光诱导钯催化芳基卤化物与末端炔烃的模块化合成：多环芳烃构建新策略

本研究开发了一种可见光诱导、钯催化的芳基卤化物与末端炔烃一步环化新方法，成功解决了传统热方法难以规避Sonogashira偶联副反应的问题。该转化通过Pd(0)光激发产生Pd(I)/芳基自由基杂化中间体，与炔烃加成形成乙烯基自由基中间体，实现了无需氧化加成的高区域选择性环化。该方法具有优异的官能团耐受性、宽泛的底物范围和良好的 scalability，为材料科学和有机电子学领域的多环芳烃功能化提供了新策略。

　　

在有机材料科学领域，多环芳烃（PAHs）作为核心结构单元，因其独特的光电特性和生物活性，在有机发光二极管（OLEDs）、场效应晶体管（OFETs）以及药物开发中展现出巨大潜力。然而，传统合成方法往往面临步骤繁琐、条件苛刻、区域选择性控制难等问题，特别是通过经典Sonogashira偶联策略构建PAHs时，难以规避竞争性副反应，限制了复杂结构的模块化构建。

近日，Chen Zhou、Pei-Shang Li和Ming Chen在《Nature Communications》发表的研究，突破性地开发了一种可见光诱导的钯催化新方法，实现了芳基卤化物与末端炔烃的直接环化，为PAHs的合成提供了全新思路。该研究通过精巧的光催化设计，成功绕过了传统热力学控制的Sonogashira偶联路径，利用光激发Pd(0)产生的高活性自由基中间体，实现了高效、高选择性的环化反应。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过自由基捕获实验（TEMPO抑制、HRMS检测）、自由基钟实验（环丙基开环验证）、EPR光谱（直接检测DMPO-芳基加合物）等机制研究手段证实了自由基途径；利用光源开关实验证明光激活的必要性；通过动力学同位素效应（KIE）研究确定速率限制步骤；并采用克级规模反应验证方法的 scalability。

反应发现与机理研究

通过系统条件优化，确立了以Pd(OAc)₂为催化剂、DPEPhos为配体、K₃PO₄为碱、苯为溶剂的最佳反应体系。控制实验表明，传统Sonogashira偶联产物无法发生6-endo-dig环化，排除了经典路径的可能性。自由基捕获和EPR实验直接证实了芳基自由基中间体的存在，光源依赖实验表明反应完全依赖光激发而非链式机制。同位素效应研究显示速率限制步骤涉及碳原子杂化态变化（sp³→sp²），而非C-H键断裂。

PAHs构建的合成应用

该方法展示了卓越的合成效用：1）通过迭代环化策略，以三步反应高效构建了七环稠合PAH体系；2）利用C10位点选择性卤化实现苯并[f]picene的合成，该结构具有超导特性；3）通过TMS-乙炔参与的形式"HC≡CH"环化策略，实现了未功能化PAHs的直接获取，相比传统四步法（总收率33%），两步收率提升至79%；4）在2,2"-二碘三联苯底物中观察到独特的单环化选择性，未反应的碘基团为后续Suzuki和Sonogashira偶联提供了修饰位点。

末端炔烃底物范围

研究涵盖了47个炔烃底物，包括给电子基（丁基、叔丁基、甲氧基、氨基）、吸电子基（氟、氯、溴、三氟甲基、甲酰基）、扩展共轭体系（联苯、萘基）、杂芳基（噻吩、吡啶、二茂铁）、烷基/烯基炔烃以及天然产物衍生物（胸腺酚、胆固醇、维生素E、雌酮）。尽管溴代芳基和烷基炔烃因部分偶联副反应导致收率中等，但整体展现了优异的官能团兼容性。

2-碘代联芳烃底物范围

对Ar₁和Ar₂取代基的电子效应和空间效应进行了系统评估：给电子基（乙基、叔丁基、甲氧基）和吸电子基（氯、硝基、酯基）均能良好兼容；间位取代产生可分离的区域异构体；扩展芳环（萘、蒽）优先在1位环化；杂芳基（吡啶、吡咯）适用性良好，而吲哚和苯并噻吩反应性较低；多环芳基取代成功构建了四螺烯、苯并[g]屈、萘并[1,2-g]屈等复杂结构。

结论与讨论

该研究开发了一种机制新颖的光诱导钯催化环化策略，通过Pd(0)光激发产生Pd(I)/芳基自由基杂化物种，实现了与末端炔烃的分子间自由基加成，成功规避了经典Sonogashira偶联路径。该方法在温和条件下直接构建稠合芳环，具有优异的官能团耐受性、宽泛的底物范围和良好的放大潜力。机理研究明确揭示了自由基途径的主导地位，包括芳基自由基的形成、乙烯基中间体的环化以及产物形成中的杂化态转变。通过迭代环化和位点选择性功能化，该策略为复杂PAHs的模块化合成提供了强大平台，在有机电子材料和功能分子开发中具有重要应用价值。