有機(jī)硅化合物在有機(jī)合成、材料科學(xué)、生物醫(yī)藥研究中都有著廣泛的應(yīng)用，開發(fā)新的硅基合成子以及發(fā)展綠色高效的合成方法對(duì)推動(dòng)有機(jī)硅化學(xué)的發(fā)展具有重要意義。近年來，硅雜環(huán)丁烷 (SCB) 作為合成子引起了廣泛關(guān)注，被應(yīng)用于許多有機(jī)硅化合物的高效合成。其中過渡金屬催化下SCB與炔烴的環(huán)加成反應(yīng)是最活躍的研究方向之一，并且取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在三個(gè)方面的局限性（圖1A）：(1) 反應(yīng)主要使用鈀或者銠等貴金屬催化劑；(2) 活性較低的非活化內(nèi)炔與SCB的反應(yīng)尚未有報(bào)道；(3) 不對(duì)稱反應(yīng)中對(duì)映選擇性控制還有提升空間。近日，南開大學(xué)趙東兵課題組通過鎳催化實(shí)現(xiàn)了非活化內(nèi)炔與（苯并）硅雜環(huán)丁烷之間的反應(yīng)，并且通過不同的配體實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性以及對(duì)映選擇性的精準(zhǔn)調(diào)控（圖1B）。圖1. 硅雜環(huán)丁烷與炔烴的反應(yīng)現(xiàn)狀以及鄰二芳基骨架在藥物中的應(yīng)用作者首先利用硅雜環(huán)丁烷與二苯乙炔作為模板底物進(jìn)行了條件篩選。他們發(fā)現(xiàn)，在10 mol% Ni(cod)2及12 mol% IPr的作用下，利用甲苯作溶劑時(shí)，在120 ℃條件下，環(huán)加成反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，并以84%的分離收率得到單一產(chǎn)物硅雜環(huán)己烯。該催化體系具有良好的底物普適性（圖2），無論是對(duì)稱的二芳基炔烴還是二烷基炔烴都能兼容，以中等至較高的收率得到硅雜環(huán)己烯衍生物。不對(duì)稱的內(nèi)炔如1-苯基-1-烷基炔以及1-芳基2-三甲硅基炔烴與硅雜環(huán)丁烷的環(huán)加成反應(yīng)也能夠順利進(jìn)行，并以中等的收率和中等至優(yōu)異的區(qū)域選擇性形成環(huán)加成產(chǎn)物。
與之對(duì)應(yīng)的是，作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用三甲基膦作配體時(shí)，硅雜環(huán)丁烷與二苯乙炔反應(yīng)生成開環(huán)產(chǎn)物烯基硅烯。隨后作者通過大量的手性配體篩選，發(fā)現(xiàn)使用Taddol衍生的手性亞磷酸酯配體可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)反應(yīng)的化學(xué)選擇性和立體選擇性控制，最終以優(yōu)異的對(duì)映選擇性得到了具有硅手性中心的烯基硅烷衍生物（圖3）。在最優(yōu)反應(yīng)條件下，作者對(duì)內(nèi)炔底物的適用性進(jìn)行了考察，結(jié)果表明1,2-二芳基乙炔底物能夠很好的兼容，無論芳環(huán)上含有吸電子取代基還是供電子取代基，大部分反應(yīng)都可以順利進(jìn)行并且以中等至良好的產(chǎn)率 (40-92%) 和優(yōu)異的對(duì)映選擇性（up to 96:4 er）生成目標(biāo)產(chǎn)物。1,2-二烷基炔烴與硅雜環(huán)丁烷的不對(duì)稱開環(huán)反應(yīng)雖然也能順利進(jìn)行，但是反應(yīng)對(duì)映選擇性降低較為明顯。催化體系對(duì)于不對(duì)稱的1-苯基-1-烷基炔烴不能適用。該不對(duì)稱催化體系對(duì)于硅基上帶有不同位阻和電子效應(yīng)的硅雜環(huán)丁烷底物也能夠很好的適用。圖3. 不對(duì)稱開環(huán)反應(yīng)底物拓展與硅雜環(huán)丁烷相比，苯并硅雜環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有C(sp2)-Si鍵和C(sp3)-Si鍵，苯并硅雜環(huán)丁烷與炔烴的反應(yīng)往往遭遇區(qū)域選擇性問題。本文中，作者通過對(duì)配體和溶劑的篩選，最終在小位阻的三甲基膦配體的條件下，以高的區(qū)域選擇性得到選擇性斷裂苯并硅雜環(huán)丁烷C(sp2)-Si鍵的產(chǎn)物6aa。催化體系同樣適用于二芳基炔、二烷基炔以及不對(duì)稱內(nèi)炔底物（圖4）。圖4. 苯并硅雜環(huán)丁烷與二苯乙炔反應(yīng)條件篩選在完成底物擴(kuò)展之后, 作者分別對(duì)硅雜環(huán)己烯產(chǎn)物和手性烯基硅烷產(chǎn)物進(jìn)行了一系列的衍生化反應(yīng)。隨后，作者對(duì)不同配體控制的SCB與炔之間的發(fā)散性反應(yīng)的根源通過DFT計(jì)算以及一系列控制實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究（圖5），結(jié)果顯示，當(dāng)合用IPr作為配體時(shí)，中間體傾向于發(fā)生還原消除，而使用小位阻的磷配體時(shí)，中間體則傾向于發(fā)生LLHT過程，從而生成開環(huán)產(chǎn)物。最后，對(duì)其關(guān)鍵中間體進(jìn)行了可視化分析，認(rèn)為不同配體條件下硅雜環(huán)丁烷與內(nèi)炔反應(yīng)的化學(xué)選擇性主要來源于配體的位阻影響。 綜上所述，趙東兵課題組開發(fā)了以廉價(jià)金屬鎳為核心的催化劑，通過配體的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了硅雜環(huán)丁烷與非活化內(nèi)炔分子間的化學(xué)選擇性的環(huán)加成反應(yīng)和對(duì)映選擇性的開環(huán)反應(yīng)，以及內(nèi)炔對(duì)苯并硅雜環(huán)丁烷 C(sp2)-Si 鍵高度選擇性的插入反應(yīng)等三類新反應(yīng)，合成出多個(gè)系列硅雜環(huán)己烯衍生物和具有硅手性中心的烯基硅衍生物。另外對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了一系列的衍生化反應(yīng)，并且通過密度泛函理論計(jì)算對(duì)不同配體下化學(xué)選擇性差異的原因提出了合理解釋。該研究成果近期發(fā)表在Nature Communications 上，論文通訊作者為南開大學(xué)趙東兵研究員，第一作者為博士研究生王希超，李勃和鞠成威對(duì)本文的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)做了重要貢獻(xiàn)。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目以及國(guó)家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金的支持。
原文
Nickel(0)-catalyzed divergent reactions of silacyclobutanes with internal alkynes
Xi-Chao Wang, Bo Li, Cheng-Wei Ju & Dongbing Zhao
Nat. Commun., 2022, 13, 3392, DOI: 10.1038/s41467-022-31006-y
參考資料：https://chem.nankai.edu.cn/2022/0630/c24075a460600/page.htm
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