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自1865年Kekulé提出苯的合理結構以來，苯及其衍生物的合成和轉化就取得了里程碑式的成就，由于六個π電子的完美離域，苯是一種高度穩(wěn)定的芳烴，所有碳-碳鍵的長度均為1.39 ?（Fig. 1a）。相比之下，苯的五元環(huán)狀異構體pentafulvene表現出由環(huán)外雙鍵引起的非常不同的反應性。如果三共軛碳環(huán)的環(huán)尺寸進一步縮小，將形成反芳香性的丁富烯，它由帶有兩個環(huán)外亞甲基單元的環(huán)丁烯組成。

圖片來源：Nat. Chem.

60多年前，Blomquist等人從truxinic酸開始8步合成了丁富烯（Fig. 1b）。后來，Huntsman 等人報道了，1,5-己二炔可以通過1,2,4,5-六四烯中間體和隨后的四電子環(huán)加成轉化為丁富烯，但需要克服非常高的能壘，因為該反應在350 ^oC下在流動反應器中進行（Fig. 1c）。受在過渡金屬催化的聯烯和聯烯衍生物的環(huán)化反應的啟發(fā)，麻生明院士團隊設想：從易得的炔丙醇衍生物和炔丙基/聯烯基金屬偶聯形成雙聯烯（bisallenes），然后經歷環(huán)金屬化和還原消除，將溫和有效地合成丁富烯（Fig. 1d）。本文中，作者展示了一種有效的鈀催化策略，通過炔丙基化合物的反應快速組裝了對稱和非對稱丁富烯。

圖片來源：Nat. Chem.

首先，作者以碳酸炔丙酯1a和B₂Pin₂的反應為模型反應，對反應條件進行了篩選和優(yōu)化（Table 1）。得到的最佳條件是：Pd(OAc)₂ (1 mol%)、Gorlos-Phos?HBF₄ (4 mol%)、B₂Pin₂ (1.1 eq.)、KHCO₃ (3.0 eq.)、H₂O (2.0 eq.)，在40 °C的THF中反應20 h，可以92%的產率得到丁富烯2a（entry 14）。

圖片來源：Nat. Chem.

有了最佳反應條件，作者對3-芳基取代的炔丙基碳酸酯的范圍進行了擴展（table 2，條件A）。具有給電子或吸電子取代基芳基的底物都適用于該反應，能以72-85%的產率得到高張力的丁富烯2a-2f。除了甲基之外，炔丙基取代基還可以是四亞甲基、五亞甲基、4-氧雜五亞甲基、二乙基和二丙基。該反應還可以在克級規(guī)模上進行，以75%的產率提供丁富烯2i。酯官能團也可以兼容，能以46%收率得到丁富烯產物2q，但需要更高的催化劑載量。當使用3-單取代炔丙基碳酸酯時，也可以獲得所需的產物2r和2s。

但一級炔丙基底物與當前的最佳反應條件不相容。作者在調整聯烯基前體后，原位制備的聯烯基-銦試劑可以在 Pd(PPh₃)₄存在下與3-苯基炔丙基溴4a順利反應合成末端丁富烯5a（條件B)。除了炔丙基溴外，炔丙基碘和氯化物也適用于該反應，分別以42%和74%的產率提供丁富烯5a。底物與苯環(huán)對位的給電子取代基和吸電子取代基都能兼容，得到丁富烯產物5b-5h。炔丙基溴苯環(huán)間位的取代基對產率沒有明顯影響。大位阻的2,6-二取代底物4l，也能以56%的產率獲得丁富烯產物5l。當使用仲和叔炔丙基溴作為底物時，可以形成2a和5m，但產率稍低。此外，作者還在標準條件下成功完成了5a的克級規(guī)模合成，產率高達89%。

為了研究B₂Pin₂促進的丁富烯一鍋法合成的機理（Fig. 2），作者進行了一系列對照實驗?？s短反應時間或者在在較低溫度下進行反應，都沒有檢測到相關的雙聯烯中間體。當反應在2 h后停止時，可以34%的收率分離得到雙聯烯7m。為闡明雙聯烯7m是否是轉化的關鍵中間體，在最佳條件下對7m進行處理，能以99%的NMR產率形成丁富烯2m。表明鈀、KHCO₃和B₂Pin₂對2m的形成都至關重要。2m的產率與B₂Pin₂的量呈正相關，表明[B]物種在環(huán)化過程中具有重要作用。 

圖片來源：Nat. Chem.

基于以上實驗結果，作者提出了B₂Pin₂促進的丁富烯合成機理，如Fig. 2c所示。 Pd(0)催化劑與碳酸炔丙酯的氧化加成得到聯烯基鈀中間體A，它與B₂Pin₂反應生成聯烯基鈀中間體B。還原消除后，得到硼酸聯烯基6并再生催化活性Pd(0)。同時，另一分子聯烯基鈀物種A與聯烯基硼酸酯6偶聯，生成雙聯烯基鈀C，C在還原消除后得到雙聯烯基7。隨后，L_nPd與B₂Pin₂的氧化加成，然后與KHCO₃進行配體交換生成L_nPd⁺-Bpin。雙聯烯 7中的兩個聯烯單元之一插入L_nPd⁺-Bpin形成D，其進一步經歷分子內碳鈀化得到環(huán)丁二烯E。最后，在釋放L_nPd⁺-Bpin后生成丁富烯2。

對于銦介導的過程，Pd(0)物種與炔丙基溴4的氧化加成會產生聯烯基Pd(II)中間體A'。隨后在A'和預先形成的有機銦試劑4-In之間進行轉金屬化，得到雙聯基-Pd(II)物種C'。然后，C'還原消除得到雙聯烯中間體7'-Pd配合物F。F的氧化環(huán)金屬化產生五元鈀環(huán)物種G。G的最終還原消除得到丁富烯產物5并再生Pd(0)催化劑。

圖片來源：Nat. Chem.

基于上述機理，作者通過碳酸炔丙酯1和聯烯基硼酸酯6之間的交叉偶聯反應開發(fā)了一種獲得非對稱丁富烯12的方法（Fig. 3a），以中等收率和良好立體選擇性得到非對稱丁富烯13a-c（E/Z 10:1，Fig. 3b）。此外，非對稱丁富烯15也可以由叔炔丙基乙酸酯與炔丙基溴化物的反應形成（Fig. 3c）。具有不同電性的苯基取代基(R1)的叔3-芳基取代的炔丙基乙酸酯與該策略兼容(15a-15e)，并且其他3-烷基取代的炔丙基也可以提供相應的產物15g和15h。仲炔丙基溴化物4j和仲炔丙基乙酸酯14k的反應分別得到相應的丁富烯15j和15k。

最后，作者還研究了丁富烯在合成中的應用（Fig. 4）。丁富烯5a與苯中間體的[2+2]環(huán)加成反應得到具有兩個四元環(huán)的高張力螺環(huán)16，其中末端C=C鍵用于進一步的合成轉化。5a與2-重氮-2-苯乙酸甲酯的環(huán)丙烷化反應可以得到雙環(huán)產物17。此外，可見光誘導下，2a中的二烯單元與4-氯或4-溴-苯硫醇反應，能以良好的產率專一得到1,4-加合物18a和18b。2a中的兩個環(huán)外C=C鍵之一可以在HBr水溶液中氫羥基化，具有顯著的區(qū)域選擇性，形成19a。當R基團是烯丙基單元時，2o的RCM反應可以94%的收率獲得[4.2.0]-雙環(huán)產物20，其可以進一步芳構化得到苯并環(huán)丁烷21。21的環(huán)氧化在不同當量的m-CPBA 條件下，可以分別得到高張力的苯并環(huán)丁二螺環(huán)環(huán)氧乙烷22和23。

圖片來源：Nat. Chem.

總結：麻生明院士、鄭劍教授、陳慶安研究員團隊通過使用容易獲得的炔丙基碳酸酯或溴化物作為起始原料，開發(fā)了一種實用且全面的鈀催化構建高張力對稱或非對稱反芳香性丁富烯的方法，該方法反應條件溫和、底物適用性廣泛，將促進丁富烯化學的發(fā)展。

文獻詳情：

Xin Huang, Bing-Zhi Chen, Pengbin Li, Ding-Wei Ji, Jinxian Liu, Hao Zheng, Sa-Na Yang, Yan-Cheng Hu?, Boshun Wan, Xiang-Ping Hu, Chunling Fu, Yankai Huang, Jian Zheng*, Qing-An Chen*, Shengming Ma*. Palladium-catalysed construction of butafulvenes. Nat. Chem. 2022. https://doi.org/10.1038/s41557-022-01017-9