研究背景

納米碳材料，包含了不同于傳統(tǒng)六元環(huán)的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)（如五元環(huán)、七元環(huán)和八元環(huán)），展現(xiàn)出多種引人注目的物理性質(zhì)。這些性質(zhì)包括但不限于彎曲結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的一維堆積，以及具有潛在前景的磁性、光學(xué)和導(dǎo)電性能。名古屋大學(xué)Itami教授團(tuán)隊(duì)介紹了一項(xiàng)有效的方法，通過(guò)鈀催化的分子內(nèi) Ar-H/Ar-Br 偶聯(lián)，來(lái)合成含有七元環(huán)結(jié)構(gòu)的多環(huán)芳烴。這一方法不僅適用于構(gòu)建全芳烴骨架，還能夠有效地引入雜原子并形成七邊形結(jié)構(gòu)的聚芳烴。密度泛函理論（DFT）計(jì)算分析了采用協(xié)同金屬化-去質(zhì)子化機(jī)制形成偶數(shù)環(huán)結(jié)構(gòu)的可行性。

DFT計(jì)算方法

本文采用Gaussian 16 程序和 LANL2DZ 理論水平進(jìn)行 Pd 及其有效核心勢(shì)的幾何優(yōu)化和頻率計(jì)算，同時(shí)在 373.15 K 下使用 B3LYP-D3(BJ)/6-31+G( d,p) 理論水平對(duì)其他原子進(jìn)行處理。

在計(jì)算中，引入了具有可極化連續(xù)介質(zhì)模型的自洽反應(yīng)場(chǎng) (IEF-PCM)來(lái)考慮溶劑效應(yīng)。為了考察溶劑效應(yīng)，選擇乙醚作為模擬溶劑，其介電常數(shù)為4.24，而未選擇環(huán)戊基甲基醚（CPME，介電常數(shù)為4.76），這是與實(shí)驗(yàn)中所使用的相符的選擇。為驗(yàn)證所有優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否為局部最小值（即不存在虛數(shù)頻率）或過(guò)渡狀態(tài)（存在一個(gè)虛數(shù)頻率），進(jìn)行了頻率分析。 對(duì)于過(guò)渡態(tài)，進(jìn)行了本征反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）計(jì)算以確保其性質(zhì)。單點(diǎn)能量計(jì)算是在 Pd 及其有效核心勢(shì)的 LANL2DZ 理論水平以及其他原子的 B3LYPD3(BJ)/6-311+G(d,p) 理論水平上進(jìn)行的。為了考慮溶劑效應(yīng)，采用了基于乙醚密度 (SMD)[S28] 的溶劑化模型。對(duì)吉布斯自由能的修正是通過(guò)采用與在 373.15 K 下進(jìn)行的幾何優(yōu)化相同的方法，使用 Gaussian 16 程序獲得的。

圖文導(dǎo)讀

1. 該研究從反應(yīng)條件的優(yōu)化開始，使用 2-benzyl-2'-bromo-1,1'-biphen (1a) 作為模型底物合成七元環(huán)（Table 1）。在經(jīng)過(guò)詳細(xì)篩選的各種條件后，發(fā)現(xiàn)當(dāng) 1a（0.10 mmol，1.0 當(dāng)量）在密封試管中，與 PdCl2 (10 mol%)、PPh3 (20 mol%) 和環(huán)戊基甲基乙酸四甲基銨 (TMAOAc) 以及溶劑乙醚（CPME）存在的情況下，在 140 °C 加熱 2 小時(shí)時(shí)，可以有效地生成三苯并環(huán)庚烷 2a，其GC產(chǎn)率高達(dá)90%，分離產(chǎn)率高達(dá) 87%（詳見條目1）。

值得注意的是，在這個(gè)反應(yīng)中，沒(méi)有觀察到五元環(huán)產(chǎn)物 9-苯基-9H芴 (3a) 的生成。然而，當(dāng)使用 NaOAc 和 KOAc 時(shí)，產(chǎn)率有所減少（詳見條目 2 和 3），但使用 CsOAc（詳見條目 4）時(shí)獲得了類似的產(chǎn)率。這很可能是因?yàn)?NaOAc 和 KOAc 在 CPME 這樣的弱極性溶液中的溶解度較低。此外還研究了不同溶劑對(duì)反應(yīng)的影響，包括 1,4-二氧六烷、DMF、二甲苯（包括鄰二甲苯、間二甲苯和對(duì)二甲苯的混合物）以及辛烷，結(jié)果顯示隨著溶劑極性的增加，產(chǎn)率趨于下降（詳見條目 5-8）。有趣的是，當(dāng)使用代表不同配體的試驗(yàn)條件，如 PCy3·HBF4、XPhos、1,2-雙(二苯基膦)乙烷 (dppe)、IPr·HCl 和 2,2'-聯(lián)吡啶，產(chǎn)量較低，甚至在某些情況下沒(méi)有產(chǎn)物生成（詳見條目 9-13）。簡(jiǎn)單而傳統(tǒng)的 PPh3 配體被證明是最有效的選擇。

2. 接下來(lái)，研究了七元環(huán)形成的底物范圍（見圖2）。最佳反應(yīng)條件（請(qǐng)參閱表1，第13條）顯示出了高度的多功能性，不僅適用于各種底物1a–1m的七元環(huán)形成，包括0.5毫摩爾規(guī)模的反應(yīng)，也適用于克規(guī)模的反應(yīng)。例如，1a在0.5 mmol和5.0 mmol范圍內(nèi)的反應(yīng)導(dǎo)致2a的分離產(chǎn)率分別為73%和95%（1.2 g）。替代1a中使用的亞甲基鏈，帶有N-叔丁氧基羰基（NBoc）、O、P(O)Ph和SO2系鏈的底物（1b–1e）也表現(xiàn)出良好的七元環(huán)形成反應(yīng)活性，分別得到了高達(dá)86–96%的三苯并氮雜卓2b、三苯并氧雜環(huán)己烷2c、三苯并磷雜環(huán)己烷P-氧化物2d和三苯并硫雜平S-二氧化物2e的產(chǎn)率。另一方面，S和SiMe2系列的底物1f和1g沒(méi)有提供三苯并硫平2f和三苯并硅平2g，可能是由于通過(guò)配位使鈀催化劑失活，從而限制了硫醚部分和環(huán)化結(jié)構(gòu)。

Table 1參數(shù)對(duì)鈀催化七元環(huán)形成1a的影響

當(dāng)?shù)孜镏邪交?-萘基和1,2-二茂鐵基（作為Ar1基團(tuán)）時(shí)，相應(yīng)的七元環(huán)化合物2h、2i和2j分別以高達(dá)98%、68%和97%的產(chǎn)率獲得。高產(chǎn)率的2b、2c、2d、2e、2h和2j可以通過(guò)存在更多反應(yīng)性和/或酸性氫原子來(lái)合理解釋，這些氫原子通過(guò)協(xié)同金屬化去質(zhì)子化（CMD）機(jī)制被提取出來(lái)。除了1,2-亞苯基基團(tuán)、2,3-亞萘基和9,10-亞菲基外，適用于Ar2的雜芳基溴1m的反應(yīng)以及1n的反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的吡啶和噻吩鄰七元環(huán)化合物2m和2n，分別以25%和3%的產(chǎn)率獲得五元環(huán)，同時(shí)以33%的產(chǎn)率分離出產(chǎn)物2m'。

反應(yīng)中觀察到了1n的分解，可能是由于噻吩的反應(yīng)性位置，這會(huì)顯著降低2n的產(chǎn)率。最終，該研究成功合成了復(fù)雜的七邊形，由溴苯衍生物1o生成，含有苯并、菲酚和核聚體的烴2o，產(chǎn)率為88%。以上研究結(jié)果表明該研究的催化反應(yīng)條件適用于合成各種七方晶系的底物范圍，以制備多樣的聚芳烴。 輕松獲取起始材料對(duì)于合成非常重要，尤其是將這種 C-H 活化方法納入到合理的反應(yīng)設(shè)計(jì)中，以合成七方納米碳。為了展示這種催化劑的實(shí)用性，該研究演示了一鍋法合成 1-溴-2-(3-苯基丙-1-炯-1-基)苯 (3)（見圖 3）。

進(jìn)行 [4+2] 環(huán)加成反應(yīng)，3的炔部分預(yù)計(jì)可以有效地提供各種亞芳基橋聯(lián)的溴代芳烴衍生物?；谶@個(gè)思路，進(jìn)行了 Asao-Yamamoto 萘環(huán)環(huán)反應(yīng)。 由此形成的溴芳烴 1k 被直接引入到鈀催化的七元環(huán)合成中，無(wú)需純化，導(dǎo)致 2j 分離產(chǎn)率達(dá)到 64%（見圖 3a）。作為另一條途徑，該研究展示了菲衍生物 1i，其 C-H 芳基化前體，可以通過(guò)銠催化環(huán)化合成，實(shí)驗(yàn)條件為使用聯(lián)苯-2-基硼酸 (5) 在 [Cp*RhCl2]2 復(fù)合物和 Cu(OAc)2·H2O 催化的存在下。無(wú)需純化 1i，隨后進(jìn)行鈀催化的七元環(huán)形成，一鍋法獲得化合物 2j，分離產(chǎn)率為 64%（見圖 3b）。這些成功的示范一鍋法反應(yīng)表明了未來(lái)構(gòu)建其他含七元環(huán)的化合物的快速高效方法，只需將芳香環(huán)調(diào)整為 3、4 和 5 即可形成多樣的聚芳烴。

圖2. 鈀催化分子內(nèi)七元環(huán)形成的底物范圍

3. 該過(guò)程的提出反應(yīng)機(jī)制基于廣泛接受的 C-H 活化機(jī)制，類似于鈀催化的分子內(nèi)和分子間反應(yīng)：(1) Ar-Br 的氧化加成到 Pd(0) 物種，(2) 通過(guò)協(xié)同金屬化去質(zhì)子化（CMD）機(jī)制，醋酸鹽輔助 C-H 活化，提供八元環(huán)鈀環(huán)，然后（3）還原消除形成產(chǎn)品。在該研究的反應(yīng)中，更熵有利的五元環(huán)產(chǎn)物 2a'（通過(guò)六元環(huán)鈀環(huán)）在從 1a 到 2a 的形成過(guò)程中幾乎沒(méi)有觀察到，而且七元環(huán)的形成通常在一些常規(guī)條件下是具有挑戰(zhàn)性的。 受到這些觀察的啟發(fā)，進(jìn)行了密度泛函理論（DFT）的計(jì)算力學(xué)研究。從順式雙膦 Pd(II) 配合物出發(fā)，結(jié)合 1a 和 TMAOAc（SM），估計(jì)了反應(yīng)過(guò)程包括氧化加成、配體交換、CMD 和還原消除。

經(jīng)過(guò)幾何優(yōu)化和頻率計(jì)算，使用 LANL2DZ 水平理論研究 Pd 及其有效核心潛勢(shì)，以及 B3LYP-D3(BJ)/6–31+G(d,p) 理論水平下其他原子，通過(guò)計(jì)算溶劑效應(yīng)積分方程形式主義-可極化連續(xù)介質(zhì)模型（IEFPCM）[29]（使用乙醚作為溶劑），在 373.15 K 下進(jìn)行了單點(diǎn)能量計(jì)算，使用溶劑密度模型[30]（SMD）的變體。 已知 CMD 步驟是六元環(huán)形成的限速步驟，因此反應(yīng)通常依賴于芳香族 C-H 鍵的酸性，以及氧化加成和還原消除步驟。在該研究的計(jì)算中，順式雙膦 Pd(II) 復(fù)合物（Int2Br-cis）由 1a 氧化加成形成，具有 17.6 kcal/mol 的活化能（ΔΔG?），Int2Br-cis 隨后被認(rèn)為會(huì)發(fā)生配體交換，形成更穩(wěn)定的反式復(fù)合物 Int2AcO-trans（ΔG = -25.3 kcal/mol），其游離態(tài)能量比 Int2Br-cis 低 7.3 kcal/mol（ΔG = -18.0 kcal/mol）。

稍后，Int3 形成并通過(guò) CMD 進(jìn)行 C-H 活化，通過(guò)過(guò)渡態(tài) TSCMD 機(jī)制，具有 31.0 kcal/mol 的活化能（ΔΔG?）。這一活化值高于一般六元環(huán)形成CMD過(guò)程的活化值（ΔΔG? = 23.5 kcal/mol）[24]。隨后，由此形成的palladacyclooctaneη1-AcOH-PPh3復(fù)合物（Int4）被認(rèn)為轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)上更穩(wěn)定的雙膦中間體Int5。 最后，通過(guò)帶有微小過(guò)渡態(tài) TSRE 的還原消除，計(jì)算激活勢(shì)壘（ΔΔG? = 8.2 kcal/mol vs. Int5），我們得到了七元環(huán)產(chǎn)物 2a，Pd(PPh3)2 具有較大的熱力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，CMD 步驟是決定七元環(huán)形成反應(yīng)速率的限速步驟，其活化能（ΔΔG? = 31.0 kcal/mol）并沒(méi)有那么高，這有效地解釋了該研究的催化系統(tǒng)如何在高溫下有效地與各種苯醚底物一起工作。

此外，該研究還計(jì)算了從 1l 到 2l 的七元環(huán)形成剖面，CMD 中的活化能較低（ΔΔG? = 25.6 kcal/mol），比 2a 的反應(yīng)得到了闡明，這可能是由于增加了相對(duì) Ar-Pd(PPh3)2-OAc 空間擁擠宏態(tài)的能量（ΔG = 0 kcal/mol）與以下過(guò)渡態(tài)相比。這是一個(gè)有希望的結(jié)果，意味著形成其他復(fù)雜多環(huán)系統(tǒng)，特別是含有七元環(huán)，是可行的，而且可能比從簡(jiǎn)單起始原料開始的反應(yīng)更容易。

圖3. 協(xié)同金屬化-去質(zhì)子化反應(yīng)路徑的計(jì)算能量圖

結(jié)論與展望

綜上所述，該研究開發(fā)了一種通用且高效的鈀催化分子內(nèi)形成七元環(huán)的C-H活化反應(yīng)方法。這一反應(yīng)顯示出廣泛的適用性，可用于各種溴代(雜)芳烴底物，合成各類（雜)芳烴稠合的七方化合物，且產(chǎn)率良好。此外，該研究還展示了一種使用易獲得的出發(fā)物，乙炔醚溴代(雜)芳烴，實(shí)現(xiàn)了一鍋法合成的方法，主要是通過(guò)炔成環(huán)的一系列反應(yīng)步驟和分子內(nèi)C-H激活/芳基化方案。 密度泛函理論計(jì)算表明，CMD 步驟是決定速率的步驟，具有 31.0 kcal/mol 的活化勢(shì)壘。這種七元環(huán)的形成方法也適用于合成復(fù)雜的多環(huán)化合物，擴(kuò)展了其合成應(yīng)用。此外，通過(guò)這一方法制備的部分飽和的七元環(huán)還具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，如增加的溶解度和熒光聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE），這些特性為更廣泛的應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。這一開發(fā)的催化體系將為合成各類七元分子納米碳提供新的機(jī)會(huì)。

文獻(xiàn)信息

Yamada, Keigo E., Stepek, Iain A., Matsuoka, Wataru, Ito, Hideto, Itami, Kenichiro, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311770. https://doi.org/10.1002/anie.202311770