Fe取代Pd，这篇Nature Catalysis让光电材料合成成本大幅降低！

催化计

2021-07-26

1.发展了合成噻吩基有机光电材料的方法

2.相对于以往的Pd催化，实现了前过渡金属Fe催化

第一作者：Takahiro Doba

通讯作者：尚睿, Eiichi Nakamura

通讯作者单位：东京大学

主要内容

区域选择性噻吩-噻吩偶联反应是合成有机电子材料最为重要的反应。最初这种反应过程通过两个噻吩基结构分子通过氧化剂消除两个C-H键，但是该过程的合成效率较低，同时对氧化环境非常敏感的底物，比如供体、空穴导电材料，无法兼容该反应。

有鉴于此，东京大学尚睿, Eiichi Nakamura等报道发展草酸二乙酯与AlMe₃配合起到两电子受体，通过Fe(III)催化实现了具有区域选择性的C-H键活化反应进行多个噻吩之间的交叉偶联。该反应中通过Fe(III)作为催化剂、三齿三芳基膦配体、添加剂AlMe₃和草酸二乙酯，在温和反应条件中实现了噻吩C-H/C-H键偶联反应。该反应方法具有非常高的效率，能够实现将含有π供体结构的噻吩结构单元的分子实现均聚、共聚，为合成功能性聚合物提供了一种新方法。该反应能够以Fe(III)作为催化剂，避免了使用价格更加昂贵的Pd。

背景

对于双芳基分子的合成，通过直接C-H/C-H偶联反应将两个有机分子通过构建C-C键直接连接起来是个比较常见的方法，但是该反应中通常需要较强的氧化反应条件进行活化芳烃C-H键，因此该反应方法学中的底物通常需要不容易被氧化、反应选择性同样受到影响。

目前人们发展了Pd催化活化C-H键的方法学，有效的扩充了底物的兼容性，但是反应中需要氧化剂（Cu(II)、Ag(I)等）实现Pd(II)/Pd(0)催化循环，同时该方法学仍难以实现电子富集型高度共轭分子的合成。

新发展

图1. 反应方法学Scheme、代表性重要分子合成

作者以前过渡金属Fe(III)作为催化剂，Al(III)接受电子实现催化反应中低价Fe回到Fe(III)，草酸酯作为氧化剂与Al(III)配合实现Fe催化剂能够循环，其中Al(III)在反应中生成烯二醇的铝盐，该过程中通过较高亲氧作用的Al(III)形成了五元环状稳定的双烯醇铝盐实现重新生成Fe(III)，此外该反应能够通过三齿磷配体调控反应中的立体选择性。

反应情况

图2. 反应方程式

以含噻吩结构单体分子作为底物，FeCl₃·6H₂O、含三个磷的芳基磷作为催化剂体系，3倍量AlMe₃作为电子受体用于实现Fe催化剂的循环，2倍量草酸酯，在THF/甲苯混合溶剂中于70 ℃中进行反应。该反应能够在温和条件合成有机光电聚合物，聚合度（DP）最高达到46。

作者进一步的对噻吩C-H/C-H键偶联反应的底物兼容性进行研究，作者发现苯并[b]噻吩、噻吩、苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩分子能够很好的进行C-H/C-H键偶联。当噻吩的C₃位点上含有己基，则无法在邻位C₂位点进行偶联，因此无法多聚反应，只能得到二聚体。富电子噻吩，比如3,4-修饰亚乙基二氧基，由于立体位阻效应导致C2偶联的产率较低。

作者对一些功能性分子的合成进行考察，发现一些非常重要的π结构光电基团都能够很好的合成，比如苯并[b]呋喃、亚乙烯基、芴、咔唑、芳胺等结构。该反应能够兼容含有三异丙基硅基、三丁基锡、频哪硼酸酯的芳香烃，通过此类基团能够进一步衍生化生成其他结构。

机理研究

图3. 反应机理

控制实验结果显示，Fe催化剂是实现C-H键活化的关键，反应体系中仅含有AlMe₃无法切断C-H键生成有机金属化中间体，动力学同位素实验未发现显著的同位素效应（k_H/k_D=1），说明C-H键切断反应不是催化反应的决速步骤。作者保持其他条件不变，仅仅将草酸酯改变为二苯基乙二酮，反应能够进行，同时二苯基乙二酮转化为2-羟基-2-苯基苯乙酮，同时作者在反应过程中发现生成烯二醇化物中间体，进一步验证了草酸酯作为两电子受体。而且草酸酯是一种能够兼容产物具有氧化还原活性的温和、价格具有优势的两电子受体。

作者在反应中加入9,10-二氢蒽后并未影响反应的产率，说明该反应并非通过自由基过程；控制实验显示Fe(acac)₃在反应中起到关键性作用。Fe(acac)₂作为催化剂时转化率降低至47 %，作者发现当不加入草酸酯，转化率仅仅7 %，说明Fe(III)是催化活性，Fe(III)/Fe(II)的催化反应循环较为困难，需要与草酸酯两电子受体试剂配合才可以实现Fe催化剂的Fe(III)/Fe(II)循环。作者发现Fe催化剂、芳基磷配合，能够对含有大量π结构的大体积底物产生较好的反应效果。在反应中加入AlMe₃对反应正常进行非常必要，AlEt₃、MeLi、MeMgBr、MeZnBr等都无法实现很好的催化活性。与AlMe₃结构类似的AlEt₃无法兼容该反应，因为乙基中的β-H能够消除并且与Fe催化剂形成Fe-H。MeLi、MeMgBr、MeZnBr的亲核性太高，无法与草酸酯配合，同时其具有过强的还原性，将催化活性Fe(III)还原。

参考文献及原文链接

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