95-15-8 / JACS：鎳催化苯并噻吩與炔烴的[5+2]環加成反應合成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化對于了解脫硫化反應的機理具有重要意義。近日，日本京都大學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]環加成反應，通過脫芳化得到七元苯并噻吩（Scheme 1b）。該反應豐富了熱亞穩苯并噻吩的合成方法。原位X射線吸收精細結構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中間體的結構。相關研究成果發表在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為底物對反應條件進行了優化（Table 1）。所用鎳催化劑由Ni(cod)2和配體在甲苯中反應12小時原位制備。通過對配體、溶劑、溫度進行篩選，作者發現底物與30 mol% Ni(cod)2和60mol% PCy3在甲苯中于30 ℃下反應120 h能夠以87%的收率得到目標產物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加成反應（Figure 1）。3-己炔和6-十二烷基炔能夠順利反應。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。給電子或吸電子基取代的苯并噻吩也具備良好的反應性。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

最初，作者認為苯并噻吩C2位上的甲氧基對于該轉化是必須的，可以促進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生環加成反應（Figure 2）。此外，酯基和非取代的苯并噻吩在標準反應條件下也不與炔烴反應。然而，在探索苯并噻吩C2位的取代基效應時，作者發現氟取代的苯并噻吩4a也參與了與炔烴的反應（Figure 3）。甲氧基和硅氧基取代的2-氟苯并噻吩也能反應。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

為了深入了解反應的機理，作者首先嘗試對苯并噻吩1a與鎳(0)催化劑氧化加成所產生的鎳配合物進行X射線單晶分析，但經過純化和重結晶仍未得到可用于X射線單晶分析的優質晶體。因此，作者通過X射線吸收精細結構（XAFS）光譜分析了鎳(0)催化劑與1a在甲苯中的反應，EXAFS結果與理論計算的硫代乙烯基環6a的模型具有良好的一致性，R因子為2.2％（Figure 4）。X射線吸收近邊緣結構（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反應得到的硫代環乙烷6a是合理的反應關鍵中間體。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者研究了苯并硫雜環庚烷經硫原子的熱消除生成萘的反應。苯并噻吩3aa在110 ℃下反應24 h能夠以86％的收率轉化為萘8aa。這些結果表明，在高溫下進行苯并噻吩和炔烴的鎳催化環加成時，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。在較低溫度（即30 ℃）下進行鎳催化反應時硫不會從苯并噻吩中消除，所以能夠制備熱亞穩的12π電子非芳族苯并噻吩，這通過其他反應是難以實現的。

（來源：J. Am. Chem. Soc.）

結語：京都大學研究人員開發了通過鎳催化10π電子芳香族噻吩環與炔烴的[5+2]環加成反應制備含硫七元12π電子非芳香族苯并噻吩的方法。該反應系利用脫芳構化為C-C不飽和鍵與芳香族化合物加成環化提供了非芳香族化合物的第一個例子。