杂原子螺烯的连续流光化学合成

杂原子螺烯的连续流光化学合成（Continuous-Flow Photochemical Synthesis of Heterohelicenes）是近年来手性光电材料与流动化学交叉领域的研究热点。螺烯（Helicenes）因其独特的螺旋手性和高圆偏振发光（CPL）性能在3D显示、信息加密等领域备受关注，而引入氮（N）、氧（O）、硫（S）、硼（B）等杂原子可以精准调控其光电性能。

传统的间歇釜式（Batch）光化学合成面临光穿透深度有限（受限于比尔-朗伯定律）、放大效应差、反应时间长（动辄数小时至数天）以及易发生过度照射导致降解等瓶颈。连续流光化学技术（Continuous-flow photochemistry）通过高比表面积的微通道或毛细管，实现了均匀光照、精准停留时间控制以及极佳的传质传热，完美解决了螺烯规模化制备的难题。

杂原子螺烯（Heterohelicenes）作为有机手性材料展现出巨大的应用潜力，持续受到广泛关注。为满足对新型杂原子螺烯结构的需求，亟需开发高效且可规模化放大的合成方法。本文报道了一种基于连续流技术的“Mallory”光环化方法，用于合成含硫、含氧及含氮螺烯。该工艺已成功放大至 9.8 mmol 规模，并可应用于迭代模块化合成。

来自伦敦玛丽女王大学和帝国理工学院的研究人员利用连续流光化学反应器，开发了一种用于合成硫杂、氧杂及氮杂螺烯（thia-, oxa- and azahelicenes）的连续流 Mallory 光环化反应。

大多数底物的合成停留时间仅为100秒；该方法已在多克规模上得到验证，在一次连续运行中以 79% 的产率制备了 2.06 克（9.8 毫摩尔）的噻吩并螺烯（thienohelicene）。

图1：使用连续流光化学反应器进行二苯乙烯 Mallory 光环化反应的通用流动装置设置。

螺烯：在功能材料领域的广泛应用

螺烯是一类多环芳香族化合物，其特征在于邻位稠合的芳香环，这种结构呈现出独特的螺旋状，并由此产生螺旋手性。螺旋手性与扩展芳香结构的结合，使其能够与圆偏振光发生高度不对称的相互作用，并实现高效的电荷传输。这些特性使螺烯成为极具吸引力的材料，适用于有机场效应晶体管（OFET）以及圆偏振光的发射与检测等领域。在螺烯结构中引入杂原子，为调节其物理及光电性质提供了额外的手段。

利用光化学方法制备螺烯

螺烯的制备已可通过光化学方法实现，其中Mallory环化反应是构建螺烯的关键途径[3]；然而，关于流动光化学法的研究相对较少。这一点颇令人意外，因为流动光化学法具有诸多优势，包括更强的可扩展性、更短的反应时间以及更安全的反应装置。

本研究中，所需的杂芳基二苯乙烯（heterostilbene）起始原料是在Wittig反应条件下制备的，产物为E型和Z型异构体的混合物；但这并不构成问题，因为这些异构体在环化所需的光化学条件下会迅速发生相互转化。利用连续流光反应设备进行的优化实验确定了最佳条件：底物浓度为2 mM，流速为6 mL/min（对应停留时间为100秒）。在优化条件下，[4]噻吩螺烯（[4]thienohelicene）2a的产率达到了94%。大多数底物的合成均采用相同的100秒停留时间，二苯乙烯前体的处理量最高可达每小时195毫克。

针对部分底物，研究人员调整了反应条件，以解决溶解度问题或抑制竞争性光化学反应。特别是，将灯功率从150 W降低至60 W，提高了某些底物的产率。虽然大多数底物能耐受化学计量比（1.1当量）的碘，但部分底物仅需催化量（0.1当量）的碘；这归因于反应副产物HI（碘化氢）的生成，该副产物可能使含氮杂环产物发生质子化并导致降解。使用催化量的碘也使得制备新型材料成为可能。

流动光化学：快速且可靠

与传统的间歇式（批次）工艺相比，采用连续流方式进行光化学反应具有显著优势，包括：

精确控制停留时间

高效且均匀的光照

高比表面积（表面积与体积之比）

有效的温度控制

通过延长运行时间即可简便地实现放大生产

相比传统间歇式光化学工艺，反应时间更短

在这项工作中，Brandt 及其团队利用连续流光反应设备，将Mallory光环化反应转化为快速的连续流工艺，成功制备了一系列含硫、氧及氮原子的螺烯（thia-, oxa- and azahelicenes）衍生物，并展示了简便的多克级放大生产能力。该研究表明，连续流光化学技术能够提供制备新型手性材料所需的反应控制能力与可扩展性。

References:

杂原子螺烯的连续流光化学合成

[1] K. Lyon, C. Pan, S. Sathiyalingam, Y. Wu, J. Matthews, J. R. Brandt (Continuous Photoflow Synthesis of Heterohelicenes, Org. Lett., 2026, 28, 5918–5922). https://doi.org/10.1021/acs.orglett.6c00559

[2] Impacts of heteroatom substitution on the excited state dynamics of π-extended helicenes (Y. Kondo, Y. Tsutsui, Y. Matsuo, T. Tanaka, S. Seki, Nanoscale Adv., 2024, 6, (18), 4567–4571). https://doi.org/10.1039/d4na00516c

[3] Photocyclization of Stilbenes and Related Molecules (F. B. Mallory, C. W. Mallory, Org. React., 2005). https://doi.org/10.1002/0471264180.or030.01