on style="text-indent: 0em; white-space: normal; text-align: center;">噻吩的级联氧化C−H环化：Heck反应构建噻吩并苯类化合物杂环并苯类化合物因其刚性的平面构象和比大的并苯类化合物更好的空气稳定性而受到广泛关注，成为有机电子应用的理想材料。通过修饰掺入的杂原子并调整π-延伸程度可以调节杂环并苯的光电性质。其中，由于存在潜在的有益的分子间电荷传输中的S-S相互作用，噻吩并苯衍生物被认为是有机场效应晶体管（OFET），有机光伏电池（OPV）和有机发光二极管（OLED）领域中最有希望的骨架之一。因此，开发一种简洁有效的噻吩并苯类化合物的构建方法在有机合成化学和材料化学中都具有十分重要的意义。合成噻吩并苯类化合物的具有代表性的经典合成方法主要有过渡金属催化的有机金属试剂和有机卤化物之间的C-M/C-X偶联反应和邻卤代乙炔基苯前体的杂环化反应，且后者通常需要复杂/难以获得的底物和繁琐的合成路线（Scheme 1a）。近年来，过渡金属催化C-H键活化已成为构建π共轭材料的有力工具。两个（杂）芳烃分子之间/分子内环化的螯合辅助氧化C-H/C-H交叉偶联是构建稠合杂芳烃的有效策略。但是，氧化交叉偶联和分子内环化通常需要不同的反应条件，而且要想实现分子内C-H/Z-H（Z=杂原子）环化通常也非常具有挑战性。因此，此前合成具有两个或多个不同芳环的大的杂环并苯类化合物时通常仍需要多个反应步骤。2018年，四川大学化学系游劲松教授课题组曾报道了铱催化（苯并）噻吩与（杂）芳烃或α,β-不饱和羧酸的环化反应，通过一锅法合成了噻吩稠合的香豆素骨架。与大多数报道的经历芳烃亲电取代（SEAr）和协同金属化-去质子化（CMD）过程的C-H芳基化反应不同，该反应是通过C-H活化中相对罕见的Heck型机理进行的。在已有工作的启发下，近日，该课题组报道了铑催化苯基鏻与（苯并）噻吩通过Heck型级联C-H环化反应快速组装多种S，O-杂环并苯类化合物的方法（Scheme 1b）。
考虑到由酮-烯醇互变异构作用实现的酮的潜在C，O-双功能化能力，作者最初选择苯乙酮和苯并噻吩作为合成S，O-杂环并苯的模板底物。然而，始终没有在[Cp*RhCl2]2，氧化剂和添加剂共同存在的情况下获得目标产物。鉴于高亲电催化金属中心可能更有利于Heck型途径的进行，作者在酮的α-位引入了吸电子助剂，增强了一系列苯乙酮衍生物形成的环金属中间体对噻吩环的亲电性（方案2a）。通过单晶X射线分析证实，三苯基三氟乙酸鏻是得到S，O-杂环并苯鏻盐3aa（63%的收率）的有效助剂。作者认为酸性的多氟化醇促进形成了更稳定的亲电子[RhIII]物种。此外，在MeOH/H2O中，三苯基鏻助剂在Cs2CO3存在下很容易脱除，获得中性S，O-杂环并苯4aa（Scheme 2b）。
为了阐明反应机理，作者进行了对照实验。首先，在标准条件下用1.0当量的（苯并）噻吩2a处理苯酰基三苯基鏻盐1a或1f，得到O-环化产物5aa和5fa，E/Z比为1:1，产率分别为62%和53%（Scheme 3a）。在标准条件下5aa与2a会进一步反应以57%的收率得到目标产物3aa（Scheme 3b）。这些结果表明，级联C-H成环过程可能经历一个O环形成过程和一个C环形成过程。另外，在标准条件下没有发生联芳基1aa的分子内环化，不能得到单环化产物5aa（Scheme 3c）。该结果表明芳基化步骤后得到的铑物质在随后的O-环化过程中可能具有重要作用（参见Scheme 4中的中间体C）。在标准条件下，将1a与2a反应10~20min，进行了ESI-HRMS实验。检测到中间产物（B或D：m/z计算值：751.1665，检测值：751.1669；F或H：m/z计算值：881.1542，检测值：881.1537），它们分别被认为是（苯并）噻吩2a与铑环化合物A和E的加合物（Scheme 4）。这些结果表明，（苯并）噻吩的C-H活化过程可能涉及Heck型途径。此外，1a和2a/[C2-D]-2a或1a和2a/[C3-D]-2a的平行实验给出的动力学同位素效应（KIE）值分别为1.15和1.04，这表明噻吩的C-H键断裂与速率决定步骤无关。电子性质不同的1c和1g与2a之间的竞争反应表明三氟乙酸三苯基膦的C-H活化存在芳烃亲电取代过程（Scheme 3d）。此外，1a或[D5]-1a与2a的平行竞争反应的KIE值为1.24。这一结果也与典型的SEAr过程相一致，在SEAr过程中，脱质子化通常比形成芳正离子σ-络合物要快。
基于上述结果和以前的报道，作者提出了一种较为合适的反应机理（Scheme 4）。首先，1a的叶立酸形式通过亲电芳香取代过程与[RhIICP*]反应得到中间体A（通过HR-MS检测，计算值：617.1475，检测值：617.1476）。随后，A与2a通过碳铑化反应获得中间体B，中间体B进一步经历一个β-H消除过程得到中间体C。随后，（苯并）噻吩部分C3位置的配位氧原子的分子内攻击提供中间体D。接下来，进行第二次β-H消除得到了单环产物5aa（通过对照实验获得）并释放[RhI]物种，其被Ag2O再氧化以生成[RhII]，以完成整个催化循环（循环I）。随后，5aa经历C-H活化过程以产生铑环化合物E（通过HR-MS检测，计算值：747.1352，检测值：747.1354），随后通过Heck型过程与2a反应得到中间体F。经过β-H消除和分子内环化得到所需产物3aa。释放的[RhI]物种再次被氧化以完成催化循环（循环II）。在该级联C-H环化反应中未发现其它明显的区域异构体。因此，作者推测羧酸盐可能在噻吩插入步骤的区域选择性中起到了重要作用。
接下来，作者考察了该级联反应的底物范围。由于三苯基膦S，O-杂环并苯3在级联C-H环化过程中可以部分脱磷得到中性类似物4，因此采用一锅操作，避免了不必要的纯化过程，提高了整体效率。如Table 1所示，多种噻吩2均可与苯甲酰鏻1以高收率反应。具有苯基、甲氧基、苯甲醚、咔唑基、氯代和溴代等官能团的（苯并）噻吩均顺利地进行了环化过程（4ab-4ae和3af-3ai）。然而，由于带有卤代基的中性S，O-杂环并苯的溶解度较低，因此使用三苯基膦盐3af-3ai进行了结构鉴定，而没有进一步去除三苯基膦助剂。取代基位于芳环不同位置的（苯并）噻吩也可以参与反应。值得注意的是，这种转化也使具有不同拓扑结构（3cj，4ak和4al）的S，O-杂环并苯的合成变得更加简便了。此外，2-苯基噻吩、噻吩并[3,2-b]噻吩和苯并硒苯也是有效底物（4am-4ao）。此外，苯环上有取代基的苯酰鏻，如苯基、甲氧基和溴，也可以在标准条件下（4ba-4da）合成出来。
用氯苯溶液缓慢挥发，得到了符合X射线晶体学分析要求的4aa单晶。如Figure 1所示，平面4aa分子以人字状排列填充，其填充结构通常被高性能有机半导体（例如并五苯）采用。每个分子以π-π距离约为3.50 Å的逐层结构填充。在距离为3.66-3.91 Å的范围内观察到微弱的硫-硫接触。4aa、4al和4ak的核独立化学位移（NICS）计算表明，吡喃环具有较弱的局部芳香性，NICS（1）分别为-0.7、-0.6、-0.4 ppm（Figure S7）。与典型的C-O单键（1.43 Å）相比，4aa中的单键明显较短（1.37和1.39 Å），表明氧的孤对电子参与π-电子离域作用。分子轨道（MO）对4aa、4al和4ak的计算表明HOMO和LUMO在整个主链上离域作用。带有苯环的π-系统的扩展导致LUMO能量减少（4aa:-1.54 eV；4al:-1.62 eV；4ak:-1.71 eV），而HOMO能量几乎没有受到影响（Figure S8）。用紫外-可见分光光度法研究了S，O-杂蒽4aa和4al的化学稳定性和光稳定性。在紫外光和空气条件下1小时后，两种样品均未观察到明显降解（Figure S9a）。将酸（H2SO4，CF3COOH）或碱（NaOH）添加到CH2Cl2中4aa和4al的溶液中时，未检测到吸收光谱的变化（Figure S9b）。热重分析（TGA）表明4aa和4al在分别加热到354 ℃和425 ℃时（5%重量损失）可以稳定（Figure S10）。相比之下，在室温下，并五苯衍生物在几分钟内发生了显著降解。CH2Cl2中的S，O-杂原子4显示出多重吸收和蓝色荧光发射，峰值分别在376–413 nm和455–490 nm之间（Table S5），表明S，O-掺杂的杂原子4将是潜在的有机光电材料的候选材料。
综上，四川大学化学系游劲松开发了一种铑催化噻吩与芳基乙酰基三苯基膦通过Heck型途径向噻吩环的级联氧化C−H环化反应，实现了在一次操作中构建三个C−C键和一个C−O键。与并五苯衍生物相比，S，O-杂环并苯具有更高的稳定性，在晶体中呈人字状排列，显示出其在有机半导体材料中的潜力。这项工作证明了Heck型途径在级联氧化C−H环化过程中作为噻吩酮类化合物的一种有效合成途径的优势，并为优化杂环酮类化合物的合成打开了一扇新的大门。
Cascade Oxidative C−H Annulation ofThiophenes : Heck-Type Pathway Enables Concise Access to Thienoacenes
DOI: 10.1002/anie.202103160
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