一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾及其制备方法与流程

本发明涉及一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾及其制备方法，具体地说，所述卡宾为2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾，属于有机化学领域。

背景技术：

卡宾(carbene)，又称碳宾、碳烯，通常由含有容易离去基团的分子消去一个中性分子而形成，其简式为h2c:和它的取代衍生物。卡宾是一个电中性的二价碳原子，是一种含有两个未成键电子的高活性中间体。卡宾的寿命远低于1秒，只能在低温下(77k以下)捕集，在晶格中加以分离和观察。

长期以来，卡宾一直被认为是在室温下无法稳定存在的活泼中间体。鉴于氮、磷、硅、硼等杂原子引入到卡宾碳的邻位，可以起到稳定卡宾碳的作用，因此上世纪九十年代前后，美国学者g.bertrand和a.j.arduengoiii等人先后合成、分离和表征了无氧、除湿以及惰性气体保护下稳定的非环磷酰甲硅烷基卡宾和1,3-二金刚烷基咪唑-2-卡宾(j.am.chem.soc.,1988,110,6463-6466；j.am.chem.soc.,1991,113,361-363)；他们的出色工作证明了游离的卡宾不总是非稳定的中间体，由此迎来了卡宾化学的迅猛发展。今天，卡宾已经成为合成化学领域十分活跃的研究领域，其及其金属配合物是一种高效配体(angewcheminted.2012,51,6172-5；angew.chem.int.ed.engl.1995,34,2371-2374；coord.chem.rev.2007,251,596；acc.chem.res.2008,41,1523-1533；chem.soc.rev.2011,40,5151-5169；nature,2014,513,367-374；chem.soc.rev.2017,46,2057-2075；chem.soc.rev.2017,46,4845-4854)；有机反应的高效催化剂(acc.chem.res.2004,37,534-541；angew.chem.int.ed.,2007,46,2988-3000；chem.rev.2007,107,5606-5655；chem.soc.rev.,2012,41,3511-3522；chem.rev.2015,115,4607-4692；chem.rev.2015,115,9307-9387；n-heterocycliccarbenesinorganocatalysis.wiley-vch:weinheim,germany,2019)；并在医药(j.med.chem.2012,55,5518-5525；angew.chem.int.ed.2013,52,11976-11984；chem.rev.2009,109,3859-3865；chem.soc.rev.2010,39,1903-1912；soc.rev.2008,37,1998-2006)和功能材料(chem.soc.rev.2010,39,1903-1912；beilsteinj.org.chem.2015,11,2584-2590)等领域获得广泛应用。

卡宾的成功制备、方便分离和便捷保存是卡宾化学的核心所在。迄今为止，氮杂卡宾主要的制备方法如下：

1.咪唑盐在无水溶剂中用强碱脱质子(angew.chem.int.ed.1968,7,141-142；j.am.chem.soc,1997,119,12742-12749；chem.eur.j.1996,2,772-776；angew.chem.,int.ed.engl.1996,35,1121-1126)生成；

2.在干燥的四氢呋喃中用金属钾、钠对咪唑-2-硫进行脱硫还原(synthesis1993,561-565)生成；

3.真空条件下对2-位含有离去基团的前体物进行高温裂解、失去甲醇、氯仿等小分子(j.am.chem.soc.1995,117,11027-11028)制得；

以上三种主要制备方法的化学反应式如下所示：

在所述三种方法中，路线1是主要的制备方法。但在该路线中，前体物盐和强碱必不可少；很多时候，前体物盐的溶解性会成为麻烦；路线2的原料硫酮的获取不易，制备需在真空条件下进行，且需要金属钾等，危险性高；路线3的原料制备不方便，且需要在超真空条件下高温裂解，适用范围十分有限。作为高敏感的活泼中间体，以上制备方法均需要特殊的条件，如手套箱、脱水、除湿和惰性气体保护，十分麻烦。因此，发展新的、便捷的卡宾合成方法十分必要。

不同结构的卡宾稳定性差别较大，如a.j.arduengoiii等人合成的卡宾i需在无氧、无湿的条件下稳定存在一定时间(j.am.chem.soc.1991,113,361-363)；卡宾ii裸露在空气中的存放时间十分有限，固态样品需要封罩、且仅能存放两天，苯溶液仅能过夜(j.am.chem.soc.1997,119,12742-12749)；卡宾iii在无氧、除湿的状态下较稳定(j.am.chem.soc.1995,117,11027-11028)；卡宾iv对空气敏感，固态或溶液中仅能存放几天(science,2009,326,556-559)；卡宾v在-38℃能稳定几天、室温只能稳定几小时(angew.chem.int.ed.2010,49,4759-4762)；卡宾vi比较稳定、固态时室温下三天没有分解(angew.chem.int.ed.2010,49,4759-4762)；卡宾vii在-50℃条件下能稳定存放几天(science,2001,292,1901-1903)；卡宾viii对空气极为敏感(同卡宾vii))；卡宾x的固体或溶液可以室温存放至少两周(angew.chem.int.ed.2005,117,5851-5855)。所述卡宾i～x的结构如下：

由此可知，几乎所有已知的稳定卡宾都是“瓶装”卡宾，即需要低温、干燥溶剂和惰性气体保护才能存放有限的时间。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾；本发明的目的之二在于提供一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的制备方法。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾，所述卡宾为2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾，其化学结构式如下式(ⅰ)所示：

其中：

r1和r2分别独立为烷基或芳基，不同取代位上的r2为同一基团；

所述烷基为甲基、乙基、丙基、环丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、金刚烷基、乙烯基或烯丙基；

所述芳基为苄基、萘基、吡啶基或苄基的取代物；

所述苄基的取代物的取代位置为2-位、4-位和6-位中的一种以上；

所述取代位置上的取代基分别独立为甲氧基、乙氧基、氟、氯、溴、三氟甲基、甲基、乙基、异丙基、正丁基、叔丁基、胺基或甲磺酰基。

优选r1为苄基，r2为苄基或苄基的取代物，苄基的取代物的取代位置为4-位，取代基为氟或甲基。

一种本发明所述稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的制备方法，所述方法步骤如下：

(一)制备2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷

采用改进的kim制备方法(tetrahedron,2014,70,1617-1620；journalofchemicalresearch,2016,40,341-344)制备2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，具体步骤包括：

(1)以10-取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷为起始原料，溶解于第一溶剂中，加入卤代烷，再加入碱作为催化剂，然后搅拌反应；用薄层色谱检测反应进度，薄层色谱中的原料点消失反应完成，反应完成后除碱，加水，用有机溶剂萃取直至水相中不含在紫外灯下显色的物质；合并有机相，用干燥剂干燥有机相后，除去溶剂得到粗产品；将粗产品进行分离纯化，制得2,4,6,8,10-五取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷；

其中，10-取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂-[3.3.3]螺桨烷参照文献(tetrahedron,2014,70,1617-1620；journalofchemicalresearch,2016,40,341-344)制得；

所述第一溶剂为n,n二甲基甲酰胺(dmf)、二甲亚砜(dmso)、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、乙腈、甲醇、乙醇、异丙醇、二氧六环、苯、甲苯和二甲苯中的一种或两种混合；优选两种混合的体积比为1:1～10；

作为催化剂的碱为koh、naoh、na2co3、k2co3、ch3ona、ch3ch2ona、t-buok、t-buona、nah、cah或n(et)3；

卤代烷为氟代物、氯代物或溴代物，其取代基为所述r2。

优选10-取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂-[3.3.3]螺桨烷与碱的摩尔比为1:4～10。

优选10-取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂-[3.3.3]螺桨烷与卤代烷的摩尔比为1:4～10。

催化剂加入时的温度为0℃～室温；优选为0℃～5℃。

优选反应在氮气或氩气保护下进行。

优选反应温度为0℃～80℃。

(2)将步骤(1)制得的2,4,6,8,10-五取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷溶解在第二溶剂中，加入还原剂还原羰基，搅拌反应，用薄层色谱检测反应进度，薄层色谱中的原料点消失反应完成，然后将反应物冷却至0℃～室温；缓慢滴加乙酸乙酯至反应物中以淬灭残留的氢化物，加入naoh溶液直至泥浆相消失，搅拌，然后用乙酸乙酯萃取，浓缩有机相得到黄色油状物，干燥，通过硅胶柱色谱分离纯化黄色油状物，制得2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷；

其中，第二溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷或四氢呋喃；

还原剂为氢化铝锂、硼氢化钠或红铝溶液；

优选2,4,6,8,10-五取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷与还原剂的摩尔比1:4～1:10；

还原剂加入时的温度为0℃～室温；优选为0℃～5℃。

优选搅拌反应温度为0℃～65℃。

步骤(一)中所述10-取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的化学结构式如式(ⅱ)所示；2,4,6,8,10-五取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的化学结构式如式(ⅲ)所示；2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的化学结构式如式(ⅳ)所示：

其中：

r1和r2分别独立为烷基或芳基，不同取代位上的r2为同一基团；

所述烷基为甲基、乙基、丙基、环丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、金刚烷基、乙烯基或烯丙基；

所述芳基为苄基、萘基、吡啶基或苄基的取代物；

所述苄基的取代物的取代位置为2-位、4-位和6-位中的一种以上；

所述取代位置上的取代基分别独立为甲氧基、乙氧基、氟、氯、溴、三氟甲基、甲基、乙基、异丙基、正丁基、叔丁基、胺基或甲磺酰基。

优选r1为苄基，r2为苄基或苄基的取代物，苄基的取代物的取代位置为4-位，取代基为氟或甲基。

(二)制备2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾

将步骤(一)制得的2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷溶解到反应溶剂中，然后加入钯催化剂，在0℃～65℃下搅拌反应，用薄层色谱检测反应进度，薄层色谱中的原料点消失反应完成，然后放置至室温，用有机溶剂萃取直至水相中不含在紫外灯下显色的物质；合并有机相，用干燥剂干燥有机相后，除去溶剂得到粗产品；将粗产品进行分离纯化，得到2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾，为本发明所述的一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾。

所述反应溶剂为乙酸乙酯、石油醚、正己烷、环己烷、甲醇、乙醇、异丙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、乙腈、苯、甲苯、二甲苯、乙酸酐、甲酸、乙酸、dmf和dmso中的一种或两种；优选反应溶剂为二氯甲烷和异丙醇的混合溶液，二氯甲烷和异丙醇的体积为1:2。

钯催化剂为pd(oh)2/c、pd/c、pd(ch3coo)2、pdcl2、pdbr2或pd(allyl)cl2；优选钯催化剂为pd/c。

优选钯催化剂的质量为2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷质量的10％～100％；更优选钯催化剂的质量为2,4,6,8,10-五取代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷质量的10％～20％。

步骤(一)和步骤(二)中：

薄层色谱的展开剂为：乙酸乙酯、石油醚、甲醇、二氯甲烷、氯仿、丙酮、四氢呋喃和正己烷中的两种；优选薄层色谱的展开剂为乙酸乙酯和甲醇，乙酸乙酯和甲醇的体积比为10:1。

优选干燥剂为无水硫酸钠、无水硫酸镁、无水氯化钙或分子筛。

优选采用减压蒸馏除去溶剂。

优选所述分离纯化采用柱层析分离或/和溶剂重结晶。

优选柱层析分离纯化时，洗脱剂为：乙酸乙酯、石油醚、甲醇、二氯甲烷、氯仿、丙酮、四氢呋喃和正己烷中的两种混合液；

优选溶剂重结晶纯化时，重结晶溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、丙酮、乙腈、四氢呋喃、二氧六环、二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、苯、甲苯、二甲苯、二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、水、盐酸、硫酸水溶液或氢氧化钠水溶液。

有益效果

1.本发明提供了一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾，所述卡宾碳的β-位拥有四级碳的、三维立体的、可以在卡宾碳的尾部形成一个保护罩的新型的螺桨烷卡宾；

2.本发明提供了一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的制备方法，所述方法设计、合成、表征了一种制备和储存均不需要无氧、除湿、惰性气体保护的(手套箱)、仅需常规操作、十分稳定的螺桨式笼状三维卡宾，这种卡宾的制备也无需将反应前体物制成盐，其合成工艺简单、反应条件温和、后处理方便、产率高、便于工业化生产，这将十分有利于稳定卡宾的制备、储存和使用，开拓卡宾化学的崭新领域。

附图说明

图1为实施例1制得产物的核磁碳谱(100mhz,dmso-d6)。

图2为实施例1制得产物的核磁氢谱(400mhz,cdcl3)。

图3为实施例1制得产物的高分辨质谱。

图4为实施例1制得产物的红外光谱。

图5为实施例2制得产物的核磁碳谱(100mhz,cdcl3)。

图6为实施例2制得产物的核磁氢谱(400mhz,cdcl3)。

图7为实施例2制得产物的高分辨质谱。

图8为实施例2制得产物的红外光谱。

图9为实施例3制得产物的核磁碳谱(100mhz,dmso-d6)。

图10为实施例3制得产物的核磁氢谱(400mhz,dmso-d6)。

图11为实施例3制得产物的高分辨质谱。

图12为实施例3制得产物的红外光谱。

图13为实施例4制得产物的核磁碳谱(100mhz,cdcl3)。

图14为实施例4制得产物的核磁氢谱(700mhz,dmso-d6)。

图15为实施例4制得产物的高分辨质谱。

图16为实施例4制得产物的红外光谱。

图17为实施例4制得产物的晶体热椭球图。

图18为实施例4制得产物的热重/差热图。

图19为实施例5制得产物的核磁碳谱(100mhz,cdcl3)。

图20为实施例5制得产物的核磁氢谱(700mhz,cdcl3)。

图21为实施例5制得产物的高分辨质谱。

图22为实施例5制得产物的红外光谱。

图23为实施例6制得产物的核磁碳谱(100mhz,dmso-d6)。

图24为实施例6制得产物的核磁氢谱(700mhz,dmso-d6)。

图25为实施例6制得产物的高分辨质谱。

图26为实施例6制得产物的红外光谱。

图27为实施例7制得产物的核磁碳谱(100mhz,cdcl3)。

图28为实施例7制得产物的核磁氢谱(700mhz,cdcl3)。

图29为实施例7制得产物的高分辨质谱。

图30为实施例7制得产物的红外光谱。

图31为实施例7制得产物的晶体热椭球图。

图32为实施例7制得产物的热重/差热图。

图33为实施例8制得产物的高分辨质谱。

图34为实施例8制得产物的红外光谱。

图35为实施例9制得产物的高分辨质谱。

图36为本发明所述一种稳定的氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的化学结构式。

具体实施方式

以下实施例中：

红外、核磁和质谱的结构表征相关测试：

红外光谱是在shimadzuiraffinity-1s红外光谱仪用溴化钾压片测得；

核磁波谱是以cdcl3或dmso-d6为溶剂在brukerascend400mhz和brukerascend700mhz核磁波谱仪上测得；

高分辨质谱是以甲醇或乙腈为溶剂用esi⁺离子源在q-tof6520质谱仪上测得。

差热(dta)和热重(tga)稳定性测试条件：铝样品池，参比样为空，升温区间为20℃～500℃，升温速率为5℃/min，氮气流速为20ml/min。

x-射线测定：取晶体置于brukerapexduoⅱ型x射线单晶衍射仪上，采用波长为石墨单色化的mokα射线作为辐射光源，在296.15k的温度下采集衍射点，晶体结构采用shelxl程序直接法解出。

10-取代-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂-[3.3.3]螺桨烷参照文献(tetrahedron,2014,70,1617-1620；journalofchemicalresearch,2016,40,341-344)制得。

实施例1

2,4,6,8,10-五苄基-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的制备

在氩气氛围下，将3.01g(10mmol)10-苄基-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷和10.26g(60mmol)溴苄溶解在15ml第一溶剂，用冰浴冷却至0℃，缓慢加入50mmol(1.20g)氢化钠固体并继续搅拌反应1h；待反应混合物中的白色气泡消失后，将反应体系升至室温；用薄层色谱检测反应进度，当用薄层色谱检测原料消失时，用冰浴将反应混合物再次冷却至0℃；用乙酸乙酯稀释反应混合物，并缓慢滴加稀盐酸以淬灭未反应的氢化物，调节溶液的ph至中性；向得到的混合物中加入水，用乙酸乙酯萃取三次；合并有机相并用无水mgso4干燥，浓缩有机相并用20ml无水乙醇进行重结晶，得到白色固体产物，质量为5.18g，产率为78％，熔点为151℃～152℃。

所述第一溶剂为二甲亚砜(dmso)和n,n二甲基甲酰胺(dmf)的混合物，二甲亚砜和n,n二甲基甲酰胺的体积比为1:4。

薄层色谱的展开剂为石油醚和乙酸乙酯，石油醚和乙酸乙酯的体积比为4:1。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图1～图4所示：

¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.84–6.43(m,25h),4.44(s,8h),4.26(s,2h)；¹³cnmr(100mhz,dmso-d6):166.80,156.65,137.02,134.41,128.66,128.37,128.03,127.13,126.42,74.72,44.87；ir(kbr)3032,2926,1718,1496,1446,1415,1359,1147,746,696cm^-1；hrms(esi⁺):calcd.forc41h36n5o4[m+h]⁺662.2762,found662.2779.

以上数据说明产物为2,4,6,8,10-五苄基-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷；

其中，10-苄基-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的化学结构式如式(ⅱ-a)所示；2,4,6,8,10-五苄基-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的化学结构式如式(ⅲ-a)所示，其中，r1和r2均为苄基：

实施例2

2,4,6,8-四(4-甲基苄基)-3,7,9,11-四氧代-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的制备

用4-甲基溴苄代替实施例1中的溴苄，其它同实施例1，得到白色固体产物，质量为2.66g，产率为37％，熔点为172.4℃～172.9℃。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图5～图8所示：

¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.37–6.69(m,21h),4.41(s,8h),4.25(d,j＝14.7hz,2h),2.22(s,12h)；¹³cnmr(100mhz,cdcl3)δ166.13(s),156.07(s),136.04(s),132.69(d),128.26(s),127.65(d),127.17(s),125.97(s),74.32(s),44.38(s),41.52(s),20.09(d)；ir(kbr)3086,2962,2924,1716,1456,1386,1336,1244,1168,1139,1109,991,948,916,866,729,524cm^-1；hrms(esi⁺):calcd.forc45h43n5o4[m+h]⁺718.3388,found718.3378.

以上数据说明产物为2,4,6,8-四(4-甲基苄基)-3,7,9,11-四氧代-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，化学结构式如式(ⅲ-b)所示，其中，r1为苄基，r2为4-甲基苄基：

实施例3

2,4,6,8-四(4-氟苄基)-3,7,9,11-四氧代-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的制备

用4-氟苄基溴代替实施例1中的溴苄，其它同实施例1，得到白色固体产物，质量为3.52g，产率为48％，熔点为108.4℃～110.1℃。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图9～图12所示：

¹hnmr(400mhz,dmso)δ7.55–6.49(m,21h),5.06–4.11(m,10h).¹³cnmr(100mhz,dmso)δ167.19(s),162.99(s),160.57(s),157.26(s),134.79(s),133.58(d),129.53–128.96(m),128.33(s),115.58(d),115.41–115.23(m),75.16(s),44.82(s)；ir(kbr)3068,2924,1720,1606,1510,1456,1411,1342,1232,1147,1099,947,844,815,736,698,665,526,491cm^-1；hrms(esi⁺):calcd.forc41h31f4n5o4[m+h]⁺734.2385,found734.2374.

以上数据说明产物为2,4,6,8-四(4-氟苄基)-3,7,9,11-四氧代-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，化学结构式如式(ⅲ-c)所示，其中，r1为苄基，r2为4-氟苄基溴：

实施例4

2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的制备

将实施例1制得的2,4,6,8,10-五苄基-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷3.30g(5mmol)溶解在50ml无水四氢呋喃(thf)中，用冰浴将溶液冷却至0℃，在冰浴下加入40mmol氢化铝锂(lialh4)，待溶液中的气泡消失撤掉冰浴；搅拌反应，用薄层色谱检测反应进度，薄层色谱中的原料点消失反应完成，然后将反应混合物再次冷却至0℃；缓慢滴加6ml乙酸乙酯至反应混合物中以淬灭残留的氢化物，加入12ml质量分数为10％的naoh溶液直至泥浆相消失，继续搅拌搅拌30min后，用乙酸乙酯萃取萃取三次，浓缩有机相得到黄色油状物，干燥；通过硅胶柱色谱，洗脱剂为石油醚和乙酸乙酯，石油醚和乙酸乙酯的体积比为4:1，分离纯化黄色油状物，得到白色固体产物，质量为2.57g，产率为85.10％，熔点为142℃～144℃。

薄层色谱的展开剂为石油醚和乙酸乙酯，石油醚和乙酸乙酯的体积比为4:1。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图13～图16所示：

¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.93–6.69(m,25h),3.92(d,j＝14.2hz,6h),3.80–3.62(m,6h),3.30(d,j＝2.0hz,2h),2.74(s,4h)；¹³cnmr(100mhz,dmso)δ140.00(s),138.66(s),128.71(s),128.18(s),128.07(s),127.91(s),126.93(s),126.55(s),96.10(s),74.23(s),59.83(s),56.41(s),51.74(s)；ir(kbr)3061,3024,2900,2800,1602,1493,1453,773,698cm^-1；hrms(esi⁺):calcd.forc41h43n5[m+h]⁺606.3591,found606.3589.

以上数据说明产物为2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，化学结构式如式(ⅳ-a)所示，其中，r1和r2均为苄基：

将2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷溶解在ch2cl2和ch3oh的混合溶剂中，ch2cl2和ch3oh的体积比为1:1，封住瓶口，在室温下缓慢挥发，制得单晶并用x-射线确定其结构，如图17所示。x-射线测定结果表明，环氮原子都处于锥形结构，n1、n3、n5和n7原子的键角之和分别为337°、342°、336°和339°。三个五元杂环都取信封构型、按逆时针方向像螺旋桨一样排列。两个咪唑啉上的苄基苯环处于同一侧，彼此的二面角分别为34.867°和62.577°。两个咪唑啉的内角之和几乎相等，它们的n-c-n之角的度数都是103.6°。分子中杂环的所有c-n键处于属于典型的氮杂[3.3.3]螺桨烷的键长范围。环c-c键长处于1.525到之间，最长的键长是轴c-c单键，这也与文献值相一致(tetrahedron2014,70,1617-1620)，进一步证明产物为2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，化学结构式如式(ⅳ-a)所示，其中，r1和r2均为苄基。

2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的热重和差热结果如图18所示，结果表明：该物质在140℃熔点附近出现熔化吸热峰，在350℃附近有一分解峰，因此可知2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷在350℃以下是稳定存在的。

实施例5

2,4,6,8-四(4-甲基苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的制备

用实施例2制得的2,4,6,8-四(4-甲基苄基)-3,7,9,11-四氧代-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷代替实施例1制得的2,4,6,8,10-五苄基-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，其它同实施例4，得到白色固体产物，质量为2.60g，产率为78％，熔点为122.0℃～123.2℃。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图19～图22所示：

¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.52–6.77(m,21h),3.81(dd,j＝19.9,8.6hz,6h),3.60(d,j＝13.2hz,6h),3.19(d,j＝3.5hz,2h),2.63(s,4h),2.17(d,j＝23.8hz,12h)；¹³cnmr(100mhz,cdcl3)δ135.87(s),135.12(s),127.85(s),127.26(s),126.93(s),126.00(s),95.09(s),73.46(s),58.94(s),55.52(s),50.51(s),20.04(s)；ir(kbr)3022,2916,2893,2819,2779,2696,1514,1452,1377,1359,1290,1261,1174,1101,1020,877,798,742,698,476cm^-1；hrms(esi⁺)calcd.forc45h51n5[m+h]⁺662.4217,found662.4220.

以上数据说明产物为2,4,6,8-四(4-甲基苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，化学结构式如式(ⅳ-b)所示，其中，r1为苄基，r2为4-甲基苄基：

实施例6

2,4,6,8-四(4-氟苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的制备

用实施例3制得的2,4,6,8-四(4-氟苄基)-3,7,9,11-四氧代-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷代替实施例1制得的2,4,6,8,10-五苄基-3,7,9,11-四氧代-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，其它同实施例4，得到白色固体产物，质量为2.06g，产率为61％，熔点为111.2℃～113.0℃。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图23～图26所示：

¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ7.46–6.66(m,21h),3.75(d,j＝13.8hz,6h),3.68–3.49(m,6h),3.15(d,j＝4.5hz,2h),2.61(s,4h)；¹³cnmr(100mhz,cdcl3)δ161.99(s),159.56(s),137.47(s),134.40(d),128.33(d),127.86(s),127.34(s),127.34–126.66(m),126.18(s),95.04(s),58.90(s),55.26(s),50.04(s).ir(kbr)3035,2912,2806,1602,1508,1452,1375,1220,1151,1091,1014,848,821,700cm^-1；hrms(esi⁺):calcd.forc41h39f4n5[m+h]⁺678.3214,found678.3225.

以上数据说明产物为2,4,6,8-四(4-氟苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，化学结构式如式(ⅳ-c)所示，其中，r1为苄基，r2为4-氟苄基：

实施例7

2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的制备

将1.21g(2mmol)实施例4制得的2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷溶解在12ml反应溶剂中，加入0.10gpd/c催化剂，在室温下搅拌反应；用薄层色谱检测反应进度，薄层色谱中的原料点消失反应完成，滤除催化剂，用乙酸乙酯萃取三次直至水相中不含在紫外灯下显色的物质，合并有机相，用无水硫酸镁干燥有机相，然后减压蒸馏除去溶剂，得到棕黑色油状液体粗产品；通过柱层析，洗脱剂为乙酸乙酯和甲醇，乙酸乙酯和甲醇的体积比为10:1；纯化分离棕黑色液体，并用乙酸乙酯重结晶，得到白色粉末产物，质量为0.69g，产率为58％，熔点为192.0℃～193.0℃。

所述反应溶剂为二氯甲烷和异丙醇的混合液，二氯甲烷和异丙醇的体积比为1:2；薄层色谱的展开剂为乙酸乙酯和甲醇，乙酸乙酯和甲醇的体积比为10:1。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图27～图30所示：

¹hnmr(700mhz,cdcl3)δ10.58(s,1h),7.67–6.83(m,25h),5.29–4.98(m,2h),4.66–4.35(m,2h),3.98(t,j＝12.3hz,2h),3.89(d,j＝14.0hz,1h),3.75(dd,j＝47.8,9.6hz,1h),3.32(s,1h),2.98(d,j＝11.1hz,1h),2.04–1.70(m,4h),1.45–1.27(m,1h)；¹³cnmr(100mhz,cdcl3)δ156.65(s),137.60(s),135.88(s),132.82(s),127.87(dd,j＝35.0,12.9hz),127.54–127.34(m),127.20(s),126.75(d,j＝6.1hz),98.46(s),75.05(s),57.79(s),57.33(s),52.86(s),48.64(s),45.00(s),7.78(s)；ir(kbr)3024,2926,2819,1618,1494,1454,1369,1274,1220,1105,1028,950,738,700,60cm^-1；hrms(esi⁺):calcd.forc41h41n5[m+h]⁺604.3435,found604.3430.

以上测试结果说明产物为2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾，化学结构式如式(ⅰ-a)所示，其中，r1和r2均为苄基：

将2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾溶解在ch2cl2和thf的混合溶剂中，ch2cl2和thf的体积比为1:1，封住瓶口，在室温下缓慢挥发，制得适合x-射线单晶测定的晶体并用x-射线单晶测定确定其结构。如图31所示，测定结果表明：2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾是三斜晶系，单个晶胞中含有两个相互独立的螺桨式卡宾分子；其结构与已经报道的咪唑啉卡宾的结构存在显著差别(j.am.chem.soc.1991,113,361-363；j.am.chem.soc.1995,117,11027-11208)：首先，2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的咪唑啉环是一个平面，其环内角之和为539.9°；其次，其碳的键角n-c-n＝113.8°，显著大于文献中报道饱和的咪唑啉-2-卡宾(104.7°)(nature2001,412,626-628)和不饱和咪唑-2-卡宾(101.4°)(j.am.chem.soc.1995,117,11027-11208；angew.chem.int.ed.1995,34,1021-1023)。

2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡的碳有如此大的键角是由于氮杂[3.3.3]螺桨烷的笼状结构所造成的过长轴c-c单键所引起，这也将赋予卡宾碳有更好的给电子属性、立体效应及其稳定性；碳环中的两个氮原子处于平面状态，其原子的键角之和分别为359.1°和360°；环内的c-n键长分别为和明显短于文献中饱和的咪唑啉-2-卡宾的相应键长(j.am.chem.soc.1995,117,11027-11208)，这表明2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾分子中氮原子的2p占有轨道与相连的卡宾碳的未占有2p轨道发生了紧密交联；而n1-c8和n3-c4的键长仍然是明显的单键特征。此外，2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾环的c-c单键的键长是[3.3.3]螺桨烷轴碳单键的典型键长、并与2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷的相应键长相当(tetrahedron2003,59,1961-1670)；其它所有的键长与原料一致。2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的卡宾环上两个苄基的苯环明显扭出卡宾环平面，其与卡宾平面的二面角分别为58.877°和66.221°；它们的朝向螃蟹的大腿一样向前钳着；另一个咪唑啉环上的苄基苯环都向前倾斜，与卡宾环平面的二面角分别为63.333°和50.195°；最后一个苄基的苯环与卡宾环平面的二面角为51.04°。

最让人惊讶的是，单个2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾分子中含有两分子结晶水，这是第一次在卡宾晶体中发现含有结晶水的实例。在晶胞中，两分子结晶水位于卡宾分子中的非卡宾环的两个苄基苯环的左前方。单晶测定表明：卡宾碳为其环氮取代的两个苄基苯环所钳制，其尾部为两个五元杂环携带苄基取代基所保护，头部则有晶胞中另一分子的三个苯环形成罩子加以保护。它们共同形成一个亲脂的疏水腔封住2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾碳不受水的影响，这可以从卡宾碳到各个苯环最近的碳原子的距离(从到)得到验证。

2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾或它的二氯甲烷溶液简单存放在实验室器皿中、未加任何保护，数月过去，也未发生变化或分解，可稳定存在。

通过对2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的dta和tga测试进行了热行为研究。如图32所示，dta和tga结果表明：2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾在50℃附近有一吸热峰，该峰为失去结晶水的吸热峰，在熔点195℃附近出现熔化吸热峰，在200℃以上有一分解峰，该结果也得到tga的验证。

综上所述，2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾在190℃以下是稳定存在的。

实施例8

2,4,6,8-四(4-甲基苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的制备

用实施例5制得的2,4,6,8-四(4-甲基苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷代替实施例4制得的2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，其它同实施例7，得到白色固体产物。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图33和34所示：

3383，3024，2974，2937，2819，2738，2677，2492,1627,1514,1454,1435,1371,1276,1205,1101,1035,844,806,754,698,590,474；hrms(esi⁺)calcd.forc45h49n5[m+h]⁺660.4061,found660.4083.

以上数据说明产物为2,4,6,8-四(4-甲基苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾，化学结构式如式(ⅰ-b)所示，其中，r1为苄基，r2为4-甲基苄基：

实施例9

2,4,6,8-四(4-氟苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾的制备

用实施例6制得的2,4,6,8-四(4-氟苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷代替实施例4制得的2,4,6,8,10-五苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷，其它同实施例7，得到白色固体产物。

对产物进行结构表征相关测试，测试结果如图35所示：

hrms(esi⁺)calcd.forc41h37f4n5[m+h]⁺676.3058,found676.3053.

以上数据说明产物为2,4,6,8-四(4-氟苄基)-10-苄基-2,4,6,8,10-五氮杂[3.3.3]螺桨烷卡宾，化学结构式如式(ⅰ-c)所示，其中，r1为苄基，r2为4-氟苄基：