作者：石油醚

引言

近日，Ludwig-Maximilian University的Burkhard Krumm教授等人Burkhard Krumm教授等人开发了一种立方烷-1,2,4-三羧酸三甲酯的改进型克级合成法，支撑该三取代体系的系统性研究与衍生化，成功制备并全面表征了多种三取代立方烷衍生物，包括首例含能三取代立方烷（4、5、6）。

Convenient Access to Trisubstituted Cubanes and Nitrated Derivatives

Andreas BartonekThomas M. Klapötke*Burkhard Krumm*

Org. Process Res. Dev. 2026. DOI : 10.1021/acs.oprd.5c00479

正文

立方烷母体分子具有高达622 kJ/mol的环张力（约78 kJ/mol/碳），低于prismane（95 kJ/mol/碳）。此外，立方烷具有较好的热力学稳定性，且分解温度可达220°C。然而，prismane则极易剧烈分解。

除了立方烷本体外，理论和计算表明，高取代立方烷的密度会更高。尽管1,4-二取代立方烷已被广泛研究，但三取代及以上衍生物仍鲜有实验报道。目前，现有的研究集中于硝基立方烷和四取代立方烷。特别的是，高取代结构的价值在于可进一步功能化并提升能量性能。四取代立方烷需多步合成，涉及保护基与金属有机反应。含能基团的三取代立方烷尚无实验报道，仅有三硝基立方烷等计算研究。此前发展的氯自由基引发—氯羰基化路线为高取代立方烷提供了可行路径，Eaton曾沿用该策略，并在近期工作进一步优化使用9 W UV-B，显著提升操作安全性。

近日，Ludwig-Maximilian University的Burkhard Krumm教授等人开发了一种适用于三取代立方烷前体的简化合成，并首次制备、表征多种新型三取代立方烷衍生物。

首先，作者对其前体进行合成（Scheme 1）。即1）在立方烷-1,4-二甲酸二甲酯和草酰氯的体系下用9 W UV-B灯室温照射7天，即可高效制备关键前体，立方烷-1,2,4-三甲酸三甲酯（1，20 g 规模，80%产率）。其效果与150 W Hg灯照射的相当。值得注意的是，反应时持续释放HCl和CO，通过标准甲醇淬灭/柱层析即可纯化1。对应二酰氯反应更快：5天达~80%，7天（10 g规模）产率升至93%，进而证实其活性高于二甲酯。 进一步延长辐照（>7天）可少量生成立方烷-1,2,4,7-四甲酸四甲酯（NMR鉴定并分离），表明该路径适用于四取代衍生物合成。

其次，对前体1进行相关衍生化(Scheme 2)。即1）1经碱性水解及离子交换树脂酸化，以94%产率得水溶性立方烷-1,2,4-三羧酸（2）；继而用SOCl₂氯化，首次获得可分离的立方烷-1,2,4-三羰基氯（3）（此前仅NMR检出）。3与过量的三硝基乙醇（TNE）回流2天，经柱层析+重结晶以30%的产率获得立方烷-1,2,4-三羧酸三(2,2,2-三硝基乙酯)（4）；2）1经LiAlH₄还原，以96%产率得立方烷-1,2,4-三甲醇（5）；5再经HNO₃/Ac₂O硝化，得立方烷-1,2,4-三甲基硝酸酯（6）；3）化合物5与氯磺酰异氰酸酯（CSI）反应，以96%产率高效制得立方烷-1,2,4-三甲基氨基甲酸酯（7）。7的硝化可生成目标硝基氨基甲酸酯（8）（NMR检测获得，并未分离纯化）。

接下来，对上述部分化合物进行相关测试。即1,2,4-取代立方烷的对称性使其在所有¹H 和 ¹³C{¹H} NMR谱中呈现特征性共振模式：¹H谱中CH信号位于3.88–4.85 ppm，为积分比2:2:1的三个多重峰，其中一组略位移；该规律同样适用于1、4、5、6、7中CH₂/CH₃基团。¹³C{¹H}谱清晰显示每个碳对应三组共振。¹⁵N谱（化合物4和6）亦呈三重峰模式，每组取代基给出三个三重峰，其中两组化学位移高度接近；2）单晶X射线衍射分析表明： 4的晶体结构（无色棒状晶体，P2₁/c，ρ = 1.85 g·cm⁻³，173 K，Figure 1）与二取代TNE酯高度相似，键长/键角基本一致；微小偏差（如C7−C1−C2角减小≈1°）源于三取代基的空间拥挤；5的晶体（无色块状晶体，P2₁/c，ρ = 1.38 g·cm⁻³，109 K，Figure 2）中三个羟基形成强分子内O···H氢键（O1···H3、O2···H1、O3···H2，d = 1.808–1.876 Å），另有一弱接触（O2···H6，d = 2.581 Å）；立方烷骨架完好（C−C ≈ 1.57 Å，∠C−C−C ≈ 90°）；6（无色片状晶体，P2₁，ρ = 1.64 g·cm⁻³，173 K，Figure 3）中C−O键（1.492 Å）较5中（1.437 Å）延长，归因于硝基吸电子效应；其硝酸酯基N−O键呈典型不对称分布（O₁−N₁ = 1.39 Å，N₁−O₄ = 1.21 Å），反映O₁−N₁单键与N₁=O₄双键特征。

最后，对三取代TNE酯（4）与硝基酯（6）的物理及能量性质测定结果（Table 1），并与对应二取代立方烷酯对比。其中，4的密度达1.81 g·cm⁻³，较二取代TNE酯高0.06 g·cm⁻³；撞击感度略降，摩擦感度升高。 6密度较二取代二硝酸酯提高0.08 g·cm⁻³，其首次观测到明确熔点（二取代硝基酯通常无熔点），熔融先于分解，故摩擦感度降低。 4与6的含能参数均提升，但热稳定性下降，其源于更强吸能取代基及增大的环张力。

结论

Burkhard Krumm教授等人开发了一种立方烷-1,2,4-三羧酸三甲酯的改进型克级合成法，支撑该三取代体系的系统性研究与衍生化，成功制备并全面表征了多种三取代立方烷衍生物，包括首例含能三取代立方烷（4、5、6）。其中，4、5和6的单晶结构已获解析。相较于二取代类似物，三取代含能立方烷热稳定性降低，但密度与能量性能更高，源于更高的堆积密度及更多含能基团引入所致的环张力增大。目前，更高取代度立方烷体系的研究正在推进，有望获得性能更优的新材料。

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