95-15-8 / JACS：鎳催化苯并噻吩與炔烴的[5+2]環(huán)加成反應(yīng)合成12π電子非芳香性七元苯并噻吩

研究過渡金屬催化的含硫芳族化合物的C-S鍵裂解以及各種催化轉(zhuǎn)化對于了解脫硫化反應(yīng)的機理具有重要意義。近日，日本京都大學(xué)Takuya Kurahashi和Seijiro Matsubara等人報道了首例鎳催化五元苯并噻吩和炔烴的正式[5+2]環(huán)加成反應(yīng)，通過脫芳化得到七元苯并噻吩（Scheme 1b）。該反應(yīng)豐富了熱亞穩(wěn)苯并噻吩的合成方法。原位X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜和密度泛函理論計算，證實了C-S鍵與鎳(0)氧化加成而形成的硫鎳代乙烯基環(huán)中間體的結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.9b07948）。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

作者以苯并噻吩1a和4-辛炔2a為底物對反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化（Table 1）。所用鎳催化劑由Ni(cod)2和配體在甲苯中反應(yīng)12小時原位制備。通過對配體、溶劑、溫度進(jìn)行篩選，作者發(fā)現(xiàn)底物與30 mol% Ni(cod)2和60mol% PCy3在甲苯中于30 ℃下反應(yīng)120 h能夠以87%的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物3aa。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

緊接著，作者研究了各種苯并噻吩和炔烴的鎳催化環(huán)加成反應(yīng)（Figure 1）。3-己炔和6-十二烷基炔能夠順利反應(yīng)。帶有OMe和OTBS的氧取代炔烴可以良好的收率得到所需的七元環(huán)。給電子或吸電子基取代的苯并噻吩也具備良好的反應(yīng)性。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

最初，作者認(rèn)為苯并噻吩C2位上的甲氧基對于該轉(zhuǎn)化是必須的，可以促進(jìn)C-S鍵與鎳(0)的氧化加成。事實表明，三氟甲基和甲基取代的苯并噻吩都不能與炔烴發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)（Figure 2）。此外，酯基和非取代的苯并噻吩在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件下也不與炔烴反應(yīng)。然而，在探索苯并噻吩C2位的取代基效應(yīng)時，作者發(fā)現(xiàn)氟取代的苯并噻吩4a也參與了與炔烴的反應(yīng)（Figure 3）。甲氧基和硅氧基取代的2-氟苯并噻吩也能反應(yīng)。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

為了深入了解反應(yīng)的機理，作者首先嘗試對苯并噻吩1a與鎳(0)催化劑氧化加成所產(chǎn)生的鎳配合物進(jìn)行X射線單晶分析，但經(jīng)過純化和重結(jié)晶仍未得到可用于X射線單晶分析的優(yōu)質(zhì)晶體。因此，作者通過X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）光譜分析了鎳(0)催化劑與1a在甲苯中的反應(yīng)，EXAFS結(jié)果與理論計算的硫代乙烯基環(huán)6a的模型具有良好的一致性，R因子為2.2％（Figure 4）。X射線吸收近邊緣結(jié)構(gòu)（XANES）中的前邊緣峰也表明形成了6a。EXAFS和XANES分析證實鎳催化劑與苯并噻吩1a反應(yīng)得到的硫代環(huán)乙烷6a是合理的反應(yīng)關(guān)鍵中間體。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者研究了苯并硫雜環(huán)庚烷經(jīng)硫原子的熱消除生成萘的反應(yīng)。苯并噻吩3aa在110 ℃下反應(yīng)24 h能夠以86％的收率轉(zhuǎn)化為萘8aa。這些結(jié)果表明，在高溫下進(jìn)行苯并噻吩和炔烴的鎳催化環(huán)加成時，硫原子可以被原位消除，而消除的硫原子可能通過中毒抑制催化反應(yīng)。在較低溫度（即30 ℃）下進(jìn)行鎳催化反應(yīng)時硫不會從苯并噻吩中消除，所以能夠制備熱亞穩(wěn)的12π電子非芳族苯并噻吩，這通過其他反應(yīng)是難以實現(xiàn)的。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

結(jié)語：京都大學(xué)研究人員開發(fā)了通過鎳催化10π電子芳香族噻吩環(huán)與炔烴的[5+2]環(huán)加成反應(yīng)制備含硫七元12π電子非芳香族苯并噻吩的方法。該反應(yīng)系利用脫芳構(gòu)化為C-C不飽和鍵與芳香族化合物加成環(huán)化提供了非芳香族化合物的第一個例子。