近年来，在全球可持续能源发展的背景下，聚合物太阳能电池受到了广泛关注。电子受体材料和给体材料作为其中活性层的重要组分，对于提高能量转化效率至关重要。其中，稠环电子受体ITIC做为最先进的非富勒烯电子受体之一，实现其高效合成具有非常重要的意义。2015年，北京大学占肖卫课题组首次通过茚并二噻吩并[3,2-b]噻吩的醛ITIC-CHO和3-(二氰基亚甲基)靛酮IC之间的Knoevenagel缩合反应合成这一明星分子，吡啶作为催化剂，产率为21% (Adv. Mater., 2015, 27: 1170–1174)。2022年，北京化工大学张志国课题组发展了乙酸酐Ac2O存在下GaCl3或者BF3·OEt2催化ITIC-CHO和IC快速定量合成ITIC的新策略，反应产率高达99% (Nat. Commun., 2022, 13: 3687) (见图1)。Knoevenagel 缩合反应是有机合成中制备 α,β-不饱和化合物的重要方法，通常使用活泼亚甲基化合物和醛或酮为反应物，胺等弱碱为催化剂。尽管传统的Knoevenagel缩合反应机理已被广泛认知，但GaCl3催化该反应的分子机制尚不清晰。近期，为揭示该反应的具体机制，北京化工大学计算化学研究所雷鸣课题组采用密度泛函理论(DFT)方法研究了Ac2O存在下GaCl3催化ITIC-CHO和IC合成ITIC的Knoevenagel缩合反应机理，探讨了多分子GaCl3催化该反应的反应模式，揭示了GaCl3在反应中重要作用及本质特征。相关成果以全文发表在J. Org. Chem.上(https://doi.org/10.1021/acs.joc.4c01806)。
图1. Knoevenagel缩合反应合成ITIC策略的(a)实验报道及(b)本工作研究的模型反应。
相关的实验报道表明，偕二酸酯(见图2中A5)为反应中重要的中间体，本研究将Ac2O存在下GaCl3催化Knoevenagel反应机理分为两个阶段：GaCl3催化芳香醛ITIC-CHO与Ac2O生成偕二酸酯(第一阶段)及后续与活泼亚甲基化合物IC生成产物ITIC(第二阶段)。我们首先研究了反应第一阶段GaCl3催化反应底物生成偕二酸酯的反应过程，由于反应中GaCl3催化剂相对于其它反应底物的摩尔浓度低(1-15 mol%)，ITIC-CHO与GaCl3配位最为优势，本研究将其配位生成的物种A1做为反应的起点和催化活性物种。在单分子GaCl3催化反应路径中，反应的能量跨度达到32.5 kcal/mol。我们同时研究了双分子GaCl3催化生成偕二酸酯反应路径，如图2所示，反应依次经过GaCl3催化组分转移，第一次C-O键偶联，C-O键断裂及第二次C-O键偶联等反应步骤，整条反应路径的能量跨度为19.7 kcal/mol (2*A1→TSA9-10)。本研究表明，相较于单分子GaCl3催化路径，双分子GaCl3催化生成偕二酸酯反应路径更为优势。同时，由于反应中间体A6和A9均含有GaCl3(OAc)-部分可以促进C-H键活化，均可参与第二阶段的Knoevenagel缩合反应。
图2. 双分子GaCl3催化生成偕二酸酯的自由能面图(单位：kcal/mol)。
随后，我们研究了第二阶段Knoevenagel缩合反应的可能机理。对于与IC发生反应的不同反应中间体，我们依次研究了三分子GaCl3，双分子GaCl3以及单分子GaCl3催化反应路径。图3展示了三分子GaCl3参与的Knoevenagel缩合反应路径的自由能面图，其中第一步C-H键活化为决速步骤，能量跨度为26.4 kcal/mol (A1→TSB2-3)。而在图4展示的双分子和单分子GaCl3催化反应路径中，反应能量跨度分别为26.3 kcal/mol (A1→TSC1-2)和31.8 kcal/mol (A1→D2)。研究计算结果表明，双分子GaCl3催化路径与三分子催化路径具有几乎相近的能量跨度，但考虑到GaCl3在反应中浓度较低，双分子GaCl3催化路径更为优势。
图3. 三分子GaCl3参与的Knoevenagel缩合反应的自由能面图(单位：kcal/mol)。
图4. 双分子GaCl3(Path C)以及单分子GaCl3(Path D)参与的Knoevenagel缩合反应的自由能面图(单位：kcal/mol)。
最后，我们将上述研究结果与吡啶催化的Knoevenagel缩合反应比较，后者整个反应的能量跨度达到了31.7 kcal/mol。通过Hirshfeld电荷分析研究GaCl3的催化作用，GaCl3可增加Ac2O中羰基碳原子的Hirshfeld电荷，进而提高其亲电性 (见图5)。此外，GaCl3可促进C-O键的断裂(A4→TSA4-6, A9→TSA9-10)从而释放GaCl3(OAc)-，生成的GaCl3(OAc)-可用于C-H键活化。
图5. (a) Ac2O, (b) Ac2O(GaCl3), (c) Ac2O(GaCl3)2, (d) ITIC-CHO 和 (e) ITIC-CHO(GaCl3)中羰基碳原子和氧原子的Hirshfeld 电荷。
综上所述，我们采用DFT方法研究了Ac2O存在下GaCl3催化ITIC-CHO与IC的Knoevenagel缩合反应的机理，提出该反应采用了双分子GaCl3催化的反应模式，与两分子GaCl3配位的Ac2O与ITIC-CHO反应生成离子对中间体A6，随后与IC发生Knoevenagel反应生成最终产物ITIC，其中第一次的C-H键活化(A1→TSB2-3)为该反应的决速步骤，GaCl3(OAc)-可作为C-H键活化的碱，能量跨度为26.3 kcal/mol。该理论研究为揭示合成稠环电子受体的Knoevenagel缩合反应的分子机制提供了重要的理论参考。该文的第一作者为计算化学所2022级博士研究生史晓帆，此工作获得了国家自然科学基金面上基金项目的支持。