华南理工祝诗发/赵祖金Nat. Commun.：自下而上模块化合成多芳基寡聚呋喃

众所周知，呋喃是一类非常重要的五元杂环化合物，在生物医药、农药和材料领域都有着广泛应用。同时，呋喃化合物可以从可再生的生物资源直接获得，并且可以很容易的进行生物降解，因此它们的线型寡聚体（oligofuran）被视为是一种绿色材料，近些年来受到极大关注。其中，Bendikov教授及其合作者对于2号位相连的寡聚呋喃（α,α-oligofuran）的研究较为深入，证明了这类化合物相比于寡聚噻吩具有更强的荧光、更好的溶解度和更强的刚性等特性。但根据目前的文献报道，被广泛研究的寡聚呋喃仍局限于无取代基或者只有烷基取代基的骨架结构，并且合成寡聚呋喃的方法比较单一，都是从简单的呋喃单体出发，应用钯催化的偶联方法逐步构建具有多呋喃单元的寡聚体。然而此方法对于呋喃环上的取代基有较高要求，想在单体上引入各类的取代基是非常困难的（图1a和1b）。因此，目前尚未有关于设计并合成多官能团化的寡聚呋喃的报道。

华南理工大学祝诗发教授课题组基于近年来在碳碳三键化学方面的积累（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 14916; Nat. Commun., 2021, 12, 5257; Chem. Sci., 2021, 12, 13730; Chem. Soc. Rev., 2020, 49, 908; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 4670; Sci. China Chem., 2020, 63, 1230; Chem, 2018, 4, 1208; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12405; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 8702; Chem, 2018, 4, 1208; Org. Chem. Front., 2017, 4, 450; Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2587; Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 8452; Org. Lett., 2016, 18, 5208; Org. Lett., 2016, 18, 1322; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9414; Org. Lett., 2014, 16, 4472），尤其是该课题组在以炔烃为金属卡宾前体的方法学研究方面取得的进展的基础上，作者设想能否以共轭烯炔醛为前体，利用卡宾中间体参与的半频哪醇重排反应一步构建两个2,3位相连的呋喃环，从而进一步实现多芳基取代的寡聚呋喃的合成（图1c）。

图1. 寡聚呋喃的发展

近期，华南理工大学祝诗发教授（点击查看介绍）课题组发展了一种合成多芳基取代的寡聚呋喃的策略，该策略可以实现直接选择性地将不同的芳基引入寡聚呋喃的每个呋喃单元，而无需后续引入芳基取代基的繁琐过程。同时，实验和计算研究表明，四呋喃化合物具有合适的最高占据分子轨道（HOMO）能级，因此有潜力成为高性能的p型半导体。

首先，作者以1-1作为模板底物对反应条件进行了探索。金、银、铜和锌等催化剂都无法催化1-1的环化过程（entries 1-4）。当选用双乙腈二氯化钯时，1-1可以20%的产率顺利地转化得到2F1（entry 5），进一步使用二氯化铂作为催化剂时，2F1的产率可以提升到63%（entry 6）, 经过对添加剂和浓度等因素筛选后（entries 7-9），确定最佳条件为：5 mol%二氯化铂作为催化剂，甲苯作为溶剂，异丙醇作为添加剂，浓度为0.025 M，60 ℃反应24 h（entry 8）。

图2. 反应条件筛选

在最优条件下，作者对反应的底物进行了考察。如图3所示，在标准条件或者调整后的条件下，R¹、R²和R³是各种芳基、烷基取代的底物大多都能以较好的收率得到对应的目标产物（2F1-2F31），当R³是富电子芳基时，反应效果会进一步提升。值得一提的是，作者设计了对称的二炔底物，在铂和金的共同催化下，可以通过两步快速构建四呋喃产物4F1。有趣的是，当R³为硅基取代基（TMS, TIPS）时, 通过对反应条件的调控，作者可以选择性的得到硅基迁移产物2F-Si′和氢迁移产物2F-Si。这类硅基取代的呋喃化合物是一类非常重要且难以获得的有机合成子，为后续合成更长链的寡聚呋喃奠定了基础。 

图3. 二呋喃底物拓展

随后，作者进行了机理研究（图4）。控制实验表明该反应经历了炔丙基酮中间体（图4a和4b），结合文献报道，作者设计提出的反应机理如图4c所示：首先，1在二氯化铂的活化下发生5-exo-dig环化，得到呋喃卡宾中间体B，随后发生1,2-炔基迁移，烯醇互变异构得到炔丙基酮中间体B′, 随后二氯化铂再次活化炔烃，发生5-endo-dig环化，此时当R是芳基时，金属被α-质子化得到2-芳基呋喃2F，当R是硅基时，金属被β-质子化，从而得到铂卡宾中间体F, 随后硅基发生1,2-迁移重排，最后金属消除，得到3-硅基呋喃2F-Si′。

图4. 控制实验和反应机理

图5. 利用Stille偶联反应合成四呋喃

为了合成更长链的寡聚呋喃，作者随后对合成得到的二呋喃进行上溴和上锡，通过进一步的Stille偶联可以得到三类不同结构的四呋喃（4F）（图5）。其中，通过调控底物中的取代基，作者可以合成具有六个不同芳基取代的四呋喃4F8，这是文献中利用直接的偶联方法难以合成得到的，也进一步体现了该策略的实用性和高效性。

图6. 利用氧化偶联反应合成四呋喃

除此之外，作者也利用钯催化的氧化偶联方法构建了一系列硅基取代的四呋喃，同时获得4F13-Si₂ 4F14-Si₂和4F13的晶体结构，这些晶体结构表明四呋喃化合物的呋喃骨架不是共平面的，它们之间具有一定的扭角和张力（图6）。在此基础之上，作者还合成了六呋喃（6F）和十呋喃化合物（10F）（图7）。

图7. 构建六呋喃和十呋喃

在得到以上一系列新的寡聚呋喃化合物之后，作者对其光物理性质、电化学性质进行了研究（图8）。该类多芳基取代的寡聚呋喃在二氯甲烷的溶液中具有较强的荧光，发射波长可有效覆盖400至700 nm的整个可见光范围（图8b）。当供电子取代基（-OMe）和拉电子取代基（-CN）被同时引入到四呋喃的骨架中时，该化合物（4F14-Si₂和4F14）的溶液具有明显的溶剂化效应（图8c和8d）。此外，寡聚呋喃在四氢呋喃溶液中具有较高的荧光量子产率（17.8% - 90.8%）。

图8. 对于寡聚呋喃的光物理性质、电化学性质以及载流子传输性质的研究

图9. 寡聚呋喃的密度泛函理论计算

为了进一步理解寡聚呋喃的结构和性质之间的关系，祝诗发课题组和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室赵祖金课题组在DFT计算、光电表征、器件制作等方面进行了合作。他们通过DFT计算得到的优化构型也表明邻位芳基的引入会增加分子内的空间位阻，在一定程度上降低了寡聚呋喃骨架的平面性和刚性。此外，DFT计算得到的寡聚呋喃的HOMO和LUMO的能级值和利用电化学方法所测得的数值基本吻合。最后，他们利用空间电荷受限电流（SCLC）法测定了4F14-Si₂的载流子传输能力，表明4F14-Si₂基本上是一种p型半导体，可以用作电器设备的空穴传输材料。

总结

综上所述，祝诗发课题组发展了以铂卡宾参与的半频哪醇重排反应来“从头合成”二呋喃的策略，并实现了多芳基寡聚呋喃的模块化合成。该反应高效，底物适用性较广。同时，对寡聚呋喃的实验和理论研究表明，多芳基取代基的引入对于寡聚呋喃的性质的调控具有至关重要的作用。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，华南理工大学祝诗发教授和赵祖金教授为论文共同通讯作者，第一作者为华南理工大学博士生陈洋。

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Bottom-up modular synthesis of well-defined oligo(arylfuran)s

Yang Chen, Pingchuan Shen, Tongxiang Cao, Hao Chen, Zujin Zhao & Shifa Zhu 

Nat. Commun., 2021, 12, 6165, DOI: 10.1038/s41467-021-26387-5

导师介绍

祝诗发

https://www.x-mol.com/university/faculty/16816