碳龙骨架参与的分子编辑——四个芳香环的精准融合

摘要：合成化学是化学学科的核心，发展全新的分子骨架操控策略对于推动合成化学的进步至关重要。近年，分子骨架编辑技术在药物化学与材料科学领域备受关注。然而，当前的研究集中于单个芳香环上的单原子编辑，包括单原子删除、插入和替换等。若要实现多芳香环间的整合，构建更大的共轭体

合成化学是化学学科的核心，发展全新的分子骨架操控策略对于推动合成化学的进步至关重要。近年，分子骨架编辑技术在药物化学与材料科学领域备受关注。然而，当前的研究集中于单个芳香环上的单原子编辑，包括单原子删除、插入和替换等。若要实现多芳香环间的整合，构建更大的共轭体系，则面临开环控制难、重组顺序复杂等挑战。

近期，夏海平（点击查看介绍）/林玉妹（点击查看介绍）团队在碳龙化学的分子编辑取得重要进展，成功将四个五元芳环（包括两个有机芳环与两个金属芳环）融合为一种新颖的金属桥连 6/6/6/6 多环结构。作者提出了一种全新的“原子互嵌”策略，通过连续两步将氮原子分别插入到不同的金属–碳键中，并借助金属中心桥连两个异噁唑片段，从而实现分子骨架的高度融合与精准控制，相关成果发表于J. Am. Chem. Soc.（图1）。

图1. 本项工作概览。

“碳龙配合物”作为一种金属杂芳香化合物，能够通过金属的d轨道与主族原子的p轨道形成dπ-pπ共轭，这种金属内嵌的平面结构在分子骨架的编辑上展现了独特的优势，即主族原子能够插入金属-碳键，而金属原子亦可对碳-碳、碳-杂原子键进行氧化加成。此外，相较于四价键的碳原子，金属原子拥有更多配位数，特别适合用作构建稠合环状结构的桥接原子。基于这些优势，以碳龙配合物作为分子骨架操控平台，有望发现分子编辑的新模式（图1）。

作者以铑碳龙配合物1和两类异噁唑类化合物为底物，通过原子相互插入策略实现了两个有机芳香环和两个金属芳香环的骨架融合编辑，合成了一种新型金属桥连的6/6/6/6元环骨架结构。该合成方法具有良好的普适性，含有不同取代基的1,2-苯并异噁唑和2,1-苯并异噁唑类化合物均可以被顺利地转化成相应的化合物5a-5j（图2）。

图2. 反应的底物拓展。

通过控制实验和关键反应中间体的捕获，作者发现反应底物的精确匹配以及反应条件的精细控制对于调控环和位点的选择性至关重要：（1）在铑碳龙配合物1中，季鏻基团的空间位阻和缺电子性质能够促进1,2-苯并异噁唑选择性亲核进攻金属环的C7位，而非C1位（图3A）；（2）使用AgBF4拔氯促进2,1-苯并异噁唑与铑中心的配位作用，有利于氮原子对Rh-C1键的选择性迁移插入（图3B）；（3）HBF4的使用，一方面能够促进氧原子从C7位向铑中心的迁移，从而实现铑金属原子对1,2-苯并异噁唑的插入（图3C）；另一方面，还能促进2,1-苯并异噁唑的开环，进而完成氮原子对Rh-C1键以及铑金属原子对N-O键的相互插入（图3D）。

在上述反应过程中，铑碳龙配合物1在此策略中扮演着“分子骨架操控平台”的角色：金属中心不仅引导两个异噁唑片段对特定金属杂环的选择性识别，其环内金属–碳键还具有类卡宾性质，可驱动两个异噁唑环的开环与重组，展现出这类金属杂芳香骨架在探索新反应路径和合成新结构方面的独特优势。在此之前，该团队以碳龙骨架为基础，发现了一种新型催化体系（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 2301, 点击阅读详细），并设计合成了一种吸收光谱可延伸至近红外二区（NIR-II）的全新分子骨架（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e20221173）。

图3. 机理研究。

随后，作者对该分子骨架编辑产物5的性质进行了研究。紫外-可见-近红外吸收光谱研究表明，该类金属杂稠环化合物5相对于原料铑戊搭烯1，其光谱吸收明显增强并红移至近红外区（图4B）。稳定性实验也表明产物5在固体状态下和溶液中均展现出较其前体更优异的热稳定性（图4B）。

为了进一步探究产物5在近红外区域的生物医学应用前景，作者以9,10-二甲基蒽（DMA）为探针，研究了配合物5a、5d和5j的单线态氧（1O2）生成能力。在808 nm激光照射下，三种配合物均能显著降低DMA的吸光度（图4G、4H）。经测定，配合物5a、5d和5j的单线态氧量子产率均显著高于市售光敏剂吲哚菁绿。此外，作者还评估了配合物5j的光热性能（图4I）。在808 nm激光照射下，5j溶液温度从26.2 °C显著上升至67.7 °C（ΔT=41.5 °C）（图4I）。这些结果表明，配合物5a-5j是一类新型的潜在近红外光疗敏化剂，在光动力治疗和光热治疗领域具有良好的应用前景。