近日，西班牙赫罗纳大学Àlex Díaz-Jiménez与Anna Pla-Quintana团队开发了一种铑催化联芳基炔基磺酸酯的串联反应，可高效构建具有强固态荧光的刚性螺环环庚三烯结构。基于前期对于选择性7-endo氮宾–炔烃环化的研究，本设计利用骨架刚性来促进热诱导电开环反应。密度泛函理论（DFT）计算研究表明，反应通过铑键合氮杂环丙烯中间体实现联芳基骨架的去芳构化单碳插入。该过程遵循独特的非卡宾途径，突破了传统Büchner-型机理对氮宾介导重排的限制，为通过理性设计串联反应构建结构复杂的光活性分子骨架提供了模块化策略。相关研究成果发表在ACS Catal.上（DOI: 10.1021/acscatal.5c06179）。
骨架重排反应因其能以步骤经济的方式构建复杂分子结构而极具潜力。此类反应通过化学键断裂与重组实现分子骨架的根本重构，在过渡金属配合物催化下尤为高效。过渡金属催化骨架重排中最常见的驱动力是芳香性获得，但通过去芳香化实现的反应过程同样构成可行路径。Büchner反应在骨架重排方面具有显著潜力，特别是当高活性亲电中间体源于复杂的成键过程时（Scheme 1A）。过渡金属催化的炔烃环化可有效原位生成卡宾或碳正离子，从而实现Büchner型环加成反应。此类串联策略能快速构建复杂骨架结构，甚至在分子间体系中亦能实现。因此，诸多研究团队开发了多种实用型的策略（Schemes 1B−1E）。2014年，Panek等团队开发了一种铑催化的串联反应，涉及7-endo氮烯-炔环化生成α-亚氨基卡宾的过程，该卡宾经历芳烃环丙烷化生成四环norcaradienes（Scheme 1B）。有趣的是，环扩张并未发生，而是需要磺酸盐基团的亲核开环，随后由Lewis酸或Brønsted酸促进的电环化反应。2019年，徐新芳等团队报道了一种铜催化炔烃–重氮化合物的串联反应，通过5-exo卡宾/炔烃复分解（CAM）和Büchner型扩环反应，合成了二氢环庚[b]吲哚类化合物（Scheme 1C）。2022年，祝诗发等团队报道了一种铑催化不对称Büchner反应，通过芳氧基烯炔酮（aryloxyenynones）的5-exo环化原位生成卡宾中间体，进而实现环丙烷化（Scheme 1D）。2024年，叶龙武等团队报道了一种铜催化的N–炔丙基炔酰胺的环化反应，通过乙烯基阳离子中间体，以高产率和高对映选择性合成手性三环环庚三烯（Scheme 1E）。基于上述的研究发现，近日，西班牙赫罗纳大学Àlex Díaz-Jiménez与Anna Pla-Quintana团队开发了一种通过铑-氮烯-炔烃引发的串联过程，实现了联芳基骨架的骨架重排，高效构建了具有强固态荧光的四环磺酸酯骨架（Scheme 1F）。
（Scheme 1，图片来源：ACS Catal.）
首先，作者以含有炔基取代的联芳基衍生物（1a）作为模型底物，对反应条件进行了大量的筛选（Table S1）。筛选结果表明，当以Rh₂(R-BTPCP)₄作为催化剂，PhI(OAc)₂作为氧化剂，DCM作为溶剂，在室温下反应，可以99%的收率得到四环磺酸酯产物2a，ee为40%。
（Table S1，图片来源：ACS Catal.）
在获得上述最佳反应条件后，作者对底物的范围进行了扩展（Scheme 2）。研究结果表明，当联芳基底物1中的芳基上含有不同电性的取代基时，均可顺利进行反应，获得相应的产物2b–2o，收率为26-99%。
（Scheme 2，图片来源：ACS Catal.）
同时，作者对化合物2a-2o在溶液态和固态的紫外-可见吸收及荧光发射光谱进行了研究（Figure 1）。研究结果表明，所有化合物均在275、330及400 nm附近出现吸收峰，该现象归属于磺酰胺单元参与的π→π*/n→π*电子跃迁。随着取代基供电子能力的增强，低能吸收带发生红移，这说明HOMO-LUMO能隙减小。同时，取代基的电子效应与位置显著影响发光性能。
（Figure 1，图片来源：ACS Catal.）
紧接着，作者对反应的机理进行了研究（Scheme 3）。首先，HOMO-LUMO分析表明，高效的分子内电荷转移（IL）跃迁与定域于LUMO的磺酰胺单元邻近的富电子芳环密切相关。同时，化合物2a中亚胺经NaBH₄还原后，非对映选择性地生成产物3a（Scheme 3a），其荧光完全淬灭，进一步支持上述结论。其次，以1m为底物，在标准条件下进行反应，可以42%的收率得到norcaradiene化合物4（Scheme 3b）。其经单晶X-射线衍射确认的结构表明，该反应机理涉及芳环对氮杂环丙烯中间体的亲核进攻。值得注意的是，化合物4在溶液中自发重排为苯并[c]菲衍生物5，进一步拓展了可构建的结构多样性。
（Scheme 3，图片来源：ACS Catal.）
为了进一步的了解反应的机理，作者对进行了相关的理论计算的研究（Figure 2）。首先，该反应始于铑-氮宾配合物的生成，推测通过底物-氧化剂相互作用产生少量亚氨基碘烷中间体，该中间体随后与催化剂快速反应，形成活性铑-氮宾物种。其次，铑-氮宾物种可存在于三种电子态：闭壳层单重态、开壳层单重态和开壳层三重态。其中，三重态A-t是基态。氮宾在与炔烃反应时表现出显著活性，该反应被认为可通过单重态协同路径或三重态分步机理进行。经研究，仅能定位到三重态过渡态（TSAB-t）。进一步的研究表明，自旋翻转很可能发生在TSAB-t处或其紧接之后，该过程高度有利，因为铑键合氮杂环丙烯中间体B相对于A-t更稳定。由中间体B出发，所有尝试模拟铑迁移至氮杂环丙烯位点、继而通过7-endo或6-exo环化开环形成α-亚氨基铑卡宾的计算模型均未成功。相反，芳环对至氮杂环丙烯进行亲核进攻（该过程通过非卡宾路径进行），经由过渡态TSBC发生反应，在铑解离后，可形成中间体C。最后，中间体C经电环化开环形成中间体D的反应仅具微弱放热性，但由于跨越TSCD的动力学能垒较低，该过程仍可顺利进行。
（Figure 2，图片来源：ACS Catal.）
西班牙赫罗纳大学Àlex Díaz-Jiménez与Anna Pla-Quintana团队开发了一种铑催化氮宾–炔烃的串联反应，可实现联芳基炔基磺酸酯向具有强固态荧光的螺环环庚三烯的骨架重排。同时，其发光性质对取代基的性质与位置高度敏感。尤其值得关注的是，芳环带甲基的化合物2i表现出71%的极高量子产率，凸显该骨架作为固态发光体的潜力。机理研究证实了关键铑键合氮杂环丙烯中间体的存在，其经历去芳构化单碳插入及电环化开环反应。