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南开大学朱守非课题组JACS: 铁催化炔烃的偕二硅氢化反应

来源(澳门皇冠赌场网站加(ID:tryingchem))   2019-04-09
导读:近日,南开大学澳门皇冠赌场网站院朱守非教授课题组报道了一类铁催化的炔烃的硅氢化反应,为偕二硅烷类化合物的制备提供了一种高效新方法。该成果在线发表在J. Am. Chem. Soc.上。(DOI: 10.1021/jacs.9b02127)

偕二硅烷类化合物因其稳定性以及可以实现各种转化的性质,在有机合成澳门皇冠赌场网站中是一类高效的构筑模块,但是由于缺乏高效可靠的合成方法,限制了这类化合物的结构多样性以及应用。目前已经发展了一些合成偕二硅烷类化合物的方法,如通过Pd催化的苄基卡宾对Si-Si键的插入(Scheme 1a),以及Cu催化的C(sp3)-Si与偕二溴类化合物的偶联(Scheme 1b)。但是这两类方法都有一定的缺陷,一方面是原子经济性较低,另一方面产生的三级偕二硅烷类化合物很难发生进一步的转化。其中硅氢化反应可以高效的构建C-Si键,而且有着较好的原子经济性,但是目前这类反应的区域选择性较差(Scheme 1c)。在本文中,作者报道了一种新的方法,通过Fe催化实现了炔烃类化合物的偕二硅烷化反应(Scheme 1d)该方法使用的Fe催化剂绿色廉价且具备很好的生物相容性,该反应原子经济性100%,区域选择性良好,反应条件温和,原料廉价易得,而且该反应产生的二级偕二硅烷类化合物是之前未曾报导过的,其Si-H键可以经历各种转化,极大的拓展了这类化合物的应用前景。

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Scheme 1. 二硅烷的催化合成(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

作者首先以化合物pent-4-yn-1-ylbenzene (1aPhSiH3THF中的反应为模板反应,进行了反应的优化。作者尝试了各种含Fe配体(Figure 1,C1-C8)EtMgBr作为还原剂用来还原Fe(II)到高活性的低价态。反应可以产生多种可能的产物:不同区域选择性的单硅氢化产物3a4a5a,目标产物6a以及氢化产物7a。因此,控制反应的选择性是关键问题。大部分含Fe配体都表现出较低的反应性及选择性,最后筛选出催化剂C1b可以高效专一的生成化合物6a,核磁产率93%,分离产率90% (Table 1, entries 1-10)。作者尝试了目前已经被广泛应用在硅氢化反应中的其他金属催化剂,均无法获得目标产物(entries 11-14)。在C1b中,使用其他金属替换Fe均没有反应活性。除了EtMgBr以外,作者尝试了其他还原剂如MeMgCl, NaBHEt3, LiAlH4, LiCH2TMS,均没有太好的选择性(Table 1,entries 15-18)。该反应在苯及甲苯中仍然有专一性及较高的产率(entries 19 and 20)

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Figure 1. 本文中使用的催化剂(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

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Table 1. 反应条件的优化(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

在优化的反应条件下(Table 1, entry 2),作者对与PhSiH3反应的末端炔烃进行了底物拓展(Scheme 2)。所有带有线性烷基取代基的底物(1a-1o)都可以经历硅氢化反应,以良好到优秀的产率得到唯一的偕二硅烷类产物(6a-6o)。各种官能团也都可以兼容(6d-6f6k6m-6o)。有较大位阻的支链烷烃取代基的末端炔烃也可以以良好的产率专一产生目标化合物(6p 6q)。除了苯硅烷,烷基硅烷(n-C12H25SiH3)也可以作为硅氢化试剂产生目标化合物6r。将PhSiH3与底物1j的反应放大到克级规模,产率仍然没有损失,且可以回收87%C1b。催化剂对于底物的位阻比较敏感,底物1s1t1uPhSiH3反应仅能产生单硅氢化的产物3s, 3t/4t3u。底物1i与二级硅烷(Ph2SiH2等)仅能产生单硅基化产物3v,三级硅烷如(EtO)3SiHEt3SiH完全不发生反应。催化剂对于能够产生自由质子以及具备较强鳌合能力的官能团比较敏感(如羟基、羰基、硝基、腈、酰胺等)。

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Scheme 2. 末端烯烃的底物拓展(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

为了阐明反应机理,作者通过1H NMR监测了反应(Scheme 3a)。通过动力学时间梯度反映出化合物1a最开始产生的是化合物E-3a1min内),然后转化成目标产物6a。有趣的是,在Tomas等人的工作中使用铁催化剂C9催化该反应产生了另一种构型的Z-3a,这说明在Fe催化的炔烃的硅氢化反应中,不同的配体经历不同的反应机理。E-3a与正十二硅烷在标准条件下反应可以以73%的收率得到化合物6sScheme 3b)。使用氘代的PhSiD3替代PhSiH3反应产生相应的产物6g-d,发现氘在产物中没有发生明显的再分布(Scheme 3c)。这些结果清晰的表明反应经历了两次高区域选择性的硅氢化反应产生偕二硅基化产物。

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Scheme 3. 控制实验(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

作者基于以上实验推测了第二次硅氢化反应的催化循环(Scheme 4)。作者认为氢迁移过程(从Int-1 经历TS-1 Int-2)是区域选择性的决定步骤。作者推测这种选择性主要是因为烯基硅中间体的α-硅效应。因为Si的电负性小于C,烯基硅β-位的电荷密度要明显低于α-位。因此催化剂中的氢更容易进攻β-位。密度泛函理论计算α-位选择性的能垒低于β-6.9 kcal/mol

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Scheme 4. 推测的第二次硅氢化反应机理(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

随后,作者对本文报导的二级偕二硅烷的应用性进行了研究。如6jC-Si键可以以良好的产率转化形成Si-O(7a-7e)Si-F(7f) (Scheme 5a)。被修饰后的Si基其C-Si键很容易进行官能团化,如7bCsF存在下可以很容易的选择性的转化成E构型的烯烃8 (Scheme 5b)。甲氧基修饰的7a可以经历串联的Hiyama偶联/氧化转化化合物9,而且化合物7a的两个C-Si键可以分别转化成C-C键及C-O(Scheme 5c)。化合物6j [RuCl2(p-cymene)]2, Pd(dba)2 或者NaOH 作为催化剂在水相中与二醇缩合可以轻松的合成有机-无机杂合的干凝胶及球形的硅树脂12,这些结果表明二级偕二硅烷的合成为偕二硅烷的应用开拓了更多的可能。

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Scheme 5. 产物的转化(图片来源:J. Am. Chem. Soc.

小结:南开大学朱守非课题组报道了一种Fe催化的末端炔烃与常见硅烷的双硅氢化反应,能够专一高效的获得二级偕二硅烷类化合物。这不仅为双硅烷的合成提供了一条直接途径,而且还增强了这些硅烷试剂的用途,在澳门皇冠赌场网站合成中具有重要意义。

撰稿人:超级玛丽


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