东京大学Nature Catalysis：铁催化的区域选择性噻吩C-H/C-H偶联和缩聚用于有机小分子和聚合物半导体制造

第一作者：Takahiro Doba 

通讯作者：Rui Shang，Eiichi Nakamura

通讯单位：东京大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41929-021-00653-7

背景

区域选择性噻吩-噻吩偶联是有机电子材料最重要的转变之一。通过切断两个C-H键来偶联两个噻吩基的理想有机合成原型需要用氧化剂正式去除两个氢原子，而这往往限制了氧化敏感底物(例如供体和空穴传输材料)的合成效率和通用性。

研究的问题

本文发现草酸二乙酯和AlMe₃一起在铁催化的C-H活化中起到双电子受体的作用。在温和的条件下，本文描述了铁(III)催化剂、三膦配体、AlMe₃和草酸二乙酯的区域选择性噻吩基C-H/C-H偶联反应。由配体优化加速的高效催化体系将含噻吩的单体聚合成具有多种给电子π基序的均聚物和共聚物。这一发现表明铁催化剂在合成功能聚合物方面的多功能性，这种普遍存在的金属的潜力到目前为止还没有得到充分的认识。

图1|TP/AlMe₃/DEO体系实现的铁催化的区域选择性噻吩C-H/C-H偶联反应。

要点：

• 直接C-H/C-H偶联连接两个有机分子是一种直接的C-C成键策略，这种策略在联芳基合成中早已为人所知，目前仍被用于合成材料应用中的缩合芳烃和噻吩聚合物。然而，通常需要强氧化条件才能正式除去两个氢原子，从而限制了底物的通用性和反应选择性。例如，通过阳离子或自由基阳离子机制(如Scholl反应和氧化芳香偶联反应)进行的经典反应范围有限，会产生异构体和不需要的副产物(图1a)。
• 为了更好的合成设计，本文选择避免整个强氧化条件，并使用铁催化的C-H活化方案实现高选择性(图1b，I和II)。本文认识到，草酸二乙酯(DEO)作为一种潜在的氧化剂与Al(III)物种结合，通过接受两个电子，可能通过内部球面电子转移(图1b，III)形成二元铝(图1b，IV)，从而再生铁(III)催化剂。Al(III)形成热力学稳定的五元环二元铝(图1b，IV)的强烈亲氧性是Fe(III)再生的驱动力，亲氧铝(III)隔离剂还原Fe(III)中的草酸以确保催化剂的有效循环。
• 在这里，本文记录了在温和的条件下，使用铁(III)催化剂TP，DEO和AlMe₃对C₂区域选择性噻吩C-H/C-H偶联的催化C-H活化(图1b)。由新设计的配体加速的反应已经实现了用于电子器件应用的聚合物半导体材料的直接C-H/C-H偶联方法(图1d)。

图2|反应参数。

要点：

• 图2总结了关键的反应参数和本文的研究，以确定在AlMe₃存在下，草酸二乙酯是最有效的双电子受体。图2a以苯并[b]噻吩(1)为底物，展示了铁(III)催化的区域选择性噻吩C-H/C-H偶联反应的典型例子。在70°C的四氢呋喃-甲苯混合溶剂中，用Fe(Acac)₃(10mol%)、AlMe₃(100mol%)和DEO(50mol%)定量得到C₂二聚产物(2)。Fe(Acac)₃(10mol%)是一种共轭三齿膦配体(TP2；11mol%)，用铁催化的C-H甲基化的AlMe₃导致1不完全转化。
• 对照实验表明，铁催化剂对C₂-H切割是必不可少的，因为在没有铁催化剂的情况下，仅有AlMe₃不会产生C₂金属化产物。用1和1-2-d(苯并[b]噻吩-2-d)平行反应的动力学同位素实验表明，没有主要的动力学同位素效应(K_H/K_d=1)，这表明C-H裂解不是催化循环中的周转限制步骤。用苯并苯代替DEO的反应产生了2和安息香(图2b和图2c)，为烯二酚IV的形成提供了证据，从而支持了DEO作为两电子受体的提议。水解后原位检测IV或乙醛酸乙酯的尝试到目前为止都失败了，可能是因为Al(III)基团的聚集和高亲氧性。

图3|配体对缩聚反应影响的研究。

要点：

• 在过渡金属催化的C-H/C-H缩聚反应中，只有少数几个缺电子聚合物的例子被报道，而对于电子给体类型的半导体聚合物，还没有被报道。作为基准(图3a)，本文选择了将2，7-二噻吩咔唑(DTC)(3)转化为用于有机薄膜晶体管的噻吩-咔唑聚合物(4)。
• 图3总结了DTC聚合物合成的研究，在结构和电子调谐(图3c)之后，最终将TP1设计为本研究的关键使能器(见图1c)。
• 动力学实验表明，缩聚反应符合阶跃增长机理。图3c显示了在聚合物5(F8T2聚合物；图5)的合成中，作为单体转化率的函数的Mn和PDI值之间的相关性。在这里，本文注意到在单体转化率较高时，Mn值急剧增加，而PDI值缓慢接近2，这是阶跃增长缩聚反应的典型值。

图4|铁催化的区域选择性噻吩基C-H/C-H同位偶联的范围。

要点：

• 图4说明了噻吩基C-H/C-H偶联的范围。该反应对噻吩环表现出独有的C₂(或C₅)选择性，并以较高的产率得到了苯并[b]噻吩(2)、噻吩(6和7)和苯并[1，2-b：4，5-b‘]二噻吩(11)的二聚体。几乎没有发生C₂甲基化 (仅检测到18-20次，产率小于1%)。

图5|铁催化的区域选择性噻吩C-H/C-H缩聚的范围。

结语

上述工作强调了合作使用两种富含稀土的金属(即铁和铝)来合成有机电子器件应用中重要的π共轭小分子和大分子的好处。本文认为，TP配体和DEO/Al(III)组合中的结构和电子元素在控制有机铁中间体的价态和自旋态方面取得了很好的平衡。C-H/C-H缩聚是对聚合物合成中有限的有机铁催化体系的补充，将成为进一步开发实用铁催化的例子。

团队介绍

東京大学革新分子技术讲座中村研究室

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本文由SSC供稿。