微波辅助分子内Diels-Alder反应的功能化萘/变色染料的合成脱氢

摘要

微波辅助分子内的脱氢的Diels-Alder反应（DA）提供简洁的访问功能化环戊[ B]萘积木。一个步骤转换成脱氢DA双环[2.2.2]辛烯酮类化合物的新型溶致变色荧光染料通过布赫瓦尔德-哈特维希钯催化交叉偶联反应证明了这种方法的效用。

摘要

功能化萘的应用程序在不同的研究领域，从天然或生物活性分子的合成新型有机染料的制备。虽然众多的策略已被报告给访问萘棚架，许多程序在结合功能，这反过来又变窄的范围内可用的基板方面仍然存在局限性。因此，通用的方法直接访问取代的萘的发展是非常必要的。

的Diels-Alder（DA）的环加成反应是一个强大的和有吸引力的方法，从容易得到的起始原料，形成饱和的和不饱和的环系统。本文描述一种新的微波辅助分子内脱氢DA反应的苯乙烯基衍生物生成多种官能化的环戊二烯并[b]萘，无法使用现有的合成方法来制备第当比常规加热，微波辐射加速反应速率，提高产量，并限制了不希望的副产物的形成。

此协议的实用程序进一步证明由转换的DA环加成到一种新型的溶致变色荧光染料经由布赫瓦尔德-哈特威格钯催化的交叉偶联反应。荧光光谱法，作为一个信息和灵敏的分析技术，研究领域包括环境科学，医学，药理学，细胞生物学中起着关键的作用。获得各种新的有机荧光团所提供的微波辅助的脱氢DA反应允许在这些领域的进一步提高。

引言

小分子设计和合成一系列的科学领域，包括医药，农药，有机染料和多¹的发展是至关重要的。 （DDA）的Diels-Alder（DA）和脱氢的Diels-Alder反应是在小的环状和芳族化合物^2-4的合成，尤其是强大的工具。此外，热脱氢DA反应苯乙烯二烯，炔烃的亲二烯体的芳族化合物的合成提供了一种潜在的有利的路线通过初步形成双环[2.2.2]辛烯酮类化合物，可以进一步在氧化条件下芳香^5。通过采用分子内的热脱氢DA苯乙烯二烯与炔反应，利用苯乙烯作为二烯，如不需要的[2 +2]环加成^5,6和聚合反应⁷和区域选择性差，减轻和萘化合物的问题通常与可以生成。

苯乙烯与炔烃分子内的热脱氢DA反应也不是没有相当大的问题。首先，大多数反应受到产量低，长的反应时间，和高的反应温度^8-11。此外，很多反应不提倡纯形成的萘产品，萘和二氢生产，往往分不开的混合物通过柱层析^11,12。的前体的苯乙烯 - ynes系绳也仅限于包括的杂原子和/或羰基部分。仅是一个示例报告所有含碳的系绳，要求的条件为250℃下48小时整洁，以便取得萘生成^10。

除了有限的各种内的系绳的起始原料，这种方法的最严重的限制之一是在常规的热条件下的耐受性的功能的缺乏。的炔末端的原料或者是未取代的或附加的苯基或三甲基甲硅烷基（TMS）基团^8-13。 在一个实例中，示出在炔烃末端酯进行脱氢的DA反应，但这个结果萘，二氢萘产品¹¹的混合物中。后来的提案建议，TMS组附加炔末端是必要的，实现独家萘形成的高收益率^10。 热脱氢DA反应报告的各种功能的不足，严重限制了潜在的这种反应对装配独特的萘结构。

萘结构的变化源于它们的功能，在多个科学领域，特别是有机荧光染料^14,15的小分子构建模块的愿望。出色的空间分辨率和响应时间的小组织ANIC染料监测实时事件¹⁶已经导致数百市售的荧光化合物的发展。许多这些染料是萘与分立的光物理和化学性质^15。 选择的荧光染料具有特殊性能的监视单个的功能，从而导致不​​断增长的需求提供更多样化的光物理性质的荧光基团为新的类是具有挑战性的。为此目的，热分子内脱氢DA反应的苯乙烯与炔烃，允许多样化的一个独特的萘骨架将是潜在的有利开发新的萘的含有荧光染料中的应用。

作为一种替代方法，常规加热，微波辅助化学是有利的，因为它提供的化学样品的更均匀的加热，从而导致更高的化学产率，更快的反应速率，温和的反应条件下s，而往往是不同的选择性的产品^17。 采用微波辅助与传统加热条件下的反应时间从几天减少到几分钟，增加以前差收益，降低反应温度，并提供更多的选择性形成的分子内的苯乙烯脱氢DA反应，消除的方法与此相关的问题所需的富马酸二甲酯产物。微波辅助的反应条件下，也可能会更容易，更多样化的功能，以方便将进入富马酸二甲酯的产品，这是前所未有的。只有一个现有的例子已被报道利用脱氢DA的反应，其中的90％产率的富马酸二甲酯和二氢化萘中得到尽可能少为15分钟，在170°C ^12的微波辅助的条件。

在这里报道了微波辅助分子内脱氢酶本地DA反应的苯乙烯基衍生工具的专属形成的官能化和多样化的富马酸二甲酯的产品，在短短的30分钟，高定量的产率^18。此协议进一步证明该实用程序的萘产品的一个步骤转换成一种新型的溶致变色荧光染料的光物理性质的对手流行的商用染料普罗丹^19。

研究方案

1。微波辅助脱氢DA反应

1. 添加的对 - 氯苯乙烯衍生物（0.045克，0.18毫摩尔）和1,2 - 二氯乙烷（3毫升），以2-5毫升微波照射小瓶装有搅拌棒，以创建一个0.060 M溶液。这种浓度被使用，因为较高的浓度会导致形成不希望的产品。
2. 盖上盖子的的微波辐射小瓶，并将其放置在微波合成腔。
3. 照射该溶液在180℃下，在搅拌下与固定的保持时间为200分钟。保持时间是多长时间的照射下会出现在指定的温度。反应混合物会变成金黄色。较长的反应时间，是不利于反应的收率。
4. 确认反应完成后采用5％乙酸乙酯/己烷作为洗脱剂，用薄层色谱法（TLC）。可视化UV光的TLC板和高锰酸钾染色。的反应物_的 R ft和产品，分别为0.2和0.25。
5. 转移反应，用1毫升的1,2 - 二氯乙烷中的闪烁瓶中冲洗的微波反应瓶中。这结果在约3毫升的闪烁小瓶中的溶液中。
6. 浓缩的闪烁小瓶的内容在40℃下在减压下用旋转蒸发器（10-30毫米汞柱）。蒸发的溶剂的，将需要5-10分钟，和45 mg将得到的粗制的褐色油。原油是稳定的，并可以无限期储存而不分解。
7. 纯化粗油状物通过硅胶吸移管，用5％乙酸乙酯/己烷作为洗脱剂，获得41毫克的富马酸二甲酯，为白色固体，通过过滤。
8. ^{1 H}核的磁共振（NMR）谱作为溶剂使用氘代氯仿（CDCl _3），该产品经确认的身份。对于一个300 MHz的NMR波谱仪，在萘的^{1 H} NMR谱如下所示：7.80（四，J = 1.8赫兹，1H），7.72（四，J = 9.0赫兹，1H），7.70（，1H），7.38（西元，J = 1.8，9.0赫兹，1H），3.07（，J = 7.1赫兹吨，4H），2.66（3H），2.1​​8（P，J = 7.1赫兹，2H）ppm的。

2。布赫瓦尔德哈特维希钯催化交叉偶联反应

1. 加入RuPhos钯化合物（3毫克，0.004毫摩尔），以烘箱干燥的0.5-2毫升Biotage公司微波照射小瓶装有搅拌棒和帽小瓶。
2. 疏散和笔芯小瓶用氮气三次通过刺穿隔垫的盖用小的针头。一旦清除的小瓶完成后，取出针。的微波照射小瓶将作为密封管中，在反应过程中，最好的结果是最小的空气是在反应容器中存在时获得。
3. 通过隔膜，锂，双（三甲基甲硅烷基）酰胺（0.32毫升的1.0M的THF溶液，0.32毫摩尔）在搅拌下，通过注射器添加。该解决方案将变成红色。
4. 搅拌2-10分钟后，加入焦（0.038克，0.16毫摩尔）在0.3毫升无水四氢呋喃（THF）通过注射器。可以使用附加的THF（高达0.2毫升），充分溶解的富马酸二甲酯。
5. 搅拌2-10分钟后，加入二甲胺（0.12毫升的2.0M的THF溶液，0.24毫摩尔），通过注射器，并降低反应容器到预热85℃油浴中。
6. 将反应混合物加热3小时，在85℃，或直至反应完成通过TLC。反应混合物的颜色是深褐色。对于薄层色谱法，利用20％乙酸乙酯/己烷溶液作为洗脱剂，并可视化用UV光所得到的板和高锰酸钾染色。反应物和产物_的 R f分别是0.5和0.4。
7. 冷却反应至室温，取出小瓶帽，并用饱和氯化铵水溶液淬灭反应，（10毫升）。
8. 使用60毫升的分液漏斗中，从有机层中分离水层。萃取水层用乙酸乙酯萃取三次（12毫升）。
9. 在分液漏斗中，并合并有机层，用食盐水（15毫升）洗一次。
10. 硫酸钠干燥合并的有机层干燥10分钟，然后通过重力过滤除去硫酸钠。
11. 使用旋转蒸发器，所得的溶液在减压下浓缩，在30℃（10〜30毫米汞柱）。蒸发的溶剂的，将需要5-10分钟，和将得到粗制的褐色油。
12. 与一个1.5厘米的色谱柱和5％乙酸乙酯/己烷作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱法纯化粗产物。的染料，将得到的黄色固体为27毫克。
13. 确认的身份的产品由^{1 H} NMR光谱使用CDCl ₃作为溶剂。对于一个400 MHz的NMR光谱仪^{，1 H} NMR谱的染料如下：7.64（D，J = 9.0赫兹，1H），7.56（，1H），7.11（，J = 2.5，9.0赫兹，1H西元），6.87（D，J = 2.5赫兹，1H），3.02（6H），3.02 - 2.87（4H），2.65（3H），2.12（P，J = 7.3赫兹，2H）ppm的。

3。制备染料溶液中的光物理研究

1. 1毫克的染料转移到一个干净的，干燥的10毫升容量瓶中，并稀释至体积用二氯甲烷（DCM），得到了0.4×10 ^{-3 M的}储备溶液的染料。
2. 第二个10 mL容量瓶中，稀释的原液253μl的准备1×10 ^{-5 M}解决方案的染料量与DCM。此解决方案将被用于收集的UV-Vis和染料的荧光数据。

4。紫外 - 可见吸收光谱

1. 填写两个石英分光光度计细胞与DCM。这些都是空白样品。把它们放入紫外 - 可见分光光度计腔。切勿接触光学器件表面的细胞。处理细胞的侧面板的顶部，不面对光轴。
2. 设置仪器参数的狭缝宽度为2和采集速率为480nm /分钟。选择样品的名称，并选择收购的范围从600到200纳米。
3. 收集背景的光谱，从仪器中取出样品细胞，把它倒空，然后用清水冲洗1×10 ^{-5 M}染料溶液灌装前的几个部分。避免溢出细胞。在插入样品细胞放回持有人之前，用干净的镜头纸仔细擦拭牢房窗户。
4. 收集样品的吸收光谱。观察到的最大吸收波长为377 nm。
5. 仔细清洁石英与水，丙酮，乙醇，然后再运行分析其他样品的UV-Vis吸收分光光度计细胞。
6. 使用Excel或Origin软件绘制和分析收集到的数据。

5。荧光发射光谱

1. 填充石英的1×10 ^{-5 M}染料溶液的荧光细胞，并将其放置到spectrofluoromet呃。避免与皮肤接触的光学表面的细胞。
2. 设置仪器参数：激发波长为334 nm处，狭缝宽度为2，以0.1nm /秒的采集速率，采集范围从390至750纳米。甲390 nm的切口过滤器需要以除去散射光从发射源。
3. 收集的样品的荧光发射光谱。观察到在510 nm处的荧光发射最大值。
4. 清洁的石英荧光细胞与水，丙酮，和乙醇在运行前对其它样品的荧光分析。
5. 使用Excel或Origin软件绘制和分析收集到的数据。

结果

照射微波（MWI）的苯乙烯基衍生物，在180℃结果完全环戊二烯并[b]萘形成在低至30分钟，并在高至定量的产率（ 图^1）18。 无二氢萘副产品是观察，并通过^{1 H} NMR光谱的产品，而不需要额外的纯化照射后（ 图2）出现纯。耐受性良好的富马酸二甲酯框架的各种变化利用这些热的条件下，包括该系绳的变化和替代图案的萘环，吸电子基团的一个?...

讨论

微波辅助脱氢DA反应

DA反应的分子内脱氢，苯乙烯基前体的微波辐射（MWI）在71-100％的高收益率和较短的反应时间产生不同的萘结构，需要短短的30分钟（ 图^1）18。最困难的方面的进行脱氢DA反应是溶剂的选择，这往往是复杂的，因为需要考虑到各种溶剂的特性，以确保最佳的加热。第一和最重要的是，一个成功的反应必须有可能在溶剂中，是与微波条件兼?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagent/Material
1,2-Dichlor–thane, ACS reagent ≥99.0%	Sigma-Aldrich	319929
SiliaPlate G TLC - glass-backed, 250 μm	Silicycle	TLG-R10011B-323
Ethyl acetate, certified ACS ≥99.5%	Fisher Scientific	E14520
Hexanes, certified ACS ≥98.5%	Fisher Scientific	H29220
Silica gel, standard grade	Sorbent Technologies	30930M	60 A, 40-63 μM (230 x 400 mesh)
RuPhos palladacycle	Strem	46-0266
Nitrogen gas	Matheson TRIGAS	NI304	Nitrogen 304cf, industrial
Lithium bis(trimethylsilyl) amide solution	Sigma-Aldrich	225770	1.0 M solution in THF
Tetrahydrofuran anhydrous ≥99.9%	Sigma-Aldrich	401757	Inhibitor-free
Dimethylamine solution	Sigma-Aldrich	391956	2.0 M solution in THF
Ammonium chloride	Fisher Scientific	A661-500
Sodium sulfate, anhydrous (granular)	Fisher Scientific	S421-500
Chromatography column	Chemglass	CG-1188-04	½ in ID x 18in E.L.
Cyclohexane, ≥99.0%	Fisher Scientific	C556-1
Toluene anhydrous, 99.8%	Sigma-Aldrich	24451
1,4-Dioxane anhydrous, 99.8%	Sigma-Aldrich	296309
Tetrahydrofuran anhydrous, ≥99.9%	Sigma-Aldrich	186562	250 ppm BHT as inhibitor
Dichloromethane	Sigma-Aldrich	650463	Chromasolv Plus
Chloroform, ≥99.8%	Fisher Scientific	C298-1
Acetonitrile anhydrous, 99.8%	Sigma-Aldrich	271004
Dimethyl sulfoxide, ≥99.9%	Fisher Scientific	D128
Ethyl alcohol	Pharmco-AAPER	11ACS200	Absolute
Equipment
Microwave Synthesizer	Biotage	Biotage Initiator Exp
Microwave Vial	Biotage	352016	0.5 – 2 ml
Microwave Vial	Biotage	351521	2 – 5 ml
Microwave Vial Cap	Biotage	352298
Microwave Synthesizer	Anton Paar	Monowave 300
Microwave Vial G4	Anton Paar	99135
Microwave Vial Cap	Anton Paar	88882
NMR Spectrometer	Bruker	Avance	300 or 400 MHz
UV-Visible Spectrometer	PerkinElmer	Lamda 9
Spectrophotometer cell	Starna Cells	29B-Q-10	Spectrosil quartz, path length 10 mm, semi-micro, black wall
Spectrofluorometer	HORIBA Jobin Yvon	FluoroMax-3 S4
Fluorometer cell	Starna Cells	29F-Q-10	Spectrosil quartz, path length 10 mm, semi-micro