1.發(fā)展了合成噻吩基有機光電材料的方法
2.相對于以往的Pd催化，實現(xiàn)了前過渡金屬Fe催化
第一作者：Takahiro Doba
通訊作者：尚睿, Eiichi Nakamura
通訊作者單位：東京大學(xué)
主要內(nèi)容
區(qū)域選擇性噻吩-噻吩偶聯(lián)反應(yīng)是合成有機電子材料最為重要的反應(yīng)。最初這種反應(yīng)過程通過兩個噻吩基結(jié)構(gòu)分子通過氧化劑消除兩個C-H鍵，但是該過程的合成效率較低，同時對氧化環(huán)境非常敏感的底物，比如供體、空穴導(dǎo)電材料，無法兼容該反應(yīng)。
有鑒于此，東京大學(xué)尚睿, Eiichi Nakamura等報道發(fā)展草酸二乙酯與AlMe3配合起到兩電子受體，通過Fe(III)催化實現(xiàn)了具有區(qū)域選擇性的C-H鍵活化反應(yīng)進行多個噻吩之間的交叉偶聯(lián)。該反應(yīng)中通過Fe(III)作為催化劑、三齒三芳基膦配體、添加劑AlMe3和草酸二乙酯，在溫和反應(yīng)條件中實現(xiàn)了噻吩C-H/C-H鍵偶聯(lián)反應(yīng)。該反應(yīng)方法具有非常高的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)將含有π供體結(jié)構(gòu)的噻吩結(jié)構(gòu)單元的分子實現(xiàn)均聚、共聚，為合成功能性聚合物提供了一種新方法。該反應(yīng)能夠以Fe(III)作為催化劑，避免了使用價格更加昂貴的Pd。
背景
對于雙芳基分子的合成，通過直接C-H/C-H偶聯(lián)反應(yīng)將兩個有機分子通過構(gòu)建C-C鍵直接連接起來是個比較常見的方法，但是該反應(yīng)中通常需要較強的氧化反應(yīng)條件進行活化芳烴C-H鍵，因此該反應(yīng)方法學(xué)中的底物通常需要不容易被氧化、反應(yīng)選擇性同樣受到影響。
目前人們發(fā)展了Pd催化活化C-H鍵的方法學(xué)，有效的擴充了底物的兼容性，但是反應(yīng)中需要氧化劑（Cu(II)、Ag(I)等）實現(xiàn)Pd(II)/Pd(0)催化循環(huán)，同時該方法學(xué)仍難以實現(xiàn)電子富集型高度共軛分子的合成。
新發(fā)展
圖1. 反應(yīng)方法學(xué)Scheme、代表性重要分子合成
作者以前過渡金屬Fe(III)作為催化劑，Al(III)接受電子實現(xiàn)催化反應(yīng)中低價Fe回到Fe(III)，草酸酯作為氧化劑與Al(III)配合實現(xiàn)Fe催化劑能夠循環(huán)，其中Al(III)在反應(yīng)中生成烯二醇的鋁鹽，該過程中通過較高親氧作用的Al(III)形成了五元環(huán)狀穩(wěn)定的雙烯醇鋁鹽實現(xiàn)重新生成Fe(III)，此外該反應(yīng)能夠通過三齒磷配體調(diào)控反應(yīng)中的立體選擇性。
反應(yīng)情況
圖2. 反應(yīng)方程式
以含噻吩結(jié)構(gòu)單體分子作為底物，F(xiàn)eCl3·6H2O、含三個磷的芳基磷作為催化劑體系，3倍量AlMe3作為電子受體用于實現(xiàn)Fe催化劑的循環(huán)，2倍量草酸酯，在THF/甲苯混合溶劑中于70 ℃中進行反應(yīng)。該反應(yīng)能夠在溫和條件合成有機光電聚合物，聚合度（DP）最高達到46。
作者進一步的對噻吩C-H/C-H鍵偶聯(lián)反應(yīng)的底物兼容性進行研究，作者發(fā)現(xiàn)苯并[b]噻吩、噻吩、苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩分子能夠很好的進行C-H/C-H鍵偶聯(lián)。當(dāng)噻吩的C3位點上含有己基，則無法在鄰位C2位點進行偶聯(lián)，因此無法多聚反應(yīng)，只能得到二聚體。富電子噻吩，比如3,4-修飾亞乙基二氧基，由于立體位阻效應(yīng)導(dǎo)致C2偶聯(lián)的產(chǎn)率較低。
作者對一些功能性分子的合成進行考察，發(fā)現(xiàn)一些非常重要的π結(jié)構(gòu)光電基團都能夠很好的合成，比如苯并[b]呋喃、亞乙烯基、芴、咔唑、芳胺等結(jié)構(gòu)。該反應(yīng)能夠兼容含有三異丙基硅基、三丁基錫、頻哪硼酸酯的芳香烴，通過此類基團能夠進一步衍生化生成其他結(jié)構(gòu)。
機理研究
圖3. 反應(yīng)機理
控制實驗結(jié)果顯示，F(xiàn)e催化劑是實現(xiàn)C-H鍵活化的關(guān)鍵，反應(yīng)體系中僅含有AlMe3無法切斷C-H鍵生成有機金屬化中間體，動力學(xué)同位素實驗未發(fā)現(xiàn)顯著的同位素效應(yīng)（kH/kD=1），說明C-H鍵切斷反應(yīng)不是催化反應(yīng)的決速步驟。作者保持其他條件不變，僅僅將草酸酯改變?yōu)槎交叶磻?yīng)能夠進行，同時二苯基乙二酮轉(zhuǎn)化為2-羥基-2-苯基苯乙酮，同時作者在反應(yīng)過程中發(fā)現(xiàn)生成烯二醇化物中間體，進一步驗證了草酸酯作為兩電子受體。而且草酸酯是一種能夠兼容產(chǎn)物具有氧化還原活性的溫和、價格具有優(yōu)勢的兩電子受體。
作者在反應(yīng)中加入9,10-二氫蒽后并未影響反應(yīng)的產(chǎn)率，說明該反應(yīng)并非通過自由基過程；控制實驗顯示Fe(acac)3在反應(yīng)中起到關(guān)鍵性作用。Fe(acac)2作為催化劑時轉(zhuǎn)化率降低至47 %，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)不加入草酸酯，轉(zhuǎn)化率僅僅7 %，說明Fe(III)是催化活性，F(xiàn)e(III)/Fe(II)的催化反應(yīng)循環(huán)較為困難，需要與草酸酯兩電子受體試劑配合才可以實現(xiàn)Fe催化劑的Fe(III)/Fe(II)循環(huán)。作者發(fā)現(xiàn)Fe催化劑、芳基磷配合，能夠?qū)写罅喀薪Y(jié)構(gòu)的大體積底物產(chǎn)生較好的反應(yīng)效果。在反應(yīng)中加入AlMe3對反應(yīng)正常進行非常必要，AlEt3、MeLi、MeMgBr、MeZnBr等都無法實現(xiàn)很好的催化活性。與AlMe3結(jié)構(gòu)類似的AlEt3無法兼容該反應(yīng)，因為乙基中的β-H能夠消除并且與Fe催化劑形成Fe-H。MeLi、MeMgBr、MeZnBr的親核性太高，無法與草酸酯配合，同時其具有過強的還原性，將催化活性Fe(III)還原。
參考文獻及原文鏈接
Wang, W., Yu, Y., Cheng, B. et al. Stereodefined rhodium-catalysed 1,4-H/D delivery for modular syntheses and deuterium integration, Nat Catal (2021).
DOI: 10.1038/s41929-021-00643-9
https://www.nature.com/articles/s41929-021-00643-9
