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兰州大学许鹏飞课题组Angew: 光氧化还原、氢转移和钴催化协同烯烃脱氢硅化反应合成取代烯丙基硅烷

来源(澳门皇冠赌场网站加(ID:tryingchem))   2019-06-24
导读:含硅化合物在有机澳门皇冠赌场网站中发挥着非常重要的作用,其中烯丙基硅烷是合成小分子和聚合物的重要基石之一,因此,如何在有机分子中温和而有效地引入硅基团引起了人们的广泛兴趣。

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图1合成取代烯丙基硅烷的策略(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

烯烃直接偶联生成烯丙基硅烷是一种步骤高效、原子经济的合成方法,例如,Watson报告了Pd-催化硅基Heck反应,利用端烯和TMSI制备烯丙基硅烷(1a)而高选择性脱氢硅烷化反应合成烯丙基硅烷仍具有挑战性,这些反应大多需要对水分敏感的贵金属催化剂或过量的烯烃,并且由于区域选择性低而得到烯丙基和乙烯基硅烷混合(1b)。因此,更有效和环境友好的合成方法仍然是迫切需要的。 

由于条件温和,可见光在合成领域中的应用受到人们的广泛关注。将光催化与其它催化方法相结合,可以实现新的光催化转化。最近,吴骊珠等发展的光氧化还原介导的脱氢交叉偶联反应就避免了使用任何氧化剂,并提供了一个有效构建C-CC-X键的方法,但反应模式和底物范围仍然有限。与烯烃和不同亲核试剂的交叉偶联相比,脱氢交叉碳-硅偶联反应是一种可靠的合成技术。考虑到Si-HC-H键的BDEs相似,亲电自由基或自由基阳离子的攫氢过程也能活化Si-H键。为实现这一目标,需要解决的主要挑战是如何避免氢硅化过程和乙烯基硅烷副产物。近日,兰州大学澳门皇冠赌场网站院许鹏飞教授课题组提出了一种新的三催化活化方法,即光氧化还原、氢原子转移和钴催化的协同作用,为烯丙基硅烷的选择性构建提供了一条有效而普适的途径,文章发表在Angew. Chem. Int. Ed.上(DOI10.1002/anie.201904707)。

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2反应条件的优化(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

2所示,作者在室温下以三(三甲基硅基)硅烷(TTMSS)作为硅自由基前体,以Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6为光催化剂,AHAT催化剂,Co(dmgH)2 PyCl II为质子还原催化剂,N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺为硅自由基受体,合成了期望的烯丙基硅烷产物1(产率为40%)当用4CzIPN代替Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6时,产物1的收率提高到53%。当以前报道的HAT催化剂如噻吩醇(B)和三异丙硅硫醇(C)代替 (A)时,要么没有反应,要么产率很低。为了提高反应收率,作者对各种碱进行了考察,当以吡啶为碱时,收率提高到了83%溶剂筛选表明,MeCN效果最佳。此外,控制实验表明,光催化剂、钴催化剂、HAT催化剂和可见光源都是反应的必要条件,在没有它们的情况下,没有反应。

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3底物扩展(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

有了最佳反应条件,作者对各种烯烃的反应性进行了探讨。如图3所示,一系列甲基丙烯酰胺都是合适的底物,包括那些氮核上具有烷基和苯基的底物,并且全部得到良好的产率(1-475-87)5中存在N-H,产率略低。具有取代苯基的底物也能以中等产率(67)得到产物。在这种转化(8-15)中,非环状和环状不饱和二烷基酰胺都具有良好的耐受性。与5-6-元杂环相比,7-元杂环的产率最高(1180)。此外,具有OSN原子的其它杂环也可用于该反应(12-1552-85)。其它硅烷如三乙基硅烷、三异丙基硅烷和叔丁基二甲基硅烷,也都可以兼容,分别得到产物16-18,但产率降低(29-38),这可能是由于较高的Si-H BDEs所致。为了解决这一问题,作者对不同的HAT催化剂进行了考察,结果表明,在35 ℃时,奎宁环-3-乙酸酯对烷基硅烷有较好的作用,使产率略有提高(16-1838%~47%)。接下来,作者探讨了αβ-不饱和酯的范围2-甲基丙烯酸苄酯具有良好的适应性(1958%)如预期的那样,2-甲基丙烯酸叔丁酯和丁酯在此反应中表现出相似的反应性(2021)。此外,含有大位阻基团的底物也具有良好的耐受性(22-2640-74%)。其他杂环芳基烯烃也能以中等收率(27-29)成功转化为预期产物。在优化的反应条件下,2-丙烯基硼酸酯也能反应,得到相应的产物(3068%)。但烯烃的来源范围仅限于11-二取代烯烃单取代烯烃和αβ-不饱和酮的不能反应。为了进一步证明该方法的合成用途,作者测试了几种含有生物相关单元的更复杂的烯烃底物,包括二丙酮-D-果糖(31)、二丙酮-D-呋喃糖(32)和甾体衍生物(3334)的糖骨架,它们都适用于该反应,并以较好的收率得到了所需产物1 mmol规模的反应,得到孕烯醇酮衍生物34,收率60%,这些结果表明,该方法对合成过程中的后期功能化具有一定价值。

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4脱氢硅化并5-exo-trig环化(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

在此三催化体系中,标准反应条件下,自由基5-exo-trig环化反应可形成5αβ-不饱和γ-内酰胺(图4。首先,作者研究了一系列N-烯丙基-N-基丙烯酰胺类化合物,其在芳香环上具有吸电子和给电子取代基的底物都能反应良好。给电子基如甲基(3641),异丙基(37)和叔丁基(38),产率较高(58-66%)。然而,N-苄基和N-环己基丙烯酰胺等非共轭底物无法得到所需的产物,这可能是由于5-exo-trig环化速率较低所致。用肉桂基代替烯丙基会使产率升高,相应产物为42,收率为86% 

为验证该工艺的实用性,作者进行了克级规模实验,得到了相应的烯丙基硅烷1,产率72%。作者还进行了一系列机理实验,以了解脱氢硅化过程。在2当量自由基清除剂TEMPO的存在下,1的形成被完全抑制,气相色谱检测不到H2,这意味着反应是一个自由基过程。当使用N-甲基-N-苯基丙烯酰胺时,未检测到相应的乙烯基硅烷产物43,表明该反应具有较高的区域选择性。此外,N-甲基-N-乙基丙烯酰胺也与此反应相容,只得到Z异构体产物。通过分子间竞争同位素效应实验确定了动力学同位素效应(KIE)值为2.8,表明甲基C-H键断裂可能是该反应中的一个动力学相关步骤。随后进行了发光淬灭研究,Stern-Volmer图所示,Co(dmgH)2PyCl具有更大的灭程度,并表现出对激发态4 CzIPN*单电子氧化的动力学偏好。为了揭示自由基的机理,作者设计了电子顺磁共振(EPR)实验,观察了DMPO作为自旋捕获剂对自由基中间体的俘获。EPR信号清楚地指示了自旋加合物的形成,可以得出结论,硅自由基N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺中加成后,反应过程中产生了碳中心的自由基。

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5克级规模实验及机理研究(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

基于上述研究和早期报道,作者提出了一种可能的反应机制,如图6所示,基态光催化剂4CzIPN在可见光照射下产生激发态光催化剂4CzIPN*,被Co(dmgH)2PyCl 催化剂A氧化生成Co(Ⅱ)物种B。随着光催化循环的完成,生成的氧化性4CzlPN+物种氧化奎尼丁生成奎尼丁自由基阳离子。高亲电性的奎尼丁自由基阳离子选择性地从TTMSS的氢键中攫取氢原子,产生相应的硅自由基。随后硅自由基对缺电子的烯烃加成,形成以碳中心的自由基中间体。同时,Co(II)物种B可以接受自由基得到加合物C,在辐射Co-C键的断裂和随后的β-H的消除得到最终的烯丙基硅烷和氢钴D,后者可以与另一个质子反应释放H2 

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6. 可能的反应机理(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

总结:兰州大学许鹏飞教授课题组开发了光氧化还原催化、氢原子转移和钴催化协同合成烯丙基硅烷的方法。该脱氢硅化反应具有区域选择性高、官能团耐受性好、底物范围宽、反应条件温和等特点。此外,这种无氧化剂体系提供了一种比传统催化更清洁、更有效的方法,不需要使用当量或过量氧化剂。而且,该反应已经成功地应用于在许多生物活性分子骨架中引入硅基团,在有机合成和药物研发中具有重要应用价值。

撰稿人:诗路化语


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