PNAS: 高选择性的镍电催化交叉亲电C(sp2)‒C(sp2)偶联

(杂)双芳基结构广泛存在各种药物、天然产品、配体和功能有机材料中。通过过渡金属催化亲电试剂与亲核试剂构建C(sp2)‒C(sp2)键已经成为合成(杂)双芳基结构的重要方法,然而这些芳基金属类亲核试剂通常是由相应的亲电试剂芳基卤化物制备而成,而且大多对水敏感、偶联反应需要在惰性气体中进行。因此,两种亲电试剂的交叉亲电偶联(XEC)近年来备受关注并取得了显著进展,比如通过基于金属单质还原的双金属交叉亲电反应,以及光诱导钯催化的交叉亲电反应。

与化学还原和光还原的XEC不同,电化学使用电流作为还原剂,不仅可以通过过渡金属和配体还可以通过电位控制反应的选择性。因此,作者在芳基砜化物和芳基碘化物之间进行电催化交叉亲电偶联构建C(sp2)‒C(sp2),在温和条件下成功合成了一批具有重要应用价值的联芳基药物及荧光分子,也是首次利用电化学还原机制制备出了可溶的高分子量的低分散度的共轭高分子聚合物。


image.png

首先,作者以苯并噻唑砜化物与对甲基碘苯作为模板底物,通过筛选金属催化剂、配体、电势/电流和电解质,得到最优的电解反应条件,随后对芳基砜化合物和芳基碘化物分别进行了底物拓展。结果表明,该反应具有较好的官能团兼容性和适用范围(>80个底物拓展),能以高选择性和较高产率生成交叉偶联产物。此外,作者通过该反应成功合成了一批重要的药物分子,实现了克级放大合成;更重要的是,作者首次利用电化学还原机制,成功制备出可溶的高分子量的低分散度的共轭高分子聚合物P(2,6-Q),其数均分子量Mn = 13.9 kDa,分散度Ð = 1.69。


image.png


最后,作者通过控制实验、循环伏安法、方波伏安法、底物顺序添加实验、交叉实验,以及理论计算还原电势和吉布斯自由能等,提出了顺序氧化加成机制:经过电还原生成的Ni(0)优先与芳基砜化物进行第一次氧化加成生成中间体int3-1,经单电子还原后生成的Ni(I)中间体int4-1与芳基碘化物进行第二次氧化加成,最后通过还原消除得到目标交叉偶联产物。


image.png


综上,本工作报道了一种高效的电化学交叉亲电偶联方法,可用于构建小分子及高分子中的C(sp2)–C(sp2)键。

该研究成果以“General and Selective Nickel-Electrocatalyzed Cross-Electrophile C*(sp2)–C(sp2) Coupling”为题,发表于国际知名期刊PNAS。论文第一作者为课题组谢文斌博士,通讯作者为课题组黄辉教授、美国西北大学Tobin J. Marks教授和中国科学院大学史钦钦教授。

原文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2515413123.