JACS：镍催化苯并噻吩与炔烃的[5+2]环加成反应合成12π电子非芳香性七元苯并噻吩

发布日期:2021/2/24 10:48:34

研究过渡金属催化的含硫芳族化合物的C-S键裂解以及各种催化转化对于了解脱硫化反应的机理具有重要意义。近日，日本京都大学Takuya Kurahashi和Seijiro Matsubara等人报道了首例镍催化五元苯并噻吩和炔烃的正式[5+2]环加成反应，通过脱芳化得到七元苯并噻吩（Scheme 1b）。该反应丰富了热亚稳苯并噻吩的合成方法。原位X射线吸收精细结构光谱和密度泛函理论计算，证实了C-S键与镍(0)氧化加成而形成的硫镍代乙烯基环中间体的结构。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.9b07948）。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者以苯并噻吩1a和4-辛炔2a为底物对反应条件进行了优化（Table 1）。所用镍催化剂由Ni(cod)2和配体在甲苯中反应12小时原位制备。通过对配体、溶剂、温度进行筛选，作者发现底物与30 mol% Ni(cod)2和60mol% PCy3在甲苯中于30 ℃下反应120 h能够以87%的收率得到目标产物3aa。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

紧接着，作者研究了各种苯并噻吩和炔烃的镍催化环加成反应（Figure 1）。3-己炔和6-十二烷基炔能够顺利反应。带有OMe和OTBS的氧取代炔烃可以良好的收率得到所需的七元环。给电子或吸电子基取代的苯并噻吩也具备良好的反应性。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最初，作者认为苯并噻吩C2位上的甲氧基对于该转化是必须的，可以促进C-S键与镍(0)的氧化加成。事实表明，三氟甲基和甲基取代的苯并噻吩都不能与炔烃发生环加成反应（Figure 2）。此外，酯基和非取代的苯并噻吩在标准反应条件下也不与炔烃反应。然而，在探索苯并噻吩C2位的取代基效应时，作者发现氟取代的苯并噻吩4a也参与了与炔烃的反应（Figure 3）。甲氧基和硅氧基取代的2-氟苯并噻吩也能反应。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

为了深入了解反应的机理，作者首先尝试对苯并噻吩1a与镍(0)催化剂氧化加成所产生的镍配合物进行X射线单晶分析，但经过纯化和重结晶仍未得到可用于X射线单晶分析的优质晶体。因此，作者通过X射线吸收精细结构（XAFS）光谱分析了镍(0)催化剂与1a在甲苯中的反应，EXAFS结果与理论计算的硫代乙烯基环6a的模型具有良好的一致性，R因子为2.2％（Figure 4）。X射线吸收近边缘结构（XANES）中的前边缘峰也表明形成了6a。EXAFS和XANES分析证实镍催化剂与苯并噻吩1a反应得到的硫代环乙烷6a是合理的反应关键中间体。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者研究了苯并硫杂环庚烷经硫原子的热消除生成萘的反应。苯并噻吩3aa在110 ℃下反应24 h能够以86％的收率转化为萘8aa。这些结果表明，在高温下进行苯并噻吩和炔烃的镍催化环加成时，硫原子可以被原位消除，而消除的硫原子可能通过中毒抑制催化反应。在较低温度（即30 ℃）下进行镍催化反应时硫不会从苯并噻吩中消除，所以能够制备热亚稳的12π电子非芳族苯并噻吩，这通过其他反应是难以实现的。