研究通讯

氧膦对吲哚炔串联加成和环化合成二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉

  • 王禾林 a, b ,
  • 曾庆乐 , a, b, *
展开
  • a 广安理工学院 化学与化工学院 化学与化工学院 广安 638000
  • b 成都理工大学 材料与化学化工学院 材料与化学化工学院 成都 610059

收稿日期: 2025-08-20

  网络出版日期: 2025-10-11

基金资助

项目受四川省科技厅(2021ZYD0055)

Cascade Addition and Cyclization of Indoloalkynes with Phosphine Oxides for the Synthesis of Diarylphosphinoyl Indolo[1,2-a]quinolines

  • Helin Wang a, b ,
  • Qingle Zeng , a, b, *
Expand
  • a College of Chemistry and Chemical Engineering, Guang’an Institute of Technology, Guang’an 638000
  • b College of Materials, Chemistry & Chemical Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059

Received date: 2025-08-20

  Online published: 2025-10-11

Supported by

Science and Technology Department of Sichuan Province(2021ZYD0055)

摘要

首次以二芳基氧化膦(含膦酸酯)为原料, 与吲哚炔反应合成非共平面的二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉. 该方法涉及银介导的串联加成和环化过程, 包括具有显著位阻的二芳基膦酰基自由基的生成和后续吲哚炔的自由基环化. 该方案具有反应条件比较温和及操作简便等显著优势, 可合成多种非共平面二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉, 产率中等到良好. 这些化合物在医药和材料科学领域具有重要的应用潜力.

本文引用格式

王禾林 , 曾庆乐 . 氧膦对吲哚炔串联加成和环化合成二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉[J]. 化学学报, 2026 , 84(2) : 189 -195 . DOI: 10.6023/A25080283

Abstract

Nitrogen-containing heterocyclic compounds, especially indolo[1,2-a]quinolines with unique tetracyclic frameworks, are widely present in natural products, bioactive substances, and functional materials, exhibiting significant potential in pharmaceuticals and materials science. Meanwhile, heterocyclic organophosphorus compounds have attracted considerable attention due to their extensive applications in organic synthesis, medicinal chemistry, and materials science, and modifying organophosphorus functionalities can enhance biological activities. Herein, a highly efficient and innovative synthetic methodology for the preparation of non-coplanar diarylphosphinoyl indolo[1,2-a]quinolines from indoloalkynes and secondary diarylphosphine oxides has been successfully developed. This approach entails a silver-mediated cascade process, involving the generation of diarylphosphinoyl radicals with significant steric hindrance via the reaction of silver salts (AgOAc as the optimal oxidant) with secondary diarylphosphine oxides, followed by the addition of these radicals to indoloalkynes to form alkenyl radical intermediates, and subsequent intramolecular radical cyclization, oxidation, and deprotonation to construct C—P and C—C bonds. The optimized reaction conditions are determined as: indoloalkynes (1.0 equiv.), secondary diarylphosphine oxides (2.0 equiv.), AgOAc (3.0 equiv.), K3PO4 (2.5 equiv.) as the base, MeCN as the solvent, reaction at 100 ℃ under a nitrogen atmosphere for 24 h. Notably, this protocol exhibits excellent substrate compatibility. Electron-rich, electron-deficient, and ortho-substituted aryl groups on indoloalkynes are well-tolerated, yielding corresponding products in 55%~81% yields. Secondary diarylphosphine oxides with electron-withdrawing groups (F), electron-donating groups (Me, OMe), and even alkyl substituents can also participate in the reaction, giving products with moderate to good yields (51%~79%). A gram-scale experiment under optimized conditions still affords the desired product with a 68% yield, demonstrating its potential for large-scale synthesis. Control experiments with the free radical inhibitor 2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy (TEMPO) confirm that the reaction proceeds via a free radical mechanism. Single-crystal X-ray diffraction analysis of the product reveals that the four aromatic rings are non-coplanar (with a 14.899° angle between the normals of two internal aromatic rings) due to steric hindrance from the diarylphosphinoyl group, while maintaining intact aromaticity and stability. Overall, this method features mild reaction conditions, simplicity in operation, broad substrate scope, and the ability to yield diverse non-coplanar diarylphosphinoyl indolo[1,2-a]quinolines, holding considerable potential for applications in pharmaceuticals and materials science, and representing a substantial advancement in the synthesis of such compounds.

1 引言

含氮杂环化合物广泛存在于具有生物活性的天然产物和合成化合物中[1-3]. 其中, 吲哚并[1,2-a]喹啉因独特的含氮四环骨架, 广泛存在于多种天然产物、生物活性物质和功能材料中[4-11]. 如陈晓岚等[12-13]报道的磺酰化吲哚并[1,2-a]喹啉化合物a(图1), 荧光性能优异, 可作为脂滴靶向探针, 与尼罗红共染细胞时信号重叠度高(皮尔逊相关系数0.92)且毒性低; Kuhakarn团队[14]合成的6-芳磺酰基衍生物b(图1), 对肺癌A549细胞抑制活性媲美阿法替尼, 对正常细胞毒性更低; Ngernmeesri 等[10]制备的化合物c, 对结直肠癌HCT-116细胞IC50达6.21 μmol/L, 展现出抗肿瘤潜力. 这些具有重要药理活性的吲哚并[1,2-a]喹啉受到越来越多的关注, 但是, 吲哚并[1,2-a]喹啉的合成方法仍较少.
图1 吲哚并[1,2-a]喹啉的代表性分子

Figure 1 Selected examples of indolo[1,2-a]quinolines

2011年, Verma等[15]设计了一种碘参与的亲电环化反应, 用于合成一系列吲哚并[1,2-a]喹啉化合物(Scheme 1, a). 随后, 2019年陈晓岚课题组[12]提出了一种新型高效的磺酰基自由基引发的串联环化策略, 成功制备了一系列5位芳基磺酰基、6位芳基的吲哚并[1,2-a]喹啉类化合物(Scheme 1, b). 2023年, Kuhakarn等[16]报道了使用AgSCF3对3-烷基-1-[2-(炔基)苯基]吲哚进行自由基串联三氟甲基硫基化反应(Scheme 1, c), 该反应通过铜催化形成C—SCF3和C—C键, 并伴随苄基碳的氧化, 为合成CF3S取代的吲哚并[1,2-a]喹啉-7-甲醛和CF3S取代的吲哚并[1,2-a]喹啉-7-酮衍生物提供了新途径. 同年, 袁金伟课题组[17]报道了一种简便高效的可见光诱导方法, 在温和条件下, 通过磺酰基或硒基自由基引发惰性炔烃与亚硫酸钠或二芳基二硒醚的串联环化, 构建磺化和硒化吲哚并[1,2-a]喹啉(Scheme 1, d). 尽管取得了这些显著进展, 但从易得底物出发, 在温和条件下合成多官能化吲哚并[1,2-a]喹啉的简单有效方法仍面临巨大挑战, 尤其是对于膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉的合成[18].
图式1 吲哚并[1,2-a]喹啉衍生物的合成方法

Scheme 1 Synthetic methods of indolo[1,2-a]quinoline derivatives

近年来, 杂环有机磷化合物因其在有机合成、药物化学和材料科学中的广泛应用而受到广泛关注[19-22]. 研究表明, 对有机磷官能团进行分子修饰可增强其生物活性[23-25]. 若能将膦酰基引入吲哚并[1,2-a]喹啉骨架, 有望构建一类结构新颖的含磷杂环化合物, 这可能为探索膦酰基先导化合物或药物的生物活性调控开辟新的可能性. 尽管已有通过炔烃环化合成某些功能化吲哚并[1,2-a]喹啉的报道, 但通过自由基串联环化合成含二芳基膦酰基的吲哚并[1,2-a]喹啉的方法仍未见报道. 因此, 开发简单、温和、安全且环境友好的方法来制备二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉仍具有重要意义.
近年来, 自由基串联环化已成为制备多种取代杂环化合物的优选方法[26-27], 可在温和条件下实现多种有价值的有机转化. 我们课题组长期研究磷硫等元素有机化学[28-31]和自由基型反应[32-33], 我们推测, 1-(2-(芳基乙炔基)苯基)-1H-吲哚(1)可通过自由基机理与二芳基氧化膦(2)反应, 生成二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉(3) (Scheme 1, e). 然而, 该反应可能涉及具有显著位阻的二芳基膦酰基自由基, 考虑到这类化合物的重要性, 我们拟对该反应进行深入研究.

2 结果与讨论

2.1 反应条件优化

最初, 选择3-甲基-1-[2-(苯基乙炔基)苯基]-1H-吲哚(1a)和二苯基氧化膦(2a)作为模型底物进行反应条件优化(表1). 在氮气氛围下, 将3-甲基-1-[2-(苯基乙炔基)苯基]-1H-吲哚(1a, 0.2 mmol)、二苯基氧化膦(2a, 0.4 mmol)、K2S2O8 (0.6 mmol)和碳酸钾(0.5 mmol)的混合物在乙腈中室温搅拌24 h, 成功合成了吲哚并[1,2-a]喹啉3aa, 产率为32%(表1, Entry 1).
表1 反应条件优化a

Table 1 Optimization of reaction conditions

Entry Oxidant Base Solvent Temp./℃ Yieldb/%
1 K2S2O8 K2CO3 MeCN 100 32
2 TBHP K2CO3 MeCN 100 42
3 Mn(OAc)2•4H2O K2CO3 MeCN 100 36
4 Ag2CO3 K2CO3 MeCN 100 40
5 AgOAc K2CO3 MeCN 100 53
6 K2CO3 MeCN 100 0
7 AgOAc NaH MeCN 100 46
8 AgOAc K3PO4 MeCN 100 73
9 AgOAc Na2CO3 MeCN 100 59
10 AgOAc t-BuOK MeCN 100 42
11 AgOAc Et3N MeCN 100 45
12 AgOAc K3PO4 Toluene 100 52
13 AgOAc K3PO4 DMSO 100 27
14 AgOAc K3PO4 1,4-Dioxane 100 30
15 AgOAc K3PO4 MeCN 80 56
16 AgOAc K3PO4 MeCN 120 47
17c AgOAc K3PO4 MeCN 100 14
18d AgOAc K3PO4 MeCN 100 78
19e AgOAc K3PO4 MeCN 100 62

a Conditions: 1a (0.2 mmol), base (0.5 mmol), 2a (0.4 mmol), oxidant (0.6 mmol), MeCN, N2, 100 ℃, 24 h. b Yield of isolated product. c 12 h. d 36 h. e AgOAc (2.5 equiv.) was adopted.

在反应条件优化过程中, 考虑到氧化剂对有机反应的显著影响, 首先考察了不同类型氧化剂的作用. 例如, 考察了叔丁基过氧化氢(TBHP)和Mn(OAc)2•4H2O, 但在这些条件下反应效果不佳(表1, Entries 2, 3). 值得注意的是, 研究发现银盐可与R2P(O)H反应生成相应的二芳基膦酰基自由基[34-36]. 对多种银盐的筛选表明, 在氮气氛围、100 ℃下, 以AgOAc为氧化剂、MeCN为溶剂、K2CO3为碱时, 产率为53%(表1, Entries 4~6).
随后, 对反应体系中的碱进行了全面评估, 发现磷酸钾的效果最佳, 产率可达73%(表1, Entries 7~11). 基于这一良好结果, 进一步研究了不同溶剂对反应的影响. 测试了二甲基亚砜(DMSO)、1,4-二氧六环和甲苯等溶剂, 结果表明MeCN是最佳溶剂(表1, Entries 12~14). 然而, 当反应温度降至80 ℃或升至120 ℃时, 产物3a的产率显著下降(表1, Entries 15, 16), 这表明选择合适的温度是优化反应的关键因素.
此外, 还仔细考察了反应时间的影响. 发现当反应时间超过24 h后, 产率没有显著提高. 因此, 24 h被确定为最佳反应时间, 产率为73%(比较表1, Entry 8与Entries 17, 18). 随后, 对AgOAc的用量也进行了评估(表1, Entry 18 vs. Entry 19), 最终得到最佳反应条件(表1, Entry 18).

2.2 底物范围考察

确定优化条件后, 对多种1-(2-(芳基乙炔基)苯基)-1H-吲哚衍生物(1)和二苯基氧化膦(2a)进行了考察, 以确定底物范围(Scheme 2).
图式2 3-甲基-1-[2-(芳基乙炔基)苯基]-1H-吲哚的底物适用范围

Scheme 2 Substrate scope of 3-methyl-1-[2-(arylethynyl) phenyl]-1H-indoles

结果表明, 1-[2-(芳基乙炔基)苯基]-1H-吲哚衍生物(1)中, 不管Ar属于富电子还是属于缺电子芳基, 均具有良好的兼容性, 生成相应产物3aa~3ha的产率为55%~81%. 值得注意的是, 在这些转化中未观察到显著的电子效应对反应产率的影响.
此外, Ar为邻位取代的1-(2-(芳基乙炔基)苯基)-1H-吲哚衍生物1也能够实现该反应, 生成带甲氧基产物3ba~3ca的产率范围为78%~81%. 这一结果表明, Ar的苯环上的甲氧基取代基的位阻对反应的空间效应影响不显著. 然而, 底物邻、间或对位氟取代的位阻效应对反应结果有不同程度的影响. 有趣的是, 产率随邻(3fa)、间(3ga)、对位(3ha)依次逐渐升高, 其中, 对位受位阻影响最小, 产率最高(3ha).
此外, 值得注意的是, 当1-(2-(芳基乙炔基)苯基)-1H-吲哚衍生物1的5位存在取代基时, 反应仍能顺利进行, 目标产物(3ia)的产率高达72%.
随后, 在相同条件下, 将多种二级氧化膦与3-甲基- 1-(2-(苯基乙炔基)苯基)-1H-吲哚1a反应(Scheme 3). 总体而言, 带有吸电子基团(F)的二级氧化膦反应效果良好, 目标产物(3ad)的产率为79%. 令人满意的是, 对于带给电子基团(Me和OMe)的二芳基氧化膦, 在该条件下也能生成目标产物(3ab3ac), 产率为55%~61%. 二(4-氟苯基)氧磷和R1取代基不同的底物1反应, 得到中等到良好产率(56%~79%)的目标产物(3ad~3ah). 最后, 对苯基膦酸乙酯作为磷源也进行了考察, 得到目标产物(3ai~3aj)的产率为51%~61% (Scheme 3).
图式3 芳基氧化膦(含膦酸酯)的底物范围

Scheme 3 Substrate scope of arylphosphine oxides (including phosphinates)

2.3 克级实验

为考察这些产物的大量制备可行性, 在优化条件下进行了克级实验(Scheme 4). 结果显示, 该克级反应的目标产物产率为68%.
图式4 克级制备

Scheme 4 Gram-scale preparation

2.4 控制实验与反应机理

为更全面地了解反应路径, 在上述研究基础上进行了控制实验(Scheme 5). 在对照实验中, 向模型反应中加入自由基抑制剂2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO) (Scheme 5, a), 反应不进行, 无预期产物3a生成. 这是因为自由基抑制剂TEMPO抑制了该反应活泼中间体自由基的生成. 因此, 该结果表明, 该反应涉及自由基反应机理. 在没有2a的情况下, 仅将1a在优化条件下反应, 后处理后1a被定量回收(Scheme 5, b). 这表明1a在优化条件下不能发生自反应.
图式5 控制实验

Scheme 5 Control experiments

基于实验结果和相关报道[19,34-36], 我们提出了可能的反应机理(Scheme 6). 研究发现, 银盐可与R2P(O)H反应生成相应的二芳基膦酰基自由基[34-36]. 因此, 首先二苯基氧化膦(2a)被AgOAc氧化生成二苯基膦酰基自由基A; 随后, 生成的二苯基膦酰基自由基A加成到1-[2-(苯基乙炔基)苯基]-1H-吲哚(1a)上, 形成烯基自由基中间体B; 接着, 烯基自由基中间体B发生分子内自由基环化反应, 形成四环自由基中间体C; 自由基中间体C被AgOAc氧化为阳离子中间体D, 后者失去质子生成最终产物3aa.
图式6 可能的反应机理

Scheme 6 A plausible mechanism

2.5 单晶结构分析

为全面了解该类化合物的三维结构, 对3ag进行了单晶X射线衍射分析. 3ag的单晶X射线衍射图显示, N连接的两个内部芳香环之间的夹角(平面法向-平面法向)为14.899° (CCDC 2403895)(图2), 表明四个芳香环非共平面. 芳香环的这种明显非共平面性归因于二芳基膦酰基的显著位阻. 然而, 这些产物具有良好的稳定性(研究过程中未观察到明显降解), 表明其芳香性保持完整.
图2 产物3ag的单晶X射线衍射图(CCDC 2403895)

Figure 2 Diagram of the single crystal X-ray diffraction of product 3ag (CCDC 2403895)

3 结论

综上所述, 本工作开发了一种高效、创新的方法, 用于合成多种非共平面二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉, 且该产物结构的正确性通过单晶衍射得到验证. 该方法采用银介导的具有较大位阻的二芳基膦酰基自由基的串联加成以及自由基分子内环化/氧化/去质子化过程, 在温和条件下实现了C—P和C—C键的形成. 该方法具有操作简单及反应条件温和等显著优势. 值得注意的是, 通过一锅反应依次引入二芳基膦酰基和吲哚基团来构建二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉, 凸显了其在合成化学和药物化学领域的广泛应用前景. 总体而言, 本工作为二芳基膦酰基吲哚并[1,2-a]喹啉的合成做出了重要贡献, 提供了一种新颖、温和且通用的策略, 在有机化学和药物化学领域具有广阔的应用潜力.
(Zhao, C.)
[1]
Segraves N. L.; Robinson S. J.; Garcia D.; Said S. A.; Fu X.; Schmitz F. J.; Pietraszkiewicz H.; Valeriote F. A.; Crews P. J. Nat. Prod. 2004, 67, 783.

DOI

[2]
Ishikura M.; Yamada K. J.; Abe T. Nat. Prod. Rep. 2010, 27, 1630.

DOI PMID

[3]
Sun B.; Shi R. C.; Zhang K. S.; Tang X. L.; Shi X. Y.; Xu J. Y.; Yang J.; Jin C. Chem. Commun. 2021, 57, 6050.

DOI

[4]
Michael J. P. Nat. Prod. Rep. 2005, 22, 603.

PMID

[5]
Silva T. S.; Rodrigues M. T.; Santos H.; Zeoly L. A.; Almeida W. P.; Barcelos R. C.; Gomes R. C.; Fernandes F. S.; Coelho F. Tetrahedron 2019, 75, 2063.

DOI

[6]
Brown D. W.; Graupner P. R.; Sainsbury M.; Shertzer H. G. Tetrahedron 1991, 47, 4383.

DOI

[7]
Lavrado J.; Moreira R.; Paulo A. Curr. Med. Chem. 2010, 17, 2348.

PMID

[8]
Anderson W. K.; Heider A. R.; Raju N.; Yucht J. A. J. Med. Chem. 1988, 31, 2097.

PMID

[9]
Reddy M. V.; Rao M. R.; Rhodes D.; Hansen M. S.; Rubins K.; Bushman F. D.; Venkateswarlu Y.; Faulkner D. J. J. Med. Chem. 1999, 42, 1901.

PMID

[10]
Thanetchaiyakup A.; Borwornpinyo S.; Rattanarat H.; Kanjanasirirat P.; Jearawuttanakul K.; Seemakhan S.; Chuanopparat N.; Ngernmeesri P. Tetrahedron Lett. 2021, 82, 153365.

DOI

[11]
Xu H.; Fan L. L. Eur. J. Med. Chem. 2011, 46, 1919.

DOI

[12]
Sun K.; Chen X. L.; Zhang Y. L.; Li K.; Huang X. Q.; Peng Y. Y.; Qu L. B.; Yu B. Chem. Commun. 2019, 55, 12615.

DOI

[13]
Wang Z.; He W. M. Chin. J. Org. Chem. 2019, 39, 3594 (in Chinese).

DOI

(王峥, 何卫民, 有机化学, 2019, 39, 3594.)

DOI

[14]
Phetcharawetch J.; Uppalabat T.; Sawektreeratana N.; Suwannapaporn P.; Todsaporn D.; Rungrotmongkol T.; Muanprasat C.; Kuhakarn C. RSC Adv. 2025, 15, 3139.

DOI PMID

[15]
Verma A. K.; Shukla S. P.; Singh J.; Rustagi V. J. Org. Chem. 2011, 76, 5670.

DOI

[16]
Uppalabat T.; Hassa N.; Sawektreeratana N.; Leowanawat P.; Janthakit P.; Nalaoh P.; Promarak V.; Soorukram D.; Reutrakul V.; Kuhakarn C. J. Org. Chem. 2023, 88, 5403.

DOI

[17]
Zhang S.; Yuan J. W.; Huang G. C.; Ma C. J.; Yang L. G.; Xiao Y. M.; Qu L. B. J. Org. Chem. 2023, 88, 11712.

DOI

[18]
Gao Y.; Tang G.; Zhao Y. Chin. J. Org. Chem. 2018, 38, 62 (in Chinese).

DOI

(高玉珍, 唐果, 赵玉芬, 有机化学, 2018, 38, 62.)

DOI

[19]
Tang W. J.; Zhang X. M. Chem. Rev. 2003, 103, 3029.

DOI

[20]
Tomashenko O. A.; Grushin V. V. Chem. Rev. 2011, 111, 4475.

DOI PMID

[21]
George A.; Veis A. Chem. Rev. 2008, 108, 4670.

DOI PMID

[22]
Queffélec C.; Petit M.; Janvier P.; Knight D. A.; Bujoli B. Chem. Rev. 2012, 112, 3777.

DOI PMID

[23]
Topics in Heterocyclic Chemistry, Ed.: Bansal, R. K., Vol 21, Springer, Berlin, 2010.

[24]
Regina G. L.; Coluccia A.; Piscitelli F.; Bergamini A.; Sinistro A.; Cavazza A.; Maga G.; Samuele A.; Zanoli S.; Novellino E.; Artico M.; Silvestri R. J. Med. Chem. 2007, 50, 5034.

DOI

[25]
Wang H.; Li S.; Wang B.; Li B. Org. Chem. Front. 2018, 5, 88.

DOI

[26]
Xiao Q.; Tong Q.-X.; Zhong J.-J. Chin. J. Org. Chem. 2022, 42, 3979 (in Chinese).

DOI

(肖潜, 佟庆笑, 钟建基, 有机化学, 2022, 42, 3979.)

DOI

[27]
Ren Z.; Luo W.; Zhou J. Chin. J. Org. Chem. 2023, 43, 2026 (in Chinese).

DOI

(任志军, 罗维纬, 周俊, 有机化学, 2023, 43, 2026.)

DOI

[28]
Zeng Q.; Mi A.; Jiang Y. Prog. Chem. 2004, 16, 603 (in Chinese).

(曾庆乐, 宓爱巧, 蒋耀忠, 化学进展, 2004, 16, 603.)

[29]
Feng J.; Zhang Q.; Li F.; Yang L.; Kuchukulla R. R.; Zeng Q. Synlett 2021, 32, 224.

DOI

[30]
Zeng Q.-L.; Tang H.-Y.; Zhang S.; Liu J.-C. Chin. J. Chem. 2008, 26, 1435.

DOI

[31]
Zhou S.; Zeng Q. Org. Chem. Front. 2025, 12, 5519.

DOI

[32]
Jiang W.; Huang Y.; Zhou L.; Zeng Q. Sci. China: Chem. 2019, 62, 1213.

DOI

[33]
Yang L.; Feng J.; Qiao M.; Zeng Q. Org. Chem. Front. 2018, 5, 24.

DOI

[34]
Chen S.; Zhang P.; Shu W.; Gao Y.; Tang G.; Zhao Y. Org. Lett. 2016, 18, 5712.

PMID

[35]
Zhang B.; Daniliuc C. G.; Studer A. Org. Lett. 2014, 16, 250.

DOI PMID

[36]
Chen Y.-R.; Duan W.-L. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16754.

DOI

文章导航

/