，从而进一步拓展其应用范围。

在反应机制方面，研究者提出了一个可能的路径。首先，底物在DDQ的作用下被氧化，生成相应的烯醇结构。随后，该烯醇结构在碱性条件下发生去质子化，形成二烯醇盐中间体。这一中间体与DDQ发生环加成反应，形成一个环状结构。接下来，通过消除反应，中间体转化为另一种结构，最终经历逆环化反应，生成目标产物。这一机制不仅解释了反应的全过程，还为后续的反应优化提供了理论依据。

值得注意的是，研究者在实验中发现，反应条件对产物的产率和纯度有重要影响。例如，在使用两当量的DDQ时，3a的产率从15%提高到了45%，但仍有少量起始材料残留。这提示，可能需要优化反应的当量比例，以提高产率并减少副产物的生成。此外，反应温度也是一个关键因素，研究者发现，在回流条件下，反应效率显著提高。因此，控制反应温度有助于获得更高的产率和更纯净的产物。

为了验证反应的机理和产物的结构，研究者采用多种分析手段。其中包括X射线晶体学、核磁共振光谱（NMR）和高分辨率质谱（HRMS）。例如，3a的结构通过X射线晶体学得到了明确的确认，而3b、3c、3d和3e的结构则通过NMR和HRMS进行了分析。这些数据不仅证明了反应的可行性，还展示了产物的高纯度和结构特征。

此外，研究者还探讨了不同取代基对反应的影响。例如，当底物中含有β-乙基取代基时，反应模式发生了变化，不再发生脱氢反应，而是直接进行环合反应。这一现象表明，取代基的种类和位置对反应路径具有重要影响，可能需要进一步的研究来探讨其背后的化学动力学和热力学因素。

实验结果显示，DDQ在该反应中不仅作为氧化剂，还作为二氰乙炔的等效试剂，参与环加成反应。这一特性使得DDQ能够在不引入额外的二氰乙炔的情况下，实现对底物的高效环合。同时，该反应的条件相对温和，不需要高温或高压，因此具有较高的实用性和可操作性。

在实际应用中，这一反应方法为合成具有电子缺陷的芳香族骨架提供了一种新的途径。由于二氰苯基衍生物在材料科学中具有广泛的应用，如作为有机半导体材料、光电材料或药物分子的前体，因此这一方法的开发具有重要的意义。此外，该反应的模块化特性也使得其能够与其他合成方法结合，用于构建更复杂的分子结构。

综上所述，本研究成功开发了一种以DDQ为反应试剂的碱介导环合反应，能够高效合成多种二氰苯基衍生物。这一方法不仅拓宽了DDQ在有机合成中的应用范围，还为构建新型芳香族骨架提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索该反应的机理，优化反应条件，并拓展其在不同底物和反应体系中的应用。同时，该方法在实际应用中的可行性也需要进一步验证，以确保其在工业和实验室环境中的广泛适用性。