【有机】Nat. Catal.：铁催化噻吩的区域选择性C-H/C-H偶联反应

C-H/C-H偶联反应是直接形成C-C键的常用方法，该策略已被应用于联芳基化合物、稠合芳烃和噻吩聚合物等材料分子的构建。然而，通常脱除两个氢原子需要强氧化条件，这限制了底物的多样性和反应选择性。例如，经阳离子或自由基阳离子机制的经典反应（如Scholl反应和氧化芳香偶联）的适用范围有限，并且有异构体或其它副产物生成（Fig. 1a）。近年来，钯催化的C–H活化策略有效地扩大了底物适用范围，这为噻吩聚合物的合成提供了简单路径。但这类反应需要铜等金属氧化剂以促进Pd(II)/Pd(0)循环（Fig. 1a）。为避免使用强氧化条件以及提高反应的选择性，近日，东京大学Eiichi Nakamura和尚睿团队报道了温和条件下Fe(III)催化噻吩的C₂-区域选择性C-H/C-H偶联反应（Fig. 1b）。此外，借助新设计的配体，他们还将该策略应用于多聚半导体材料的制备（Fig. 1d）。相关研究成果发表在Nat. Catal.上（DOI: 10.1038/s41929-021-00653-7）

作者认为草酸二乙酯（DEO）与AlMe₃结合的物种（III）可能充当氧化剂接收两个电子，它经内球电子转移形成烯二醇铝（IV），进而再生出Fe(III)催化剂。Al(III)的强亲氧性以形成热力学稳定的五元环烯二醇铝（Fig. 1b，IV）是Fe(III)再生的驱动力，并且亲氧的Al(III)螯合物将草酸二乙酯从Fe(III)中还原出来也以确保了催化剂的有效转化。

（图片来源：Nat. Catal.）

起初，作者以苯并噻吩1为模型底物对该C-H/C-H偶联反应进行研究（Fig. 2）。经过一系列条件筛选，作者发现在Fe(acac)₃、共轭的三齿膦配体TP2、AlMe₃和DEO的存在下，反应能定量地获得C₂二聚产物2。单一的C₂选择性与脱质子C-H活化机制相符，因为反应趋向于在更酸性的C₂质子上进行，这也可能与三齿膦配体的空间效应有关。对照实验表明，铁催化剂和DEO对C₂-H的断裂是必需的（Fig. 2c，entries 3和5）。苯偶酰代替DEO的反应产生了2和安息香（Fig. 2b和entry 7），这证明了烯二醇IV中间体的存在，也支持了DEO作为双电子受体的猜想。此外，AlMe₃和TP2都至关重要且无法被AlEt₃或PPh₃等替代（entries 12-18）。

（图片来源：Nat. Catal.）

经金属催化的C–H键活化的缩聚反应在催化剂效率和选择性方面比小分子合成困难得多。目前仅有几例利用过渡金属催化的C-H/C-H缩聚反应合成缺电子聚合物的报道，然而关于供电子型半导体聚合物的合成仍未有报道。作者对2,7-二噻吩基咔唑3（DTC）转化为用于有机薄膜晶体管的噻吩-咔唑聚合物（4）进行了研究（Fig. 3）。对配体的结构和电性进行调整后（Fig. 3b），作者发现配体TP1和TP8能够促使聚合物4的聚合度分别达到23和21，并且多分散指数（PDI）较小，收率分别为86%和88%。这可能是因为五元杂芳基替代苯基能够抑制配体降解（TP7、TP1和TP8）。

（图片来源：Nat. Catal.）

接着，作者探究了该偶联反应的普适性（Fig. 4）。该反应对噻吩环具有独特的C₂（或C₅）选择性，能以优异的收率获得苯并噻吩和噻吩的二聚体（2和6-22）。常见于光电材料中的π骨架，如苯并[b]呋喃、芴、咔唑和富电子三芳胺都具有良好的相容性。该反应还能耐受芳烃上的三异丙基甲硅烷基、三丁基锡和频哪硼酸酯（11-14），这些官能化的共轭芳烃可用于合成光电材料。

（图片来源：Nat. Catal.）

该策略还能够将单体直接转化为相应的聚合物（4-5，23, 31），它们无法通过传统的氧化芳族C-H/C-H偶联或钯催化的C-H/C-H偶联获得（Fig. 5）。均聚物和共聚物的聚合度高达46，呈单峰分布，PDI为1.75-2.87（11种聚合物的平均值为2.29）。优异的C₂区域选择性的噻吩C-H活化允许生成线性聚合物，而不受C₃位支化聚合物的影响。此外，由两种和三种不同的单体经共缩聚可以产生聚合物30和31，其中单体比例与初始反应物比例相同。遗憾的是，目前该聚合方法并不适用于交替共聚。

（图片来源：Nat. Catal.）

总结：在廉价金属铁和铝的协同作用下，作者制备了多种π共轭小分子和大分子，它们在有机电子器件应用中具有重要意义。作者认为TP配体和DEO/Al(III)的组合可以很好地调节有机铁中间体的价态和自旋态平衡。