当明星分子遇上明星反应，想不发Science都难

副标题：基于双C-H键活化的石墨烯合成新策略

石墨烯是一种由多个苯环周期性紧密堆积而成的单层二维碳材料。作为明星分子，石墨烯在2004年的首次机械分离更是帮助两位科学家获得了2010年的诺贝尔物理学奖。自问世以来，石墨烯及石墨烯基材料的制备和性能研究便吸引了全世界科学家的关注。独特的六角形蜂窝状结构、超大的共轭体系、超薄的厚度和超高的比表面积让石墨烯具有优异的电子、光学、热学和力学等特性，也使其在计算机芯片、电子材料、导热材料、高性能复合材料和储能储氢材料等领域具有广阔的应用前景。通常情况下，制备石墨烯可以通过“自上而下”和“自下而上”两种途径，前者包括机械剥离法、液相剥离法和氧化石墨-还原法等，后者包括气相沉积法和加热SiC方法等。对于传统的有机合成化学家来说，他们更关注的则是如何从简单的小分子化合物出发合成这种热门材料。石墨烯可以看作由多组聚环芳香烃（PAHs）化合物脱氢结合形成的单原子层碳质，因此以PAHs为碳源进行自下而上的有机合成，进而得到石墨烯纳米片或纳米带成为一种主流的方法。目前，该方法的焦点是如何从简单的原料、尽可能少的步骤高效合成结构新颖和性能优越的PAHs化合物。

C-H键活化作为明星反应被誉为有机化学中的圣杯，其重要性不言而喻。经过多年的蓬勃发展，化学家已经可以通过导向基等策略对反应底物中的C-H键选择性活化，进而合成丰富多样官能化的产物。然而要实现无导向基参与惰性C-H键的活化，特别是合成不含任何官能团的碳氢化合物依然是一个严峻的挑战。毫无疑问，要通过简单芳香烃的C-H键活化反应实现不含任何官能团石墨烯的合成更是难上加难。

最近，日本名古屋大学的Kenichiro Itami和Kei Murakami等研究者在Science 上报道了他们通过C-H键活化的途径合成石墨烯的最新突破。研究人员利用Pd催化的双C-H键活化反应，以两分子的单氯代芳香烃二聚环化，形成含有三亚苯骨架的PAHs化合物，该类化合物再经过一步脱氢环化反应，可以高效合成多达18个碳环的石墨烯纳米带。

图1. 从氯代芳香烃两步合成石墨烯的新策略。图片来源：Science

作者首先以单氯代芳香烃1a为模板底物，对反应条件进行了大量的筛选，最佳的条件是5 mol%的PdCl₂作为催化剂，10 mol%的PBu(Ad)₂作为配体，3当量的Cs₂CO₃作为碱，CPME作为溶剂，反应在140 ℃的条件下进行18 h，能以81%的分离产率得到三亚苯衍生物2a。在最优条件下，作者对反应的底物普适性进行了考察，结果如图2所示。

图2. 反应条件的筛选和底物拓展。图片来源：Science

作者进一步利用这种方法尝试具有更大共轭体系多环芳香烃化合物的合成。他们以产物2a为原料，利用Scholl反应，在FeCl₃存在的条件下进行分子内的环化脱氢，能以高达77%的产率合成具有平面四边形结构的稠环芳香烃3。他们还从1,4-二溴-2-氯苯出发，通过Suzuki-Miyaura偶联、二聚环化、Scholl偶联三步反应，高效合成了含有60个碳原子的纳米石墨烯分子5，总收率高达48%。相比之下，使用4作为底物的Scholl反应并不发生。

图3. 稠环芳香烃3和石墨烯5简单高效的合成。图片来源：Science

作者还对氯代芳香烃的二聚环化反应提出了三种可能的机理：（1）Pd(0)与1a发生氧化加成得到中间体A，A发生β-H_A消除生成苯炔中间体B，B中与炔烃配位的Pd和另一分子的1a发生氧化加成生成中间体C，随后通过炔烃插入Ar-Pd键形成二聚中间体D，最后D发生分子内C-H键活化反应得到环化产物2a；（2）A发生分子内C-H_B键活化生成Pd杂五元环F，F与另一分子1a氧化加成生成Pd(IV)中间体G，G发生自身还原消除生成偶联中间体H，最后H通过分子内C-H键活化反应得到环化产物2a；（3）A与另一分子1a发生分子间C-H_C键活化生成中间体J，J随后发生还原消除生成二聚产物K，K在Pd催化下发生分子内C-H键活化环化生成2a。

图4. 反应可能的机理。图片来源：Science

他们还对以上机理进行了验证，使用不同的底物在标准条件下进行反应，并未观察到图C所示的Cl迁移或者Pd迁移反应，由此证明了该二聚环化反应由中间体A启动。此外，他们使用1p作为底物，在最优条件下进行反应，以3:1的比例得到了2p和2p'的混合物，而理论上只有通过途径1和2的机理反应会同时生成以上两种异构体，通过途径3只会生成异构体2p。考虑到无导向基团参与惰性Ar-H键与Ar-Pd-Cl直接发生分子间的偶联反应较为困难，他们排除了途径1。

图5. 反应机理的验证。图片来源：Science

——小结——

Kenichiro Itami教授等人从简单易得的氯代芳香烃出发，通过Pd催化的双C-H键活化反应，一步构建了以三亚苯为核心的稠环芳香烃化合物，在此基础上仅需一步就可将部分熔融的稠环芳香烃产物转化为完全熔融的石墨烯纳米带。从反应设计的角度看，该反应通过两次C-H键活化依序完成了两分子底物的二聚（偶联）和环化，其主要亮点是分子间的二聚过程通过β-H消除产物芳香炔的偶联或分子内C-H键活化产物Pd杂五元环的偶联来实现，而这两种偶联反应在以往的Pd化学中并不常见。从合成的角度看，该反应最大的亮点在于使用简单易得的多卤代芳香烃为原料，仅通过3步反应便能得到其他方法难以合成的石墨烯分子，并且反应条件相对温和，效率较高。考虑到稠环数目增加伴随的底物溶解性以及副反应增多等问题，人们利用这种方法可能还无法合成更大尺度的石墨烯，这也是使用传统化学合成法制备石墨烯时普遍存在的问题。读者们也可能会质疑这项研究是否达到了Science 的水准——或许Science 也“追星”吧。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Synthesis of partially and fully fused polyaromatics by annulative chlorophenylene dimerization

Science, 2018, 359, 435, DOI: 10.1126/science.aap9801

导师介绍

Kenichiro Itami

http://www.x-mol.com/university/faculty/38321