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南開大學(xué)朱守非課題組Angew：銅催化α-甲硅烷基卡賓的不對稱B-H鍵插入反應(yīng)合成手性烯丙基偕-甲硅烷基硼烷衍生物
來源：化學(xué)加原創(chuàng) 2022-05-03
導(dǎo)讀：近日，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱守非課題組開發(fā)了銅(I)/手性雙噁唑啉絡(luò)合物催化以1-甲硅烷基環(huán)丙烯為前體的α-甲硅烷基α-乙烯基卡賓的不對稱B-H鍵插入反應(yīng)，并能以高收率和對映選擇性得到一系列手性γ,γ-二取代烯丙基偕-甲硅烷基硼烷衍生物。該方法也適用于各種3,3-二取代甲硅烷基環(huán)丙烯，得到的產(chǎn)物均為E-構(gòu)型產(chǎn)物。這種新型手性γ,γ-二取代烯丙基偕-甲硅烷基硼烷衍生物是一種通用的烯丙基雙金屬試劑，穩(wěn)定性高，具有巨大的合成潛力，尤其適用于構(gòu)建具有相鄰手性中心的復(fù)雜分子。相關(guān)研究成果發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202203343）。
α-甲硅烷基卡賓是一類穩(wěn)定性相對較高的功能性卡賓，它的不對稱性轉(zhuǎn)移反應(yīng)可用于制備多樣的手性有機硅烷類化合物。與研究較多的α-碳卡賓相比，關(guān)于α-甲硅烷基卡賓的不對稱性轉(zhuǎn)移反應(yīng)的報道寥寥無幾，可能是因為α-甲硅烷基卡賓的前體來源比較受限且缺乏有效的催化策略（Scheme 1a）。二銠或銅催化以α-甲硅烷基重氮化合物為前體的α-硅基卡賓發(fā)生不對稱環(huán)丙烷化反應(yīng)，可以有效的合成手性硅烷基環(huán)丙烷類化合物，但未有關(guān)于α-甲硅烷基卡賓發(fā)生高對映選擇性插入反應(yīng)的相關(guān)報道。最近，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱守非課題組開發(fā)了銅(I)/手性雙噁唑啉絡(luò)合物催化以1-甲硅烷基環(huán)丙烯為前體的α-甲硅烷基α-乙烯基卡賓的不對稱B-H鍵插入反應(yīng)，并能以高對映選擇性得到一系列手性γ,γ-二取代烯丙基偕-甲硅烷基硼烷衍生物（Scheme 1b）。為了實現(xiàn)該策略，作者解決了以下難題：（1）在開環(huán)過程中，1-甲硅烷基環(huán)丙烯發(fā)生區(qū)域選擇性C1-C3鍵的斷裂，生成α-甲硅烷基-α-乙烯基金屬卡賓中間體；（2）當(dāng)R1和R2取代基不同時，該方法成功控制了C=C鍵的立體選擇性；（3）該方法實現(xiàn)了高對映選擇性B-H鍵插入。值的一提的是，目前僅有兩例關(guān)于高對映選擇性合成手性烯丙基偕-甲硅烷基硼烷的報道，且這些報道合成的均為手性γ-單取代偕-甲硅烷基硼烷衍生物，而手性γ,γ-二取代烯丙基偕-甲硅烷基硼衍生物的合成方法還有待開發(fā)。下載化學(xué)加APP，閱讀更有效率。（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）作者以1-甲硅烷基環(huán)丙烯1a和硼烷絡(luò)合物2a為模板底物，通過對催化劑、溶劑以及溫度等條件進(jìn)行篩選，確定最優(yōu)反應(yīng)條件（Table 1）：以7 mol% Cu(MeCN)4PF6和7.7 mol% L9為催化劑，以甲苯為溶劑，在22-25 oC條件下反應(yīng)12 h，反應(yīng)能以88%的收率和95%的對映選擇性得到手性偕-甲硅烷基硼烷衍生物3aa。（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）在最優(yōu)反應(yīng)條件下，作者考察了反應(yīng)的底物范圍（Scheme 2）。硼烷絡(luò)合物中Lewis堿的性質(zhì)對反應(yīng)結(jié)果影響較大。當(dāng)硼烷絡(luò)合物中Lewis堿為胺或吡啶等N-配合物時，反應(yīng)能以中等至良好的收率和優(yōu)異的對映選擇性得到產(chǎn)物3aa-3ac。但對于C-配合物、P-配合物，反應(yīng)均不能正常進(jìn)行（3ad-3ae）。若將硼烷絡(luò)合物換成HBpin，反應(yīng)也不能發(fā)生（3af）。隨后，作者對3,3-二取代1-甲硅烷基環(huán)丙烯的底物范圍進(jìn)行了考察。對稱的3,3-二烷基-1-甲硅烷基環(huán)丙烯可以中等至良好的產(chǎn)率和良好至優(yōu)秀的對映選擇性得到產(chǎn)物5aa-5ba。不對稱的3,3-二烷基-1-甲硅烷基環(huán)丙烯、3-芳基3-烷基-1-甲硅烷基環(huán)丙烯、稠環(huán)丙烯以及3-烯基取代的環(huán)丙烯也能較好的適應(yīng)反應(yīng)條件，并能以中等至良好的產(chǎn)率和良好至優(yōu)秀的對映選擇性得到E-構(gòu)型產(chǎn)物5ca-5ua，反應(yīng)中還檢測到(Z)-α-甲硅烷基α-乙烯基卡賓中間體轉(zhuǎn)化的副產(chǎn)物5’和5’’。其中，5ha的絕對構(gòu)型通過X-單晶衍射分析確定為S-構(gòu)型。（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）為了證明反應(yīng)的應(yīng)用潛力，作者進(jìn)行了規(guī)模化反應(yīng)和衍生反應(yīng)（Scheme 3）。該反應(yīng)可以擴(kuò)大至克級規(guī)模，能以77%的收率和94%的ee值得到5ha。加熱條件下，5ha可被H2O2氧化為α-甲硅烷醇6。同時，5ha中的硼烷部分易于轉(zhuǎn)化為頻哪醇硼酸酯，得到產(chǎn)物7。在TfOH存在下，7發(fā)生不對稱烯丙基去甲硅烷基化反應(yīng)得到手性烯基硼酸酯8。此外，5ha還可與亞胺反應(yīng)生成反式2-甲硅烷基高烯丙基胺化產(chǎn)物9，其中，9的絕對構(gòu)型通過X-單晶衍射分析確定。若5ha與苯甲醛的反應(yīng)則可生成高烯丙醇10。在BF3·OEt2存在下，10的環(huán)氧化產(chǎn)物可進(jìn)一步發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)生成四氫呋喃衍生物11。10與2-甲氧基乙氧基甲基氯反應(yīng)生成的縮醛12可進(jìn)一步發(fā)生區(qū)域選擇性重排反應(yīng)手性異色滿衍生物13。（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）氘代實驗結(jié)果表明硼和氘原子均加成在相同的碳上，這表明反應(yīng)中生成了卡賓中間體（Scheme 4a）。動力學(xué)同位素效應(yīng)的結(jié)果表明氫轉(zhuǎn)移步驟速度很快（Scheme 4b）。作者通過原位紅外光譜測量甲苯中不同濃度的各組分的初始反應(yīng)速率，從而探究反應(yīng)順序（Scheme 4c）。速率結(jié)果顯示催化劑的濃度和1-甲硅烷基環(huán)丙烯1a的濃度成正線性相關(guān)，這表明Cu(I)介導(dǎo)的環(huán)丙烯開環(huán)形成金屬卡賓的過程可能是速率決定步驟。而5ha的ee值與配體L9的ee值成正非線性相關(guān)（Scheme 4d）。該結(jié)果表明催化劑中Cu(I)與配體L9不是以1:1的形式絡(luò)合。（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）基于上述結(jié)果，作者提出可能的機理（Scheme 5）：首先，甲硅烷基未成鍵的3d軌道和π鍵相互誘導(dǎo)，環(huán)丙烯以極化形式存在即C1的負(fù)電荷多于比C2的負(fù)電荷；然后，親核的銅催化劑進(jìn)攻極化的環(huán)丙烯的C1位，導(dǎo)致C1-C3鍵發(fā)生區(qū)域選擇性斷裂，從而生成E-型或Z-型α-甲硅烷基-α-乙烯基卡賓中間體；隨后，E-型卡賓（int II）經(jīng)歷三元環(huán)過渡態(tài)TS2發(fā)生對映選擇性B-H鍵插入反應(yīng)，生成手性烯丙基偕-甲硅烷基硼烷5。而Z-型卡賓（int III）則以不同的途徑發(fā)生反應(yīng)：當(dāng)R為烷基時，int III發(fā)生1,4-氫轉(zhuǎn)移過程生成1-甲硅烷基二烯5'；當(dāng)R是芳基時，int III發(fā)生分子內(nèi)芳環(huán)上親電進(jìn)攻后進(jìn)行1,2-質(zhì)子轉(zhuǎn)移得到分子內(nèi)C-H插入產(chǎn)物5''。（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）小結(jié)：南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱守非課題組開發(fā)了銅(I)/手性雙噁唑啉絡(luò)合物催化以1-甲硅烷基環(huán)丙烯為前體的α-甲硅烷基α-乙烯基卡賓的不對稱B-H鍵插入反應(yīng)，并能以高收率和對映選擇性得到一系列手性γ,γ-二取代烯丙基偕-甲硅烷基硼烷衍生物。該方法也適用于各種3,3-二取代甲硅烷基環(huán)丙烯，得到的產(chǎn)物均為E-構(gòu)型產(chǎn)物。該反應(yīng)可以擴(kuò)大至克級規(guī)模，手性產(chǎn)物可進(jìn)行多樣的衍生化反應(yīng)。同時，通過機理實驗，作者提出了可能的反應(yīng)機理。
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