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天津大學(xué)孫哲課題組JACS:利用POP策略合成穩(wěn)定的非凱庫(kù)勒雙自由基

來(lái)源:天津大學(xué)      2024-09-14
導(dǎo)讀:基于稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)的有機(jī)雙自由基因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理特性,在材料科學(xué)和生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中,對(duì)這類分子基態(tài)構(gòu)型和單三線態(tài)能隙(ΔEST)的調(diào)控具有重要的意義。
基于稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)的有機(jī)雙自由基因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理特性,在材料科學(xué)和生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中,對(duì)這類分子基態(tài)構(gòu)型和單三線態(tài)能隙(ΔEST)的調(diào)控具有重要的意義。例如,較小的ΔEST可實(shí)現(xiàn)有效的自旋態(tài)轉(zhuǎn)換,并有利于實(shí)現(xiàn)單線態(tài)激子裂分等獨(dú)特的物理現(xiàn)象。具有凱庫(kù)勒結(jié)構(gòu)的有機(jī)雙自由基由于具有醌型共振結(jié)構(gòu)更傾向于單線態(tài)基態(tài);相反,缺乏閉殼共振結(jié)構(gòu)的非凱庫(kù)勒雙自由基的基態(tài)構(gòu)型更難以預(yù)測(cè)。根據(jù)Ovchinnikov規(guī)則和Lieb定理,對(duì)于平面型的非凱庫(kù)勒雙自由基,其自旋量子數(shù)S可以用公式S=(N*?N)/2來(lái)預(yù)測(cè)(N*、N表示交替出現(xiàn)的兩種自旋方向的碳原子數(shù)量)。當(dāng)S=0時(shí),其電子基態(tài)為單線態(tài),當(dāng)S=1時(shí),其電子基態(tài)為三線態(tài)?;诖嗽瓌t,可以根據(jù)稠環(huán)芳烴自由基連接位點(diǎn)的不同構(gòu)建具有不同電子構(gòu)型的雙自由基體系(圖一):當(dāng)兩個(gè)單自由基分子在自旋位點(diǎn)相連時(shí)可得到凱庫(kù)勒雙自由基(單線態(tài));當(dāng)在非自旋位點(diǎn)相連時(shí)可得到非凱庫(kù)勒雙自由基(單線態(tài));當(dāng)在自旋和非自旋位點(diǎn)相連時(shí)可得到非凱庫(kù)勒雙自由基(三線態(tài))。因此,理論上可以通過(guò)連接位點(diǎn)的設(shè)計(jì)得到基態(tài)可調(diào)的雙自由基材料。然而,非凱庫(kù)勒雙自由基具有合成困難、穩(wěn)定性差的特點(diǎn);因此,即使是最簡(jiǎn)單的非那烯(PR)自由基二聚體的合成也僅在表面化學(xué)得以實(shí)現(xiàn),其溶液態(tài)合成并未取得成功。化學(xué)加_合成化學(xué)產(chǎn)業(yè)資源聚合服務(wù)平臺(tái)。

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圖一:不同位置連接的PR和OR二聚體的分子結(jié)構(gòu)。

天津大學(xué)孫哲團(tuán)隊(duì)于2020年報(bào)道了共軛擴(kuò)展的五環(huán)奧林匹克烯自由基(OR)的合成(J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 11022)?;贠R體系,該團(tuán)隊(duì)提出了自旋密度分布和空間位阻導(dǎo)向的保護(hù)-氧化-保護(hù)策略(POP策略,Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313257),該策略可實(shí)現(xiàn)取代基在自旋位點(diǎn)的逐步引入,從而制備穩(wěn)定的多取代自由基。近日,利用這一策略,該團(tuán)隊(duì)成功合成了非自旋位點(diǎn)直接相連的非凱庫(kù)勒雙自由基OR二聚體1,其合成路線如圖二所示。根據(jù)Ovchinnikov規(guī)則,雙自由基1應(yīng)為單線態(tài)基態(tài)。

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圖二:雙自由基1的合成路線

作者對(duì)雙自由基1的性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的表征。該分子表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性,其在甲苯溶液中的半衰期超過(guò)3.5年,固態(tài)熱分解溫度高于300 ℃。其單晶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相交的分子結(jié)構(gòu)和緊密結(jié)合的二聚體構(gòu)型,由于取代基的大位阻使得中間的單鍵轉(zhuǎn)動(dòng)受限,在晶體中發(fā)現(xiàn)了一對(duì)軸向?qū)ΨQ的手性對(duì)映體。對(duì)分散在固體基質(zhì)中的樣品進(jìn)行電子順磁共振 (EPR) 和超導(dǎo)量子干涉衍射 (SQUID) 測(cè)試,結(jié)果表明該雙自由基為單線態(tài)基態(tài),且具有較小的單三線態(tài)能隙(SQUID測(cè)定為?0.17 kcal/mol),符合理論預(yù)測(cè)。溶液相的VT-EPR表明分子旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間為63納秒,處于慢運(yùn)動(dòng)區(qū)間(slow motion regime),這一特性使得該分子具有在生物體系中用作自旋探針的潛力。循環(huán)伏安測(cè)試表明該雙自由基具有四階氧化還原特性,其雙陽(yáng)離子可以被分離和表征。

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圖三 穩(wěn)定性、晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)表征。

綜上所述,這項(xiàng)研究證明了POP策略不僅可以得到穩(wěn)定的稠環(huán)芳烴單自由基,同時(shí)對(duì)于構(gòu)建合成困難、穩(wěn)定性差的非凱庫(kù)勒雙自由基也是非常有效的策略。該策略有望用于開發(fā)具有高自旋基態(tài)以及較小單三線態(tài)能隙的功能性有機(jī)自旋材料。


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