基于卤素介导的电化学双C-S环化合成噻吩并苯：MOM保护策略实现高效构建有机半导体材料

《Communications Chemistry》：Synthesis of thienoacenes by electrochemical double C–S cyclization using a halogen mediator

本研究针对传统合成噻吩并苯（thienoacenes）类有机半导体材料时S-Me保护基反应性不足的问题，开发了一种基于S-甲氧甲基（MOM）保护策略的电化学双C-S环化新方法。研究人员在Bu4NBr作为卤素介质的条件下，成功实现了二芳基乙炔的一步双环化，高效合成了[1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并噻吩（BTBT）及其衍生物。该方法在温和条件下实现了克级规模的合成，为有机场效应晶体管（OFETs）和有机光伏（OPVs）材料的高效制备提供了新途径。

　　

在有机电子材料领域，噻吩并苯类化合物因其优异的π-共轭特性而备受关注，特别是含有噻吩并[3,2-b]噻吩（TT）结构的分子，如[1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并噻吩（BTBT）和二苯并[d,d']噻吩并[3,2-b;4,5-b']二噻吩（DBTDT），在有机场效应晶体管（OFETs）和有机光伏（OPVs）器件中展现出卓越的性能。然而，高效合成这类化合物的方法仍然有限，特别是在一步反应中构建多个C-S键面临巨大挑战。

传统合成方法通常使用S-甲基（S-Me）保护基来避免未保护的S-H键氧化形成S-S键，但S-Me保护的反应物活性不足，导致反应效率低下。虽然已有研究尝试使用化学氧化剂（如碘）来实现C-S键的形成，但这些方法往往需要过量氧化剂或多步反应，限制了其实际应用价值。

针对这一难题，日本冈山大学Koichi Mitsudo教授和Seiji Suga教授团队开发了一种创新的电化学合成策略。研究人员发现，使用非常规的S-甲氧甲基（MOM）保护基，结合溴化四丁基铵（Bu₄NBr）作为卤素介质，可以实现二芳基乙炔的高效电化学双C-S环化反应。这一方法在温和条件下一步构建了两个C-S键，成功合成了多种BTBT衍生物，为噻吩并苯类化合物的合成开辟了新途径。

关键技术方法

本研究主要采用电化学合成技术，以MOM保护的二芳基乙炔为底物，在溴化四丁基铵作为卤素介质的条件下进行恒电流电解。通过系统优化反应条件（包括温度、溶剂、电极材料、电流强度和添加剂用量），确立了最佳反应体系。利用密度泛函理论（DFT）计算对反应机理进行了验证，并通过克级规模实验证明了方法的实用性。

结果

电化学双C-S环化反应的优化

以MOM保护的双(邻巯基苯基)乙炔（1a）为模型底物，研究人员对电化学环化条件进行了系统优化。在无介质条件下，反应效果不佳，目标产物2a的产率仅为9%。加入Bu₄NBr后，产率显著提高至50%，表明卤素介质的关键作用。进一步优化发现，反应温度70°C、铂电极、4 F mol^-1电荷量以及适量水的存在（30当量）为最佳条件，在此条件下2a的产率可达79-84%。

电化学双环化反应的适用范围

在最优条件下，研究人员考察了反应的底物适用范围。对称的二苯乙炔衍生物（1b-1j）均能顺利反应，生成相应的BTBT衍生物（2b-2j）。给电子基团（如甲基、异丙基、叔丁基）和吸电子基团（如氟、三氟甲基）都能兼容，产率从中等至良好（64-81%）。值得注意的是，含氰基的底物反应效果较差，而三氟甲基取代的底物则能以75%的产率得到目标产物。

克级规模合成

为验证方法的实用性，研究人员进行了克级规模实验。底物1a（1.98 g，6.0 mmol）在标准条件下进行电化学氧化，以71%的产率得到2a（1.02 g，4.3 mmol），表明该反应具有良好的可放大性，为工业化应用提供了可能。

机理研究和合理机制

通过对照实验发现，S-Me和S-对甲氧基苄基（PMB）保护的底物无法有效进行目标反应，凸显了MOM保护基的独特优势。动力学实验表明反应为分步进行，水是主要的质子源，同时参与捕获反应中产生的氧碳正离子。DFT计算显示，S-Br键的均裂是可行的（键解离能为51.2 kcal/mol），自由基环化步骤的活化能为18.4 kcal/mol，支持了提出的反应机制。

提出的反应机理包括：Br^-在阳极氧化生成Br₂，后者与底物反应形成阳离子中间体A；MOM基团消除后生成硫代溴化物B；S-Br键均裂产生自由基中间体C，经环化形成苯并[b]噻吩自由基D；D在阴极还原后质子化生成中间体F，最终环化得到BTBT产物。

S-MOM策略在DBTDT合成中的应用

将该策略扩展到更大π-体系的噻吩并苯合成中，未保护的底物10a电化学环化得到DBTDT（11）的产率仅为33%，而MOM保护的底物10b在优化条件下产率可达82%，显著抑制了副反应的发生，证明了S-MOM保护策略的普适性。

结论与讨论

本研究开发了一种基于卤素介导的电化学双C-S环化反应，成功实现了噻吩并苯类对应物的高效构建。MOM保护基的独特反应性使得一步形成多个C-S键成为可能，克服了传统S-Me保护基反应性不足的限制。该方法条件温和、底物适用范围广、可规模化制备，为有机电子材料的高效合成提供了新策略。密度泛函理论计算支持了提出的反应机理，揭示了溴介导的自由基/离子混合反应途径。该策略的成功应用为其他复杂π-共轭体系的合成提供了新思路，有望推动有机电子材料领域的进一步发展。