可见光诱导荧光素钠催化N-芳基四氢异喹啉的交叉脱氢偶联合成THIQs类化合物

谭玉婷, 陈 阳, 周明东

(辽宁石油化工大学 石油化工学院,辽宁 抚顺 113001)

如何有效地构建C—C键一直是有机合成领域的研究热点[1]。近年来,过渡金属催化的C—H键活化[2]和不同活性官能团的交叉偶联[3]成为该研究领域中的理想合成方法。其中,N-芳烃四氢异喹啉类化合物的交叉脱氢偶联(CDC)可以避免底物的预先功能化,缩短合成路线并提高反应效率,具有较高的原子经济性及实用性[4]。在众多不同的CDC反应中,1,2,3,4-四氢异喹啉类化合物(THIQs)因其大量存在于天然产物中,且可作为合成不同生物的活性中间体而被广泛关注[5-7]。然而,大多数THIQs的CDC反应在THIQs和不同的亲电体之间使用了许多过渡金属催化剂[8-16](如钌、铁、铜、钒、钼、铱、铂、金和钯等)以及化学计量的氧化剂[17-20](如氧气、过氧化氢、叔丁基过氧化氢和2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌等)。以上方法虽然被证明具有良好的反应性,但有些过渡金属催化剂价格昂贵,且难以制备及分离,甚至涉及使用危险的过氧化物及非良性氧化系统,这些缺点严重限制了过渡金属催化剂在有机催化合成领域中的广泛应用。因此,绿色、经济、安全高效的CDC反应催化体系亟待开发。

近年来,光催化因采用绿色经济的可见光作为能量来源已成为现代有机合成领域的研究热点[21]。可见光具有节能高效,条件温和且操作简便等优点,因此,可见光作为可以构建功能有机分子的实用有效方式而被广泛关注[22]。在这一背景下,有机染料已被证明是一类广受欢迎的无金属光催化剂。有机染料廉价、低毒等特点被广泛应用于许多可见光介导的有机光催化反应中[23]。荧光素钠作为有机染料,具有良好的光催化性能[24]。虽然采用可见光催化的CDC反应已有报道[25-28],例如,以过渡金属为光催化剂配合强氧化剂体系[25-26]、以蒽醌类化合物为光催化剂配合无机盐体系[27]和以聚合物光敏材料为光催化剂的催化体系[28]等,但以荧光素钠作为光催化剂的报道却并不多见。

本文首次以2-位芳环上连有不同取代基的N-芳烃四氢异喹啉类化合物(1a～1n)为原料(图1),以荧光素钠有机小分子为光催化剂,对可见光介导下的N-芳基四氢异喹啉与硝基甲烷、硝基丙烷及1H-吲哚的交叉脱氢偶联合成2-位(芳基)-1,2,3,4-四氢异喹啉类化合物(2a～2n)的反应进行研究(图2)。通过对反应条件进行优化,得到了绿色、安全且高效的最佳反应条件,同时还考察了不同取代基底物的电子效应对反应的影响。最后对最佳条件下合成的14种不同取代基的2-位(芳基)-1,2,3,4-四氢异喹啉类化合物的可能机理进行了分析。

图2 可见光诱导荧光素钠催化N-芳基四氢异喹啉交叉脱氢偶联反应

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker AVANCE 400型核磁共振波谱仪(CDCl3或DMSO-d6为溶剂,TMS为内标)。

实验所试剂及溶剂均为分析纯,均购自上海麦克林生化科技有限公司,无特殊说明外均未作处理直接使用。

1.2 合成

(1)N-芳烃四氢异喹啉类化合物(1a～1n)的合成

使用Schlenk双排管对250.00 mL史兰克管进行抽换气操作(重复3次),使反应管内保持氮气气氛。依次加入碘化铜(1.00 mmol)、磷酸钾(20.00 mmol)、 2-丙醇(10.00 mL)、乙二醇(1.11 mL)、 1,2,3,4-四氢异喹啉化合物(10.00 mmol)和芳基碘化物(10.5 mmol)。将反应混合物在0 ℃下加热回流,通过TLC(薄层色谱法)监测。反应结束后将其冷却至室温,取乙酸乙酯(20.00 mL)和饱和食盐水(20.00 mL)加入到反应混合物中,有机层用乙酸乙酯(2×20 mL)萃取。合并有机相后用饱和食盐水洗涤,用无水硫酸镁干燥后过滤,滤液通过旋转蒸发仪蒸发除去溶剂并通过柱层析(洗脱液:V石油醚∶V乙酸乙酯=5 ∶1)分离纯化得到N-芳烃四氢异喹啉类化合物1a～1n。

2-(4-甲氧基苯基)-1,2,3,4四氢异喹啉(1a)[29]:白色固体2.15 g,产率90%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.16(d,J=8.4 Hz, 4H), 6.98(d,J=8.4 Hz, 2H), 6.88(d,J=8.2 Hz, 2H), 4.30(s, 2H), 3.78(s, 3H), 3.44(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.99(t,J=5.4 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 153.4, 145.4, 134.53, 134.46, 128.6, 126.5, 126.3, 125.8, 118.0, 114.5, 55.5, 52.6, 48.3, 29.1。

2-(对甲苯基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(1b)[29]:白色固体1.83 g,产率82%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.20～7.05(m, 6H), 6.93～6.89(m, 2H), 4.36(s, 2H), 3.52(t,J=6.0 Hz, 2H), 2.98(t,J=6.0 Hz, 2H), 2.28(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.7, 134.7, 134.6, 129.8, 128.7, 128.4, 126.5, 126.1, 125.9, 115.8, 51.5, 47.2, 29.1, 20.4。

2-(3,5-二甲基苯基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(1c)[30]:白色固体1.92 g,产率81%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.18(s, 4 H), 6.63(s, 2H), 6.51(s, 1H), 4.38(s, 2H), 3.53(t,J=5.8 Hz, 2H), 2.98(t,J=5.8 Hz, 2H), 2.31(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 150.8, 138.6, 134.8, 134.5, 128.4, 126.3, 126.2, 125.8, 120.6, 113.0, 50.8, 46.5, 29.3, 21.6。

2-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉(1d)[29]:白色固体1.95 g,产率93%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.33～7.23(m, 2H), 7.19～7.06(m, 4 H), 6.99～6.88(m, 2H), 6.82(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.42(s, 2H), 3.56(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.98(t,J=5.6 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 149.7, 133.8, 133.4, 128.3, 127.6, 125.6, 125.3, 124.9, 117.6, 114.1, 49.7, 49.5, 45.5, 45.3, 28.2, 28.0。

2-(萘-1-基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(1e)[29]:白色固体2.02 g,产率78%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.25(d,J=5.2 Hz, 1H), 7.84(d,J=4.4 Hz, 1H), 7.58(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.50～7.39(m, 3H), 7.25～7.06(m, 5 H), 4.31(s, 2H), 3.45(s, 2H), 3.13(s, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 149.5, 135.2, 134.7, 134.4, 129.1, 128.8, 128.26(s), 126.3, 126.1, 125.7, 125.6, 125.3, 123.6, 123.4, 114.8, 55.1, 51.3, 29.5。

2-(萘-2-基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(1f)[31]:白色固体1.95 g,产率75%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.76～7.64(m, 3H), 7.41～7.32(m, 2H), 7.28～7.21(m, 1H), 7.21～7.15(m, 5H), 4.52(s, 2H), 3.67(t,J=6.0 Hz, 2H), 3.04(t,J=6.0 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.5, 134.7, 134.4, 128.8, 128.6, 128.1, 127.5, 126.8, 126.5, 126.3, 126.2, 126.1, 123.1, 118.7, 109.3, 51.1, 47.2, 29.2。

2-(4-氯苯基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(1g)[29]:黄色固体1.95 g,产率80%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.24～7.11(m, 6H), 6.92～6.86(m, 2H), 4.37(s, 2H), 3.52(t,J=6.0 Hz, 2H), 2.98(t,J=5.6Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 147.9, 133.6, 133.1, 127.9, 127.4, 125.4, 125.1, 115.2, 49.5, 45.3, 27.9。

2-(4-溴苯基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(1h)[32]:白色固体2.22 g,产率77%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.36(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.18(d,J=6.6 Hz, 4 H), 6.81(d,J=8.0 Hz, 2H), 4.39(s, 2H), 3.52(t,J=5.2 Hz, 2H), 2.96(s, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 149.4, 134.5, 133.9, 131.7, 128.4, 126.5, 126.4, 126.1, 116.2, 110.3, 50.3, 46.2, 28.9。

4-(3,4-二氢异喹啉-2(1H)-基)苯腈(1i)[29]:白色固体1.89 g,产率81%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.51(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.20(d,J=14.0 Hz, 4 H), 6.86(d,J=8.0 Hz, 2H), 4.48(s, 2H), 3.61(s, 2H), 2.98(s, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 152.3, 134.9, 133.5, 133.4, 128.2, 126.9, 126.5, 126.4, 120.2, 112.6, 98.7, 48.8, 44.6, 28.9。

6,7-二甲氧基-2-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉(1j)[33]:白色固体2.29 g,产率85%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.32(d,J=7.6 Hz, 2H), 6.99(d,J=8.4 Hz, 2H), 6.82(t,J=7.2 Hz, 1H), 6.64(d,J=4.0 Hz, 2H), 4.33(s, 2H), 3.87(s, 3H), 3.86(s, 3H), 3.54(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.91(t,J=5.6 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 150.2, 147.3, 147.1, 128.7, 126.3, 125.7, 118.2, 114.8, 110.9, 109.1, 55.43, 55.38, 49.9, 46.2, 28.1。

6,7-二甲氧基-2-(对甲苯基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(1k)[33]:白色固体2.38 g,产率84%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.12(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.93(d,J=7.8 Hz, 2H), 6.63(s, 2H), 4.28(s, 2H), 3.88(s, 3H), 3.86(s, 3H), 3.49(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.89(t,J=5.6 Hz, 2H), 2.28(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.3, 147.2, 147.0, 129.3, 127.7, 126.2, 125.9, 115.4, 111.3, 109.1, 55.4, 50.6, 46.9, 28.2, 20.0。

2-(4-氯苯基)-6,7-二甲氧基-1,2,3,4-四氢异喹啉(1l)[33]:白色固体2.49 g,产率82%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.19(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.88(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.64(s, 2H), 4.28(s, 2H), 3.86(s, 3H), 3.84(s, 3H), 3.49(t,J=5.8 Hz, 3H), 2.86(t,J=5.6 Hz, 2H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 149.2, 147.8, 147.6, 128.9, 126.5, 125.7, 123.6, 116.3, 111.4, 109.4, 56.1, 55.9, 50.4, 46.7, 28.3。

(2) 2-位(芳基)-1,2,3,4-四氢异喹啉类化合物(2a～2n)的合成

在25.00 mL史兰克管中加入1(0.50 mmol),亲核试剂(5.00 mmol),荧光素钠(FS)(0.015 mol)和甲醇(5.00 mL)。空气气氛室温下使用12 W蓝色LED灯照射,反应通过TLC监测,反应结束后通过柱层析(洗脱液:V石油醚∶V乙酸乙酯=5 ∶1,)分离纯化得到目标产物2a～2n。

2-(4-甲氧基苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2a)[34]:黄色固体143.00 mg,产率96%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.28～7.12(m, 4H), 6.94(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.82(d,J=8.8 Hz, 2H), 5.39(t,J=8.4 Hz, 1H), 4.84(dd,J=12.0 Hz, 8.8 Hz, 1H), 4.56(dd,J=12.0 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.75(s, 3H), 3.61～3.53(m, 2H), 3.06～2.97(m, 1H), 2.71(dt,J=16.4 Hz, 4.0 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 154.1, 143.2, 135.3, 132.9, 129.2, 127.8, 126.9, 126.6, 118.8, 114.7, 78.9, 58.9, 55.6, 43.2, 25.8。

1-(硝基甲基)-2-(对甲苯基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2b)[34]:黄色固体131.00 mg,产率93%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.29～7.11(m, 4H), 7.08(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.88(d,J=8.0 Hz, 2H), 5.49(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.83(dd,J=11.8 Hz, 8.2 Hz, 1H), 4.56(dd,J=11.8 Hz, 6.2 Hz, 1H), 3.67～3.50(m, 1H), 3.13～3.00(m, 1H), 2.74(dt,J=16.4 Hz, 4.6 Hz, 1H), 2.25(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 146.3, 135.3, 132.8, 129.9, 129.3, 128.9, 127.9, 126.9, 126.6, 115.80, 78.8, 58.4, 42.3, 26.1, 20.3。

2-(3,5-二甲基苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2c)[34]:黄色固体136.00 mg,产率92%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.23～7.08(m, 4H), 6.58(s, 2H), 6.50(s, 1H), 5.51(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.81(dd,J=11.6 Hz, 7.6 Hz, 1H), 4.49(dd,J=11.6 Hz, 6.4 Hz, 1H), 3.65～3.49(m, 2H), 3.09～2.98(m, 1H), 2.74(dt,J=16.4 Hz, 4.8 Hz, 1H), 2.26(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.6, 139.0, 135.4, 133.0, 129.2, 128.0, 126.9, 126.7, 121.3, 112.9, 78.7, 58.2, 42.1, 26.5, 21.7。

1-(硝基甲基)-2-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉(2d)[34]:黄色固体123.00 mg,产率92%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.29～7.13(m, 5H), 7.12(dd,J=7.2 Hz, 1.6 Hz, 1H), 6.97(s, 1H), 6.95(s, 1H), 6.82(t,J=7.2 Hz, 1H), 5.52(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.84(dd,J=11.6 Hz, 7.6 Hz, 1H), 4.53(dd,J=12.0 Hz, 6.8 Hz, 1H), 3.68～3.54(m, 2H), 3.11～3.01(m, 2H), 2.76(dt,J=16.4 Hz, 4.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.4, 135.3, 132.9, 129.4, 129.2, 128.3, 126.9, 126.6, 119.4, 115.2, 78.7, 58.2, 42.0, 26.4。

2-(萘-1-基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2e)[32]:无色液体145.00 mg,产率91%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.16(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.83(d,J=7.2 Hz, 1H), 7.57(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.53～7.42(m, 2H), 7.33～7.14(m, 5H), 6.85(d,J=7.2 Hz, 1H), 5.34(dd,J=10.8 Hz, 4.4 Hz, 1H), 4.95(t,J=11.2 Hz, 1H), 4.68(dd,J=12.0 Hz, 4.4 Hz, 1H), 3.76～3.66(m, 1H), 3.52(dd,J=14.0 Hz, 5.6 Hz, 1H), 2.94～2.77(m, 1H), 2.56～2.45(m, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 147.4, 135.1, 132.4, 132.2, 129.2, 128.1, 126.9, 126.7, 116.7, 111.3, 78.5, 58.1, 42.0, 26.1。

2-(萘-2-基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2f)[31]:黄色固体143.00 mg,产率90%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.75～7.61(m, 3H), 7.37(t,J=7.2 Hz, 1H), 7.32～7.10(m, 7H), 5.67(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.89(dd,J=12.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 4.57(dd,J=11.6 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.84～3.75(m, 1H), 3.69～3.61(m, 1H), 3.14～3.05(m, 1H), 2.77(dt,J=16.4 Hz, 4.4 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 146.2, 135.1, 134.5, 132.7, 129.2, 128.2, 128.1, 127.4, 127.1, 126.7, 126.6, 126.4, 123.4, 118.2, 110.2, 78.8, 58.1, 42.2, 26.3。

2-(4-氯苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2g)[34]:黄色固体139.00 mg,产率90%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.28～7.11(m, 6H), 6.88(d,J=9.2 Hz, 2H), 5.48(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.83(dd,J=11.6 Hz, 8.0 Hz, 1H), 4.57(dd,J=12.0 Hz, 6.4 Hz, 1H), 3.68～3.55(m, 2H), 3.10～3.00(m, 1H), 2.77(dt,J=16.4 Hz, 4.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 147.2, 135.1, 132.4, 129.32, 128.2, 126.8, 126.7, 124.1, 116.4, 78.5, 58.2, 42.1, 26.1。

2-(4-溴苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2h)[34]:黄色液体158.00 mg,产率91%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.32～7.08(m, 6H), 6.82(d,J=8.4 Hz, 2H), 5.47(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.81(dd,J=12.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 4.53(dd,J=12.0 Hz, 8.0 Hz, 1H), 3.63～3.51(m, 2H), 3.08～2.97(m, 1H), 2.75(dt,J=16.4 Hz, 4.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 147.3, 135.1, 132.4, 132.2, 129.2, 128.1, 126.9, 126.7, 116.8, 111.4, 78.5, 58.0, 42.0, 26.1。

4-(1-(硝基甲基)-3,4-二氢异喹啉-2(1H)-基)苄腈(2i)[35]:黄色液体131.00 mg,产率89%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.55(dt,J=10.0 Hz, 3.2 Hz, 2H), 7.33～7.20(m, 5H), 7.14(d,J=7.6 Hz, 2H), 6.98(dt,J=10.0 Hz, 3.2 Hz, 2H), 5.64(t,J=14.4 Hz, 1H), 4.86(q,J=12.0 Hz, 7.2Hz, 1H), 4.61(q,J=12.0 Hz, 6.8 Hz, 1H), 3.69(t,J=12.4 Hz, 2H), 3.13(dt,J=16.4 Hz, 6.4 Hz, 1H), 2.91(dt,J=16.4 Hz, 5.6 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 150.9, 134.6, 133.7, 132.1, 129.0, 128.6, 127.0, 126.9, 119.7, 113.2, 100.5, 78.1, 57.3, 41.7, 26.7。

6,7-二甲氧基-1-(硝基甲基)-2-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉(2j)[32]:黄色液体138.00 mg,产率84%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.30～7.22(m, 2H), 6.98(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.86(t,J=7.6 Hz, 1H), 6.65(s, 1H), 6.62(s, 1H), 5.46(t,J=7.6 Hz, 1H), 4.88(dd,J=11.6 Hz, 8.0 Hz, 1H), 4.57(dd,J=12.0 Hz, 6.4 Hz, 1H), 3.86(d,J=2.8 Hz, 6H), 3.72～3.64(m, 1H), 3.62～3.53(m, 1H), 3.05～2.96(m, 1H), 2.68(dt,J=16.0 Hz, 4.8 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.8, 148.6, 147.6, 129.4, 127.2, 124.4, 119.5, 115.3, 111.6, 109.5, 78.7, 57.9, 56.1, 55.8, 41.9, 25.7。

6,7-二甲氧基-1-(硝基甲基)-2-(对甲苯基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2k)[33]:黄色液体142.00 mg,产率83%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.07(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.88(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.62(d,J=12.8 Hz, 2H), 5.41(t,J=7.2 Hz, 1H), 4.84(dd,J=12.0 Hz, 8.4 Hz, 1H), 4.58(dd,J=11.6 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.86(s, 6H), 3.68～3.60(m, 1H), 3.58～3.49(m, 1H), 3.02～2.92(m, 1H), 2.62(dt,J=16.0 Hz, 4.4 Hz, 1H), 2.26(s, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.8, 147.6, 146.5, 129.9, 129.2, 127.5, 124.6, 116.2, 111.8, 109.6, 78.9, 58.2, 56.1, 55.9, 42.3, 25.6, 20.3。

2-(4-氯苯基)-6,7-二甲氧基-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2l)[33]:黄色液体149.00 mg,产率82%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.22(d,J=9.2 Hz, 2H), 6.88(d,J=8.8 Hz, 2H), 6.64(s, 1H), 6.62(s, 1H), 5.41(t,J=6.4 Hz, 1H), 4.83(dd,J=12.0 Hz, 8.4 Hz, 1H), 4.57(dd,J=12.0 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.88(s, 6H), 3.68～3.52(m, 1H), 3.02～2.92(m, 1H), 2.66(dt,J=16.4 Hz, 4.4 Hz, 1H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 148.8, 147.7, 147.2, 129.1, 127.1, 124.3, 123.8, 116.7, 111.6, 109.3, 78.4, 57.8, 55.9, 55.7, 41.9, 25.2。

1-(1-硝基丙基)-2-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉(2m)[36]:黄色液体123.00 mg,产率83%;分离非对映体比例为2.16 ∶1.00;1H NMR(400 MHz, CDCl3)主要异构体δ: 5.13(d,J=9.6 Hz, 0.67H), 4.91～4.81(m, 0.69H), 3.89～3.81(m, 0.68H),次要异构体δ: 5.24(d,J=9.2 Hz, 0.31H), 4.72～4.61(m, 0.32H), 其它重叠峰δ: 7.31～7.09(m, 6H), 7.01～6.90(m, 2H), 6.83～6.73(m, 1H), 3.72～3.45(m, 1H), 3.14～2.99(m, 1H), 2.96～2.81(m, 1H), 2.28～2.01(m, 1.39H), 1.88～1.75(m, 0.72H), 0.97～0.90(m, 3H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)主要异构体δ: 149.1, 135.6, 132.6, 129.4, 129.2, 128.7, 128.2, 125.9, 119.4, 115.8, 93.1, 62.2, 42.3,次要异构体δ: 149.1, 134.7, 133.91, 129.3, 128.7, 128.2, 127.1, 126.6, 118.7, 114.2, 96.1, 60.7, 43.6, 26.8, 24.9, 10.7,其他重叠峰δ: 129.4, 129.3, 129.2, 128.7, 128.6, 128.3, 128.1, 127.2, 126.5, 125.9, 26.8, 25.8, 24.9, 24.6, 10.7。

1-(1H-吲哚-3-基)-2-苯基-1,2,3,4-四氢异喹啉(2n)[37]:白色固体136.00 mg,产率84%;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 10.88(s, 1H), 7.48(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.38～7.29(m, 2H), 7.24～7.12(m, 5H), 7.07～6.97(m, 3H), 6.93～6.86(m, 1H), 6.79(d,J=2.4 Hz, 1H), 6.66(t,J=7.2 Hz, 1H), 6.24(s, 1H), 3.58(t,J=6.0 Hz, 1H), 3.05～2.96(m, 1H), 2.94～2.85(m, 1H);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ: 149.1, 137.9, 136.6, 134.9, 128.9, 128.5, 127.7, 126.4, 125.9, 125.5, 124.3, 120.9, 119.2, 118.5, 117.4, 117.1, 114.5, 111.5, 55.4, 26.4。

2 结果与讨论

2.1 反应条件优化

(1) 溶剂对反应的影响

以1a为反应的模型底物,硝基甲烷为亲核试剂,5%(物质的量分数,下同)荧光素钠为光催化剂,12 W蓝色LED灯为光源,空气气氛室温下照射8 h,考察溶剂对反应产率的影响,结果如表1所示。实验结果显示,当四氢呋喃(THF)作为溶剂时,反应产率为56%;当以二氯甲烷(DCM)、甲苯和1,2-二氯乙烷(DCE)作为溶剂时,反应的产率相近,分别为60%、 62%和64%;而当乙酸乙酯(EA), 1,4-二氧六环和乙腈(MeCN)作为溶剂时,反应的产率有了明显提升,可分别达到70%、 72%和78%;此外,反应在硝基甲烷(MeNO2)和乙醇(EtOH)溶剂中的产率有了进一步提升,均可达到90%以上;当甲醇(MeOH)作为溶剂时,反应产率最高,为96%。因此,选择MeOH作为该反应的最佳溶剂来进行后续进一步的条件优化。

表1 不同溶剂对反应产率的影响

(2) 光催化剂种类及用量对反应的影响

基于以上优化实验,以1a为反应底物,硝基甲烷为亲核试剂,甲醇作为溶剂,12 W蓝色LED灯为光源,空气气氛室温下照射8 h,考察光催化剂种类及用量对反应的影响,结果如表2所示。结果表明,荧光素钠(FS)是反应最佳的光催化剂,原因可能是荧光素钠在该反应体系中最易被激发,因而催化反应的效果最好。FS最佳用量为3%,在此条件下反应依然具有96%的产率。

表2 催化剂种类及用量对反应产率的影响

(3) 光源种类对反应产率的影响

在得到最佳光催化剂种类及用量后,基于此条件对影响反应的光源进行了考察,结果如表3所示。结果表明,在白色LED灯照射下,产率为76%;在绿色LED灯照射下,产率为62%;当紫色LED灯为光源时,产率为49%;在黄色和红色LED光源下产率分别为33%和21%。然而以上光源都不及蓝色LED灯作为光源时反应的产率。这是由于荧光素钠的最大激发波长处在蓝色LED光源的波长范围内,使其可以更好地被激发来催化反应的进行。因此,选择蓝色LED灯作为反应的最佳光源。

表3 LED光源对反应产率的影响

(4) 其它背景条件对反应的影响

考察了其它背景条件如催化剂、光照、气体条件、反应温度对反应的影响,结果如表4所示。反应在无光催化剂或光源下不发生,说明光催化剂及光源是反应发生的必需条件,即该反应为光反应。在氮气气氛下反应不发生;在氧气或空气气氛下反应可以发生,说明反应过程中需有氧气参与,即该反应需要有一定浓度的氧化剂才能发生。然而在氧气或空气气氛下反应的产率较为接近,但在空气气氛下进行实验时反应所需成本更低,操作更简便,所以选择空气气氛下进行反应。室温下的反应产率与50 ℃和回流温度下的产率接近,表明温度对反应的影响并不明显,即反应能够在室温下进行。

表4 背景条件对反应的影响

综上所述,根据化合物2的合成通法,以1a为原料,硝基甲烷为亲核试剂,荧光素钠为光催化剂,甲醇为溶剂,12 W蓝色LED灯为光源,空气气氛室温下对反应进行照射,通过薄层色谱法监测反应的进行,反应结束后通过柱层析分离纯化可得到2-(4-甲氧基苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉。通过对影响反应的因素,即溶剂、光催化剂种类及用量、光源种类和其它背景条件(是否有催化剂、是否避光、气体条件和反应温度等)进行考察,最终得到反应的最优条件为:荧光素钠(3%)为光催化剂,甲醇为溶剂,12 W蓝色LED灯为光源,空气气氛室温下进行反应。

2.2 底物普适性研究

在最佳反应条件下对该反应进行了底物普适性研究,结果如图2所示。在最佳反应条件下拓展了14个带有不同取代基的2-位(芳基)-1,2,3,4-四氢异喹啉类化合物。讨论了供电子、吸电子等不同底物的电子效应对反应产率的影响。

以2-(4-甲氧基苯基)-1,2,3,4四氢异喹啉(1a)为原料,硝基甲烷为亲核试剂,反应以96%的产率得到了带有强供电子效应的目标产物2-(4-甲氧基苯基)-1-(硝基甲基)-1,2,3,4-四氢异喹啉(2a)。当底物带有弱供电子效应的甲基时,反应以93%和92%的产率得到了相应的目标产物2b和2c。无取代基的底物及带有近中性萘基的底物分别以92%、 91%和90%的产率得到了相应的目标产物2d～2f。带有弱吸电子效应的底物分别以90%和91%的产率得到了目标产物2g与2h。带有强吸电子效应的底物以89%的产率得到了目标产物2i。在四氢异喹啉核心苯环上带有2个甲氧基的底物分别以83%和82%的产率得到了目标产物2j～2l,这可能是受强供电子效应的甲氧基影响,使反应过程中产生的苄基自由基中间体稳定性略有降低[38-39],从而导致反应的产率下降。除硝基甲烷外,也尝试了其它亲核试剂如硝基丙烷、吲哚,反应均以83%和84%的产率得到了目标产物2m与2n,这可能是由于硝基丙烷与吲哚的空间位阻较大而导致反应的产率有所降低。以上实验结果表明,无论底物带有供电子还是吸电子取代基,反应都能够较好地进行,并且能够以良好至优秀的产率得到相应的目标产物,展示了该反应良好的底物普适性及官能团耐受性。

2.3 反应机理分析

基于以上实验结果和光催化合成2-位(芳基)-1,2,3,4-四氢异喹啉类化合物的相关文献报道[40-41],对该反应可能的机理提出以下分析(图3):一种可能是,首先在蓝色LED灯的照射下,荧光素钠(FS)被激发生成激发态荧光素钠(FS*), FS*与1a通过单电子转移(SET)反应生成自由基阳离子8和自由基阴离子FS·-。随后,FS·-与氧分子发生电子转移产生超氧自由基阴离子O2·-,同时使FS·-回到基态。O2·-夺取8的氢产生氢过氧化物自由基HOO·和中间体9。之后新形成的HOO·与9偶联生成氢过氧化物中间体10,进一步质子化后生成亚胺离子中间体11和H2O2。另一种可能是,SET过程发生在9和FS*之间以提供亚胺离子11。最后,硝基甲烷与11发生亲核加成获得目标产物2a(路径A)。另一种可行的机理过程是四氢异喹啉类化合物和硝基甲烷之间的光催化偶联可通过氧来进行光敏化,然后在所产生的单线态氧和底物之间进行SET过程。在这种情况下,FS*可与三线态氧(3O2)生成单线态氧(1O2),再与1a通过SET过程产成自由基阳离子8(路径B)。

3 结论

本文以带有不同取代基的N-芳烃四氢异喹啉类化合物为原料,以硝基甲烷、硝基丙烷以及吲哚为亲核试剂,首次以荧光素钠为光催化剂,以空气中的氧气为氧化剂,利用有机光催化方法以良好至优秀的产率合成了不同取代基的2-位(芳基)-1,2,3,4-四氢异喹啉类化合物(2a～2n),产率可达到82%～96%。底物拓展实验结果表明:该反应具有良好的底物普适性及官能团耐受性。分析了反应可能发生的机理,为有机光催化领域内绿色合成2-位(芳基)-1,2,3,4-四氢异喹啉类化合物提供了研究依据。