【Angew. Chem.】西湖大学金泽鑫课题组：SUMO–LUMO反转制备有机手性双自由基

导语

近日，西湖大学金泽鑫团队在Angew. Chem. Int. Ed.发表了题为"Persistent Chiral Diradicals via SUMO–LUMO Inversion: Modular Synthesis, Electronic Structures, and Redox-Switching Properties"的研究成果（DOI: 10.1002/anie.6564456)。以市售的手性纯联萘二胺（BINAM）为原料，借助多组分Povarov环化反应，能够一锅法高效合成一系列π共轭拓展的手性纯基元，且无需进行手性HPLC分离。将此类手性基元还原后，其单自由基中间体表现出单个未占据分子轨道（Singly Unoccupied Molecular Orbital, SUMO）与最低未占分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）反转（SUMO-LUMO inversion, SLI）的非常规电子构型。此外，将手性基元的氮原子质子化并且在高自旋密度区域进行空间位阻保护，能够显著提升还原得到双自由基的稳定性。并且所得的双自由基可作为稳定的手性氧化还原开关，实现在闭壳层二价阳离子物种与中性双自由基物种之间可逆、无疲劳的电化学循环转变，并完整保留其的手性光学信息。

将手性引入有机开壳层结构，为分子自旋电子学和先进光电子学带来了巨大前景。然而，同时实现化学稳定性、构型稳定性和实际合成可行性仍是一项艰巨挑战。本文报道的这种基于C₂对称联苯并[g]喹啉（Bibenzo[g]quinoline）骨架的模块化构建策略，成功实现了利用SLI电子结构制备持久性手性双自由基，为合理设计构型稳定、氧化还原可调的开壳层材料提供了实用平台，使其具备可调控的电子和手性光学性质。

图一：针对利用非Aufbau策略构建（手性）双自由基的相关研究。(a) 1. 从SOMO–HOMO反转（SHI）单自由基经单电子氧化形成手性双自由基；2. 从SUMO–LUMO反转（SLI）单自由基经单电子还原生成非手性双自由基。（b）本文基于联苯并[g]喹啉的手性基元合成及其可逆转化为持久性手性双自由基。

要在有机分子中实现SLI电子构型，需要引入吸电子基团以充分降低LUMO能级，这一策略此前已通过喹啉结构单元得到了验证。为了在引入手性的同时避免繁琐的手性HPLC分离，选择了市售的对映体纯BINAM作为C₂对称的手性构建块。作者设想多组分Povarov反应，即路易斯酸催化的、由原位生成的亚胺与炔烃之间发生的Diels-Alder加成反应，能够实现高效的π延伸，形成具有优异原子经济性的融合氮杂环体系。预期通过手性纯的BINAM与芳基醛及芳基炔烃进行一锅级联缩合，将提供一条模块化、无需HPLC的合成路线，以获得π延伸的手性联苯并喹啉骨架（图一b）。该策略将先进的电子结构设计（SLI）与精确的立体化学控制有效整合，为构建稳定的手性双自由基分子提供了实用的平台。

图文解析

表一：基于手性纯联萘二胺(BINAM)的一锅法合成的现实难度以及条件优化

作者首先以手性联苯并喹啉衍生物1a的合成作为模型反应展开了研究（表一）。在BINAM底物上进行这种多组分级联反应往往面临重大挑战，因为联萘环的β位电子密度低，且在联萘骨架上的反应存在显著的空间位阻，想要在该位置将两个位点都完成环化反应往往是很难的。关环步骤需要较高的活化能垒，导致底物容易发生竞争性分解或低聚化。因此，要成功反应得到目标产物，就需要一种能够有效平衡强亲电活化与优异化学选择性的催化体系。

相比之下，Bi(OTf)₃表现出独特的有效性，以83%的分离收率得到了 (R)-1a（Entry 6）。Bi(OTf)₃在这种空间位阻大且电子失活的体系中表现优异，这可归因于其平衡的路易斯酸性、较大的离子半径、较高的热稳定性以及对水气的显著耐受性。我们认为，Bi(OTf)₃能够提供最佳的亲电活化作用，以克服萘分子β位点的高环化能垒，同时抑制副反应，并与高温及氧化剂的卓越相容性，从而实现高效的一锅法Povarov芳构化。

图二：2,2’,4,4’-四取代联苯并喹啉类化合物的底物范围（(R)-1a—(R)-1k），图中所示为(R)-1a的单晶X射线结构（以rac-1a形式生长得到），以及(R)-1a和(S)-1a的圆二色谱。反应在表一第6项所述条件下进行，并给出了分离收率。

图三：电化学行为及双自由基稳定性的计算研究。(a) 通过联苯并喹啉1a–1c的N-质子化合成双吡啶盐2a–2c。(b) 前体1a–1c的循环伏安图(CV)显示不可逆还原（左），而在N-质子化后，2b表现出可逆氧化还原行为（右，已突出显示）。(c)双阴离子双自由基1b2∙−和中性双自由基2b2∙的计算静电势(ESP)表面图。(d)1b2∙−和2b2∙在开壳层单重态下的计算电子自旋密度分布图（Isovalue = 0.005）。

电化学表征显示，双质子化衍生物的可逆性因外围取代模式的不同而呈现出显著差异。(R)-2a和(R)-2c表现出完全不可逆的还原过程，而(R)-2b则在E1/2 = -0.9 V处呈现出一个完全可逆的双电子氧化还原波（图三b）。这种差异凸显了N-质子化与外围屏蔽效应之间关键的协同作用。自旋布居分析为理解这种选择性稳定机制提供了重要见解（图三d）：DFT计算证实，未受保护的4,4’-位点同时承载了相当大比例的未成对自旋密度，使其成为高活性的自由基中心，易发生有害的副反应。因此，在这些活性的4,4’-位点进行空间屏蔽（如 (R)-2b结构）可提供不可或缺的动力学稳定性。相反，若将取代基置于 2,2’-位点（如 (R)-2a结构）或使骨架外围完全不受保护（如 (R)-2c结构），则无法控制 4,4’-活性位点，从而导致持续的电化学还原的不可逆性。

图四：SLI电子结构驱动的双自由基的化学还原及其理论评估。(a) 利用二茂钴（CoCp₂）对双阳离子前体 (R)-2b进行化学还原，生成中性双自由基2b2∙。(b) 室温下在THF中加入2当量CoCp₂后，2b的紫外-可见-近红外吸收光谱变化。(c) 双自由基2b2∙（g=2.0048）的电子顺磁共振（EPR）谱。(d) 单自由基2b∙+（左）和中性双自由基2b2∙（右）的前线分子轨道及等值面计算(Isovalue=±0.050 au), 单自由基物种表现出明显的SUMO-LUMO反转电子构型。

图五：双自由基2f2∙(a)、2b2∙(b) 和2g2∙(c) 在THF中的变温EPR谱图，温度范围为180−260 K。基于变温EPR谱图绘制的ln(IT)−1/T散点图中的实验数据（黑色点）及基于变温EPR光谱的ln(IT)−1/T图的线性拟合（红线）（R²(a)=0.9978, R²(b)=0.9975, R²(c)=0.9954）。

图六：(R)-2b的光谱电化学表征、手性光学性质及可逆氧化还原切换。(a) 二价阳离子(R)-2b在电化学双电子还原（从−0.8 V至−1.0 V）及随后再氧化（在−0.3 V处进行反向扫描）过程中的紫外-可见-近红外吸收光谱变化。插图：550–850 nm吸收区域的放大图。(b) 双阳离子物种(R)-2b（蓝色）及其对应的中性双自由基物种(R)-2b2∙（红色）的实验吸收不对称因子 (gabs)光谱。(c) 在λ=408 nm 和 628 nm处，|gabs| 值在10个连续氧化还原循环中的可逆切换。

总结

本研究报道了一种基于C₂对称联苯并喹啉骨架用于构建持久性手性有机双自由基的模块化且实用的策略。此法能够获得一系列具有单线态基态的持久性中性双自由基。VT-EPR研究表明，外围取代基的调节为调谐自旋交换耦合提供了可靠手段。此外，这些手性体系还可作为稳健的手性氧化还原开关，展现出可逆的电化学循环的同时完全保留了手性光学完整性。首次建立了一个基于SLI电子结构的持久手性双自由基平台，为自旋电子学、光电子学和量子信息科学领域中构型稳定、可通过氧化还原调节的开壳层材料提供了可行的研究基础。

论文信息

题目：Persistent Chiral Diradicals via SUMO–LUMO Inversion: Modular Synthesis, Electronic Structures, and Redox-Switching Properties

作者：Z. Ma, Q. Zhang, Yi Wang, Q. Shen, and and Z. Jin*

期刊：Angewandte Chemie International Edition.

第一作者：马泽康

通讯作者：金泽鑫

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.6564456

课题组与通讯作者简介

西湖大学有机功能材料金泽鑫课题组致力于通过化学手段精准构筑有机功能分子材料，探究其在光电磁材料、能源材料及自旋电子学材料等领域中的“结构-性质-功能”的关系，进而研究发展新材料的设计与创造，最终服务人类社会和生产生活。

金泽鑫，西湖大学特聘研究员，博士生导师, 国家高层次青年人才。本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，师从裴坚教授。随后在斯坦福大学Yan Xia课题组进行博士研究工作，从合成方法，构效关系和器件应用等方面系统地发展了一类新型反芳香性功能材料，并于2019年获得化学博士学位。博士毕业后，加入哥伦比亚大学Colin Nuckolls课题组从事有机功能材料的博士后研究，研发新型螺旋状氧化还原活性有机分子材料应用于新能源材料领域，相关专利已经推行工业产业化。2023年8月，金泽鑫作为助理教授加入西湖大学材料系，成立有机功能材料研发室。

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