范 穎，劉 懋，叢 航

(貴州省大環(huán)化學(xué)及超分子化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025)

吩嗪也叫夾二氮雜蒽，作為多氮稠雜環(huán)化合物的一種，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、發(fā)色體以及太陽(yáng)能電池染料領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用[1-3]。早期，膿毒紫[4](1-羥基-5-甲基吩嗪)以及酚藏花紅(Phenosafranine)被制備為隱色體，染色于棉纖維中，經(jīng)氧化變成還原染料在紡織品中呈現(xiàn)品紅等色調(diào)[5-6]。之后，6000多種類吩嗪化合物接連被鑒定和報(bào)道，其中包括微生物天然合成150多種吩嗪衍生物，由于碳骨架不同的修飾基團(tuán)而呈現(xiàn)不同顏色、生物活性和理化性質(zhì)[7]。

在太陽(yáng)能電池的應(yīng)用中，二苯并吩嗪作為純有機(jī)敏化染料中的輔助受體，有著更高的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效率[8]，捕獲及利用更多太陽(yáng)光，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率[9-10]。2012年，Jie等[11]也說明了在D-π-A型敏化太陽(yáng)能電池染料中，萘并吩嗪作為π共軛的輔助受體，在結(jié)合完成后，捕獲太陽(yáng)光能力增強(qiáng)，電路的光電流密度、開路光電壓和光電交換效率等關(guān)于光電池性能參數(shù)也得到明顯改善。同時(shí)，在抗腫瘤活性方面，Vicker團(tuán)隊(duì)[10]在2002年合成了系列取代苯并[d]吩嗪類衍生物，發(fā)現(xiàn)了第二代雙拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑，以此顯現(xiàn)抗腫瘤特性。2005年，Chen等[12]也對(duì)圖一中R基取代苯并[d]吩嗪類衍生物進(jìn)行了抗腫瘤活性藥物研究。

圖1 吩嗪類化合物結(jié)構(gòu)示意圖

新的吩嗪類N-甲基化合物的生成對(duì)人工合成染料以及抗腫瘤藥物的發(fā)展有著巨大的幫助。本文通過合成更易分解、易氧化的N-甲基吩嗪、二苯并吩嗪、四苯并吩嗪化合物，從量子化學(xué)角度，利用密度泛函理論方法對(duì)原料N-甲基化位點(diǎn)進(jìn)行電荷密度計(jì)算，最后由位阻效應(yīng)討論二萘并吩嗪甲基化的難易程度。

1 N-甲基吩嗪的合成

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

儀器：SZCL-3A數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；JEOL JNM-ECZ400S核磁共振波譜儀，日本JEOL公司。

試劑：吩嗪，硫酸二甲酯，硝基苯，乙醚，二甲基亞砜(DMSO)。

1.2 吩嗪類化合物的合成

吩嗪類化合物根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的方法進(jìn)行合成，分別以β-萘胺或β-蒽胺為原料，半瓜環(huán)為催化劑，在pH=1～3的酸性溶液中加熱至80 ℃，分別得到二苯并[a,j]吩嗪鹽酸鹽(產(chǎn)率82%)和二萘并[2,3-a：2’,3’j] 吩嗪鹽酸鹽(產(chǎn)率85%)[13]。

N-甲基化吩嗪的合成：在10 mL的圓底燒瓶中加入準(zhǔn)確稱取的200.00 mg的吩嗪，4 mL硝基苯和0.11 mL硫酸二甲酯，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，110 ℃加熱回流反應(yīng)3 h，冷卻至室溫，收集反應(yīng)沉淀并用乙醚洗滌，得到黃色固體，產(chǎn)率為38%，1H-NMR (CD3OD-d4，400 MHz) δ(ppm)：8.83～8.81(d，2H，J=9.2 Hz)，8.70～8.68(d，2H，J=8.6 Hz)，8.54～8.50(m，2H)，8.32～8.29(m，2H)，3.33(s，3H)。13C-NMR (CD3OD-d4，400 MHz) δ (ppm)：38.35(-CH3)，118.62，132.21，132.26，133.21，139.71，145.51。量子化學(xué)計(jì)算運(yùn)用Gaussian 16(Revision A.03)軟件包，在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

吩嗪類化合物的N-甲基化反應(yīng)如圖2所示，我們選擇了硫酸二甲酯作為甲基化試劑在吩嗪的N原子上引入甲基。吩嗪與硫酸二甲酯在110 ℃加熱回流反應(yīng)3 h后，得到黃色沉淀，產(chǎn)物經(jīng)核磁共振波譜表征為N-甲基吩嗪，產(chǎn)率為38%，沒有發(fā)現(xiàn)二甲基取代產(chǎn)物(N,N’-二甲基)吩嗪，這是由于當(dāng)一個(gè)N原子上被甲基化以后生成氮正離子，吩嗪分子的電荷密度大大降低，抑制了第二個(gè)氮原子的甲基化反應(yīng)。在相同條件下，二苯并[a,j]吩嗪和二萘并[2,3-a：2’,3’j] 吩嗪沒有發(fā)現(xiàn)甲基化產(chǎn)物，表明該反應(yīng)對(duì)底物具有選擇性。為了從分子水平對(duì)該選擇性理解，我們應(yīng)用量子化學(xué)方法對(duì)三種吩嗪底物分子的結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，從電子結(jié)構(gòu)以及位阻作用等方面進(jìn)行了解釋。

圖2 N-甲基吩嗪的合成路線

三種化合物優(yōu)化的分子結(jié)構(gòu)是運(yùn)用Gaussian 16 (Revision A.03) 軟件包，在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上得到，均呈現(xiàn)為平面結(jié)構(gòu)，如圖3所示。吩嗪類化合物的甲基化反應(yīng)是典型的親核取代反應(yīng)，吩嗪分子上具有孤獨(dú)電子的N原子親核進(jìn)攻硫酸二甲酯的甲基，吩嗪分子上氮原子的電子云密度越大，越有利于反應(yīng)的發(fā)生。從計(jì)算的電子密度分布結(jié)果來看，吩嗪中氮原子所在芳環(huán)的電荷密度為0.06，而二苯并[a,j]吩嗪中該芳環(huán)的電荷密度增加至0.32，在二萘并[2,3-a：2’,3’j] 吩嗪中為0.25，與吩嗪相比，電荷密度增加了4～5倍，N原子上電子密度大大降低，所以N原子的反應(yīng)活性降低。這是由于芳環(huán)擴(kuò)大以后，N原子上的孤對(duì)電子離域范圍增加，導(dǎo)致其電子密度降低，對(duì)N甲基化反應(yīng)進(jìn)行不利，在反應(yīng)中無(wú)法獲得相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物。

圖3 吩嗪(a)、二苯并[a,j]吩嗪(b)、二萘并[2,3-a：2’,3’j]吩嗪(c)的量化計(jì)算結(jié)果

另一方面，對(duì)于二苯并[a,j]吩嗪和二萘并[2,3-a：2’,3’j]吩嗪來說，由于苯環(huán)和萘環(huán)的取代，造成吩嗪其中一側(cè)出現(xiàn)很大的位阻效應(yīng)(圖4)。甲基計(jì)算得到的半徑為2.60 ?，以二萘并[2,3-a：2’,3’j]吩嗪為例，其16-和18-位質(zhì)子之間的距離為2.32 ?，也就是說，甲基無(wú)法通過兩個(gè)萘環(huán)之間的“通道”，進(jìn)攻該側(cè)的N原子，使得取代吩嗪的反應(yīng)活性降低。

圖4 計(jì)算的甲基半徑(a)及二萘并[2,3-a：2’,3’j]吩嗪16-和18-位質(zhì)子之間的距離(b)

3 結(jié) 論

(1)吩嗪N-甲基化反應(yīng)中第二個(gè)氮原子沒有被甲基化是因?yàn)楫?dāng)一個(gè)氮原子上被甲基化以后生成氮正離子，吩嗪分子的電荷密度大大降低，抑制了第二個(gè)氮原子的甲基化反應(yīng)。

(2)計(jì)算三種吩嗪衍生物N-甲基化位點(diǎn)進(jìn)行電荷密度得知，二苯并吩嗪與二萘并吩嗪中氮原子所在芳環(huán)電荷密度約為吩嗪的4～5倍。這導(dǎo)致對(duì)應(yīng)氮原子上電子密度降低，不利于N-甲基化反應(yīng)進(jìn)行，進(jìn)而表明吩嗪衍生物甲基化對(duì)底物的選擇性。

(3)二萘并吩嗪中兩萘環(huán)“通道”較甲基碳正離子半徑小，使得二萘并吩嗪甲基化反應(yīng)活性低。