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多环杂芳烃（PHA）作为一类重要的π-共轭分子，由于其作为发光材料和有机半导体而在材料科学中被广泛应用，并引起了极大的关注。寻求高效的方法从容易获得的前体快速构建PHA一直是有机合成化学的核心目标。在各种策略中，从简单的含氮芳香杂环到多环杂芳烃的骨架跃迁是一种尚未得到充分探索但很有前景的方法。近年来，分子编辑已成为有机合成领域的一种变革性范式，通过有针对性的修饰使复杂分子骨架多样化。当前的骨架编辑方法主要包括单原子编辑（插入、删除和替换）、原子对交换（例如CN到CC、NN到CC）和解构官能化等技术手段。然而，骨架编辑领域仍然缺乏将简单芳香杂环转化为复杂多环杂芳烃结构的有效策略。对于特定的芳香杂环编辑需要实现其去芳构化/化学键裂解过程，不仅要克服体系强大的芳香性，还要裂解其非张力骨架中的σ键，这是一个艰巨的挑战。因此，芳香杂环编辑为多环杂芳烃的方法代表了分子转化中一个创新的方向和概念。

华中师范大学吴安心教授课题组过往20多年设计“I₂-DMSO组合试剂系统介导下构建杂环合成工具箱”策略中，主要基于成键反应和环化策略开发出大量杂环合成的新型反应例证，但基于断键反应来设计构建杂环的研究例证相对匮乏，尤其是芳香杂环的断键解构过程，成为课题组亟待探索并解决的研究方向。去年该团队就基于开环重构策略实现芳香杂环的骨架编辑高效构筑复杂的多氮稠环骨架，突破了吡唑绕过N-N键裂解骨架编辑的挑战性课题(Nat. Commun. 2024, 15, 10907)。在此，该团队联合湖北文理学院、郑州大学和广东医科大学多个单位，实现基于吲哚C-N键裂解开环的骨架编辑反应，构建苯并萘啶类多环杂芳烃衍生物，同时对其反应机理和光物理性质展开了深入研究。相关研究发表于Org. Lett. 2025, 27, 11848–11853。

图1. 关于吲哚骨架编辑的一些反应模式（图片来源：Org. Lett.）

吲哚类化合物是一类重要的含氮杂环化合物，广泛存在于天然产物、生物活性化合物和功能材料中。以吲哚为中心的各种化学转化的发展具有重要意义，特别是对于开发新的反应模式，进而合成无法通过传统方法实现的高附加值产品。近年来，Morandi和Ackermann团队分别独立开发了氮原子插入到吲哚C=C键使其骨架编辑成为喹唑啉骨架的新方法。Levin和Glorius团队则通过氯卡宾中间体，实现了将sp²杂化碳原子插入吲哚C=C键，使其吲哚骨架编辑成3-取代喹啉骨架。2024年，Bi团队使用过渡金属催化实现将sp³杂化碳原子插入到吲哚的C=C键之中，实现了含四价碳的二氢喹啉骨架的构建(图la)。在过去两年中，Xiao团队利用镁粉和超声波的条件，实现将2-邻氨基苄基吲哚进行等键反应发生开环异构化，转化为其它吲哚衍生物。几乎同时，Mo团队通过一锅两步法，实现了2-芳基吲哚与对苯二胺之间的等键反应，将吲哚转化为喹喔啉衍生物(图1b)。这些研究打破了吲哚化学领域的传统反应模式，成功地解锁了吲哚环的骨架编辑过程。然而到目前为止，仍没有已公开的方案能够利用易得底物和简单条件直接将吲哚转化为多环杂芳烃类骨架。作者认为，这种骨架编辑不仅是一个传统的环扩展，也不是一个解构功能化，而是一个名为环升级的独特模型。在这篇论文里超过70个不同的实例证明了吲哚转化为苯并萘啶类多环杂芳烃的反应过程，证明了该方法优异的底物兼容性。进一步地，DFT理论计算进一步明确了其反应机理，也对多环杂芳烃衍生物的聚集诱导发光和热激活延迟荧光性质进行了深入研究，实现该工作从合成到机理再到性质的系统性深入研究。

图2. 反应的实用性研究（图片来源：Org. Lett.）

作者在完成了70余个基于吲哚骨架编辑的常规化合物合成后。为了进一步验证该方法实用性，作者使用DIC和DMAP缩合剂将薄荷醇、冰片、莰烷酸、黄酮哌酸、丙磺舒、金刚烷胺和布洛芬这些天然产物或者药物分子，构建成含有酯基或酰胺结构的苯乙酮作为反应底物，均能顺利的获得活性分子修饰的目标多氮稠杂环(7a-7g)，反应中敏感基团酯基和酰胺键也都能耐受，且含有手性中心的底物在反应过程中没有发生消旋化（图2a）。作者还将合成4a、4f和5x的反应放大到10.0 mmol的克级规模，其分离收率仅有略微下降，这为分子的后期衍生提供了物质基础（图2b）。紧接着，作者进一步使用 Buchwald-Hartwig 偶联反应将含溴产物5x上修饰上电子给体吩噁嗪和吩噻嗪，在强碱条件下构建产物分子5x-PXZ和5x-PTZ的过程中都展现出良好的耐受性，其中5x-PXZ的真实结构得到了X射线单晶衍射的切确证实（图2c）。

图3. 5x-PTZ的光物理性质（图片来源：Org. Lett.）

作者以衍生的大共轭稠环分子5x-PTZ举例阐述其光物理特性，首先用溶液稀释法配置了它的不同含水量的梯度溶液，用水和四氢呋喃作为混合溶剂来调控含水量，待测的溶液浓度为0.01 mmol/L，然后用荧光发射仪以波长为360 nm的紫外光激发，其溶液在低于70%的含水量下几乎没有荧光发射；然而当水含量高于80%时，荧光强度随着含水量的升高而迅速增强，在95%的含水量时荧光达到峰值，这是由于纳米聚集体的形成限制了分子运动并增加了发射强度，证明了该分子具有典型的聚集诱导发光（AIE）性质。其在峰值含水量时发射橙红色荧光，最大发射波长分别为616 nm（图3a）。此外，5x-PTZ的二甲苯溶液表现出显著的氧气敏感性。通过调控氩气/氧气混合气中的氧浓度，其荧光强度呈现氧浓度越低，荧光发射强度越强的规律性变化，且在大气环境下的测试结果与空气中约20%的氧含量相符，这表明其可作为性能优异的氧气浓度探针（图3b）。进一步地，化合物5x-PTZ表现出热激活延迟荧光（TADF）特性，在稀溶液中具有微秒级的衰减寿命，证实了三重态到单重态反向系间窜跃（RISC）。具体来说，5x-PTZ的氧敏感三重态使其双重发射特性能够起到氧探针的作用：短波发射（瞬时荧光，寿命=15.3纳秒）保持氧不敏感，而长波发射（延迟荧光，寿命=13.5微秒）对氧很敏感，这也从理论上解释了该化合物的荧光发射对氧敏感的机理（图3c和3d）。TADF发光材料是一类纯有机发光材料，在有机电致发光（OLED）、生物发光、生物传感器、纳米医学等领域具有广阔的应用前景。该工作不仅验证了PHAs骨架作为TADF特性的AIE材料的可行性，而且证明了其在OLED和生物分析传感等领域中的运用潜力。

图4. 控制实验（图片来源：Org. Lett.）

为了探究反应历程，作者随后进行了一系列机理验证实验。首先，对甲苯乙酮1a 在I₂-DMSO 条件下能以高产率得到对甲苯基乙二醛1ab (图4a)。随后，对甲苯基乙二醛水合物1ac和α-碘代对甲苯乙酮1ad被鉴定为反应中间体。此外，深入研究对甲苯基乙二醛水合物1ac作为底物时的转化情况，在标准条件下与底物1,3-二甲基-5-氨基吡唑2r和2-苯基吲哚3a反应时产率高达76%；在没有碘的情况下反应产率低至15%；而在没有TsOH作为添加剂时，反应产率仍能维持在54%；说明后续转化过程中碘的存在十分必要，而TsOH的存在则可以提升反应产率(图4b和4c)。然后，作者在氧气或氩气氛围下分别对标准反应进行考察，发现产率和在空气中相比几乎没有变化，说明反应无需氧气作为额外的氧化剂即可完成转化(图4d)。最后，使用吲哚3aa代替2-苯基吲哚3a作为反应底物时，发现主产物是吲哚未开环的[4+2]环加成产物4rb，而目标的吲哚骨架编辑产物4ra产率只有28%，说明吲哚2-号位的苯基的存在对于吲哚骨架编辑的转化反应而言极为关键的，主要是充当阻碍基去抑制氧化芳构化而促使C−N裂解开环的作用（图4e）。

图5 DFT理论计算（图片来源：Org. Lett.）

基于以上控制实验的结果，蓝宇教授团队帮助其进行了DFT理论计算，以进一步阐明核心环加成过程的反应机理（图5）。反应开始于1,3-二甲基-5-氨基吡唑m2对质子化的芳基乙二醛m1的亲核进攻，经过过渡态ts4形成阳离子中间体m5。在此阶段，反应物m2作为碱，从中间体m5中提取质子。该质子转移通过过渡态ts6进行，形成羟基中间体m7。随后，脱水通过过渡态ts8发生，导致质子化的氮杂双烯体中间体m9的形成。随后，反应通过外式(exo, 无次级轨道作用)和内式(endo, 有次级轨道作用)竞争的[4+2]环加成过渡态ts11和ts12进行，向两种不同的产物构型演化。通过ts11形成顺式构型产物的步骤具有9.7 kcal/mol的势垒，而通过ts12形成反式构型产物的步骤具有28.4 kcal/mol的势垒。通过ts11的路径由于其较低的势垒而占主导地位，从而形成中间体m13。然后，该中间体继续通过过渡态ts14完成环加成反应，得到全顺式构型产物m15。随后，反应物m2再次作为碱，促进经由过渡态ts16的质子转移以形成胺缩醛中间体m17。整个反应的速率由从中间体m7到过渡态ts11或ts12的过程决定。同时，反应的立体选择性也受[4+2]环加成过渡态的控制。作者基于控制实验和理论计算，以及在原位高分辨质谱技术的辅助下，提出了该骨架编辑过程的完整反应机理（图6）。

图6 反应机理（图片来源：Org. Lett.）

综上所述，华中师范大学吴安心教授等人在I₂-DMSO试剂体系中报道了一种基于2-芳基吲哚的多组分环升级的骨架编辑反应，用于高效合成苯并萘啶骨架；这项工作基于吲哚的开环重构开创了一种新的骨架编辑形式，实现了简单芳香杂环向复杂多环杂芳烃的高效构建。此外，这些衍生物具有优异的AIE和TADF等光物理性质，使得其氧敏感特性能够作为氧气浓度探针。通过控制实验和理论计算，证实了[4+2]环加成反应的立体化学为无次级轨道作用的外式选择性过程。此外，已经证明2-苯基吲哚的邻位苯基基团可以作为阻止氧化芳构化，转而促进C-N键裂解开环的关键基团，这对于骨架编辑的转化过程至关重要。作者还在实验室中进一步研究由I₂-DMSO体系介导的其他芳香环的“骨架跃迁”过程，以构建更多新颖的含氮稠杂环结构体。

这一成果近期发表在中科院双一区top期刊Organic Letters上，文章的第一作者是湖北文理学院周游博士, 雷双桂硕士对论文的合成部分做出突出贡献，李泽华博士完成了论文关键的理论计算部分，郑恺鹭副教授对光物理性质研究进行详细指导。本文通讯作者为华中师范大学吴安心教授、湖北文理学院和平教授、郑州大学蓝宇教授、以及广东医科大学郑恺鹭副教授。研究工作得到国家自然科学基金（22171098, 22405062），湖北省科技厅基金（2024EHA070）以及河南省联合基金（222301420006）的大力资助；同时也获得了成都硅宝科技股份有限公司的有力支持。

吴安心，华中师范大学教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，湖北省有突出贡献中青年专家，武汉市优秀科技工作者。1985年于兰州大学化学系获得学士学位。1988年于中国科学院兰州化学物理研究所获理学硕士。1988年至1994年，在兰州大学医学院药学系任教。1997年于兰州大学获得理学博士学位，师从潘鑫复教授。1997年09月至2001年03月，在香港科技大学化学系从事博士后研究，师从戴伟民教授。2001年04月至2003年07月，在美国马里兰大学化学与生物化学系从事博士后研究，师从Lyle Isaacs教授。2003年07月至今于华中师范大学工作。建组二十余年来，已经在国际知名学术期刊发表论文200余篇，包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Chin. Chem. Lett., Org. Lett., Chem. Commun., Org. Chem. Front., Chin. J. Chem., Adv. Synth. Catal., J. Org. Chem., Chem. Eur. J.等国际知名期刊。主持国家自然科学基金重点与面上项目十余项。

和平，湖北文理学院食品科学与化学工程学院教授、院长。湖北省科技厅权威专家、湖北省化学化工学会青年委员会理事、中国化学会及中国化工学会会员。2011年博士毕业于华中师范大学农药学专业。主持国家自然科学基金、湖北省基金以及横向项目20余项。长期专注杂环化学及其应用，以第一作者/通讯作者身份在Org. Lett., Org. Chem. Front., J. Org. Chem., Synlett.等国际期刊上发表论文50余篇，授权发明专利10项。

周游，湖北文理学院食品科学与化学工程学院讲师。2014年9月-2018年6月就读于湖北师范大学应用化学专业，获得学士学位，导师为殷国栋教授。2018年9月-2025年6月就读于华中师范大学有机化学专业进行硕博连读，获得博士学位，导师为吴安心教授。2025年7月至今于湖北文理学院工作。现以第一作者/通讯作者身份在Nat. Commun., Chin. Chem. Lett., Org. Lett., Chin. J. Chem., Org. Chem. Front., Chem. Commun., Adv. Synth. Catal., J. Org. Chem.等国际权威期刊上发表论文数十篇，其中以第一作者发表论文10篇，合作者身份发表论文30余篇。