1,2,4-苯并三嗪自由基的合成及應用研究進展

李淑昱, 林 淵, 張睿博

(西南民族大學 化學與環(huán)境學院 國家民委化學基礎重點實驗室，四川 成都 610041)

自由基是指含有未成對電子的原子、分子和離子，由于單電子的存在，化學性質比較活潑，具有獨特的物理性質。穩(wěn)定的自由基在電子器件、太陽能電池、鋰離子電池、儲能、電磁及生物應用材料的構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)定的有機自由基[13]。此后，自由基化學得到了迅速的發(fā)展，大量穩(wěn)定的有機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，因其良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、較低激發(fā)能等特性而受到人們的廣泛關注[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，產率較低[19,21]。2010年Koutentis課題組首次通過氧化腙胺化合物的方式合成了1,2,4-苯并三嗪自由基，極大提高了產率[22]。接著，研究者們通過不同的方法，如還原環(huán)化、增環(huán)反應、去氫氧化、氮雜Wittig反應法，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：很好的穩(wěn)定性[19]、寬可見光吸收區(qū)域[23]、可逆的氧化還原電位[24-26]。這些獨特的性質使1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物在有機功能分子領域具有重要的應用。

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領域的應用，同時對1,2,4-苯并三嗪自由基在功能材料開發(fā)中的應用前景進行了展望。

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(方iii)、去氫氧化(方法iv)、氮雜Wittig反應(方法v)(Scheme 1)。

Scheme 1

1.1 氧化電環(huán)化

2010年，Koutentis課題組報道了1,2,4-苯并三嗪自由基及6個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的腙氨化合物環(huán)氧化生成1,2,4-苯并三嗪自由基，通過TLC檢測分析反應是否完全；反應產物使用柱層析純化，產率高達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，并進行了反應機理推測，水分子進攻硝酸靈的卡賓中心，發(fā)生裂解，伴隨氧化環(huán)化反應(Scheme 3)；通過此合成方式，將部分硝酸靈衍生物成功轉化成了1,2,4-苯并三嗪自由基[27]。

1.2 還原環(huán)化

通過上述環(huán)氧化反應能夠實現(xiàn)很高的產率，需要注意的是產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)不能通過重結晶的方式提純，為合成不同類型的1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物帶來了困難。

2014年Koutentis課題組通過還原環(huán)化反應合成了1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物。首先通過多步反應制得酰肼化合物；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，反應結束后冷卻至室溫，加入有機溶劑稀釋；并用氫氧化鈉溶液分解。此反應用錫粉作為還原劑還原得到胺，在冰醋酸作用下實現(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，使反應更容易進行(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

2011年，Koutentis課題組采用1,2,4-苯并三嗪自由基作為原料，進行Stille和Suzuki-Miyaura 偶聯(lián)反應，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]，是比較少見的穩(wěn)定自由基參與偶聯(lián)反應的例子(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)，直到反應完全；或通過得到的碘代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。這兩種反應均需要在惰性氛圍中進行，反應產率都比較高，Stille偶聯(lián)反應相對較快，但是Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應得到的產物更加單一[28]。

(2)自由基官能團轉換

采用上述不同方法已經合成了部分1,2,4-苯并三嗪自由基，但是官能團的種類還比較少，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，通過自由基的官能團轉換來實現(xiàn)(Scheme 6)[20]。

取代羧酸經過?；被?、氯代反應后，與取代水合肼反應得到腙胺化合物，進一步氧化環(huán)化得到1,2,4-苯并三嗪自由基衍生物。以OBz取代1,2,4-苯并三嗪自由基為例，通過與當量氫氧化鉀在甲醇中反應可以實現(xiàn)苯甲酸酯的水解或通過催化加氫得到酚羥基取代產物，與碘庚烷發(fā)生取代反應實現(xiàn)羥基的官能團轉換。

(3)環(huán)擴展

通過擴環(huán)反應引入雜原子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，有利于對其結構和性質進行分析，而且會提高在固態(tài)的磁交換作用。增環(huán)反應可從苯環(huán)的C6和C7位置或者C7, C8位置進行。

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，經過氨化、酰化后與五硫二磷反應成環(huán)(Scheme 7)[32]。

2013年，Koutentis課題組報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構。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課題組通過苯胺與酰肼一步反應合成了噻唑重氮環(huán)合的1,2,4-苯并三嗪自由基，并從單晶結構中分析出分子間通過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)生親核反應后經空氣氧化可得目標產物(Scheme 10)。此方法能夠將雜環(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)，使未成對電子離域程度增加，紅外光譜向近紅外區(qū)移動[38]。另外通過自由基環(huán)化反應實現(xiàn)了平面型自由基的官能團化，為自組裝材料、分子電子器件的應用提供了可能性[39]。

1.5 氮雜Wittig反應

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用

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

2.1 液晶光電導體

液晶材料在有機發(fā)光二極管(OLED)、有機場效應晶體管(OFET)和太陽能電池器件中有廣泛的應用。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核和外面圍繞著的6～8條柔性脂肪側鏈兩個基本組成部分；這樣的盤狀分子通過苯環(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，當取代基為長鏈烷烴時，易形成盤狀液晶材料。2016年，Jasiński課題組合成了長鏈取代的自由基分子1，分子間存在較強的自旋耦合，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(Chart 2)；通過測試發(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，是很好的光導盤狀液晶材料的結構單元[41-44]。

2.2 分子電子器件

自由基因為含有單電子可通過電荷轉移的方式用作摻雜劑，例如有機自由基分子間作用可以形成自由基陰離子-自由基陽離子對，產生的電荷會在電場中發(fā)生離域，形成一種新的自摻雜半導體材料，用于制備有機場效應晶體管，且能夠大幅度提高導電性[45]。2015年，Zheng課題組先后合成了雙自由基2和3，經測試發(fā)現(xiàn)它們在室溫具有導電性和磁性，且導電性通過溫度控制可實現(xiàn)可逆調節(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電性的特性通過傳統(tǒng)的化學摻雜很難實現(xiàn)，為先進光電器件的應用打開了新世界[46-47]。

Chart 3

2.3 光學探測器

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

2.4 聚合物合成控制

在高分子化合物的合成過程中，不僅要實現(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構；控制自由基聚合的過程能夠實現(xiàn)設定分子量和低離散度網(wǎng)狀、枝狀等聚合物結構的合成。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)定自由基調節(jié)苯乙烯聚合的過程，使多分散系數(shù)為1.05～1.27，并探究不同取代基對平均分子量、轉化率的影響，為設計自由基用來控制聚合過程提供新思路(Chart 4)[48]。

Chart 4

2.5 電磁材料

1,2,4-苯并三嗪自由基是構筑高自旋分子體系和磁性材料很好的結構基元[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)它們在磁性材料中有潛在應用[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備中。2016年，Ciccullo課題組合成了自由基5并對其性質進行研究，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EPR、XPS、原子力顯微鏡測試分析進行了驗證；這類自由基化合物在無金屬順磁性薄膜材料中有潛在的應用(Chart 5)[52]。

Chart 5

Chart 6

2.6 傳感器

三硝基苯酚是強有機酸，易爆炸、易溶于水，比TNT更危險，對人體健康有極大的影響，阻止三硝基苯酚在環(huán)境中的傳播至關重要，各種各樣的檢測傳感器已用來對硝基芳香化合物和三硝基苯酚進行檢測。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；該自由基與三硝基苯酚反應靈敏，溶液顏色由粉色變?yōu)榫G色，可視化，選擇性好，檢測限為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；另外可用于構筑功能材料的化合物還是少數(shù)，實現(xiàn)此分子在電磁材料領域的廣泛應用是未來研究的重點，可以從高自旋1,2,4-苯并三嗪自由基的結構、性質等方面考慮，如構建不同骨架結構的多自由基、在分子中引入其他穩(wěn)定自由基單元、與金屬離子配位等。