Nat. Catal.：铁催化噻吩的区域选择性C-H/C-H键偶联

在过去的几十年里，碳氢键活化取得了很大进展，并在有机合成、有机光电材料等多个领域中扮演着重要的角色，因此被誉为“化学领域的圣杯”。长期以来，联芳基化合物广泛存在于天然产物和药物分子中，而构建联芳基化合物最有效的方法是将两个有机分子直接进行C-H/C-H键偶联，特别是该方法还可用于合成具有特殊性能的稠环芳烃以及噻吩聚合物等材料。如图1a所示，目前主要有以下几种策略：1）通过阳离子或自由基阳离子机理的经典反应（如Scholl反应与芳烃的交叉氧化偶联，Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 9900）；2）Pd催化的C-H键活化策略（J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 10930; ACS Catal., 2019, 9, 6821）。然而，上述策略通常需要使用强氧化剂，从而极大地限制了底物的多功能性和反应的选择性。

近年来，Fe催化的C-H键活化策略得到了广泛的应用（Chem. Rev., 2017, 117, 9086; Chem. Rev., 2015, 115, 3170; Nat. Catal., 2019, 2, 400; Nature, 2016, 529, 195），特别是日本东京大学的Eiichi Nakamura教授发现草酸二乙酯（DEO）与 AlMe₃在Fe催化的C-H键活化中可充当双电子受体（图1b）。近日，Eiichi Nakamura教授与Rui Shang博士等人将三膦配体TP与Fe催化的C-H键活化策略完美结合，实现了噻吩的区域选择性C-H/C-H键偶联（图1b）与C-H/C-H键缩聚反应（图1d），成功地将噻吩单体聚合成带有各种π电子供体的均聚物和共聚物。相关成果于近期发表在Nature Catalysis 上。

图1. Fe催化噻吩C-H/C-H键偶联。图片来源：Nat. Catal.

图2. 噻吩C-H/C-H偶联的探索。图片来源：Nat. Catal.

与小分子合成相比，金属催化C-H键活化的缩聚反应在催化效率与选择性方面仍存在很大的局限性。迄今为止，利用过渡金属催化的C-H/C-H键缩聚反应来制备缺电子聚合物的报道屈指可数，而电子供体型半导体聚合物则没有报道过。为此，作者选择2,7-二噻吩基咔唑（DTC，3）为模板底物，在FeCl₃·6H₂O与TP1的催化下，成功地实现了噻吩骨架C-H/C-H键的聚合反应，合成了噻吩-咔唑聚合物（4，图3a），后者可用于有机薄膜晶体管。随后，作者通过¹H和¹³C NMR谱、质谱对缩聚反应进行了相关的研究（图3b），结果表明：1）聚合反应仅发生在硫原子附近的碳上；2）TP配体的电性会影响反应效率，例如：在中心膦原子上安装富电子芳基会降低聚合度（Entry 1-5，图3b）；3）配体中心膦原子上芳基的甲基化会导致催化剂失活；4）将中心苯基换为五元杂芳基能够抑制配体失活（如TP7、TP1、TP8），而TP7由于位阻效应和电子效应的影响，反应性能较差；5）动力学研究表明该反应是通过逐步缩聚进行的，如图3c所示，Mn值在单体转化率高时急剧增加，而PDI值缓慢接近2。

图3. 噻吩C-H/C-H缩聚反应的探索。图片来源：Nat. Catal.

在最优条件下，作者对噻吩C-H/C-H键偶联反应的底物范围进行了考察（图4），结果显示该反应对噻吩环的C₂或C₅位表现出很好的选择性，苯并[b]噻吩（2）、噻吩（6和7）以及苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（11）都能兼容该反应，以优异的收率获得相应的产物。需要指出的是，C₃位已基取代的底物可以抑制C₂位上的C-H键偶联，从而以优异的收率（88%）得到二烷基化四噻吩（9）。然而，由于3,4-取代基的空间位阻，富电子的 3,4-乙烯二氧噻吩（18）的反应效果较差，收率仅33%。此外，该反应还能耐受多种光电材料中常见的基团，例如：苯并[b]呋喃（10）、烯基（12）、芴（16）、咔唑（19和20）以及富电子的三芳基胺（21和22），并以优异的收率获得相应的产物，特别是产物19还能以克级规模制备。

图4. 噻吩C-H/C-H偶联的底物拓展。图片来源：Nat. Catal.

接下来，作者对噻吩C-H/C-H键聚合反应的应用进行了研究，结果表明该方法能以高达46的聚合度、1.75-2.87的PDI（11种聚合物平均PDI为2.29）以及优异的C₂-区域选择性获得相应的聚合物。如图5所示，利用Fe催化的聚合方法能以优异的收率（91%）、较大的分子量（M_n = 20.3 kDa；聚合度= 37）以及2.61的PDI得到一种具有液晶功能的聚合物F8T2（5）。需要指出的是，通过在单体上安装烷基取代基来增加溶解性，F8T2类似物的Mn值能增加到33 kDa，聚合度增加到42-46（23和24）。此外，作者还合成了一种含有3-己基噻吩和三芳基胺的新型聚合物（25），收率为93%、聚合度为 26、PDI 为 2.01。由于C-H/C-H键偶联在C₂位具有良好的区域选择性，因此能够从 3,3''-二己基-2,2':5',2''-三联噻吩单体出发，以较好的收率获得平均含有69个在预定位置带有己基侧链的噻吩聚合物（26）。值得一提的是，该方法对于芳基上含有酯和酰胺基团作为电子受体（27和28）以及4,8-二氧基苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（29）的聚合物合成同样有效。另外，该方法对于两种和三种不同单体共聚生成的聚合物也具有很好的效果，并且聚合物中单体的比例与初始反应物的比例相同（30和31）。

图5. 噻吩C-H/C-H缩聚反应实例。图片来源：Nat. Catal.

总结

Eiichi Nakamura教授等人将三膦配体TP与Fe催化的C-H键活化策略完美结合，实现了噻吩区域选择性的C-H/C-H键偶联与C-H/C-H键缩聚反应，成功地制备了一系列带有π电子给供体的均聚物和共聚物。此外，C-H / C-H键缩聚反应是铁催化有机聚合物合成技术中的一个新进展，并将为进一步开发实用的铁催化技术提供了借鉴。

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Iron-catalysed regioselective thienyl C–H/C–H coupling

Takahiro Doba, Laurean Ilies, Wataru Sato, Rui Shang, Eiichi Nakamura

Nat. Catal., 2021, 4, 631–638, DOI: 10.1038/s41929-021-00653-7

（本文由吡哆醛供稿）