【人物与科研】武汉大学沈晓课题组：硼催化与镍催化高选择性合成三取代烯基硅化合物

导语

有机硅化合物广泛应用于合成化学和材料科学。官能团化取代的烯基硅是一类重要的烯基硅，其原因在于官能团可以用来进行下游转化。因此硫醚取代的烯基硅是一类具有潜在应用价值的化合物。炔基硫醚的硅氢化反应是合成该类烯基硅化合物最具原子经济性的方法。然而区域选择性与立体选择性的控制是该方法的挑战。武汉大学沈晓课题组首次报导了B(C₆F₅)₃催化的炔基硫醚的高选择性β-anti-selective硅氢化反应。同时该小组将硅氢化产物应用于Ni催化的C-S键交叉偶联反应，实现了一系列三取代烯基硅的立体专一性合成。该成果发表于近期的Org. Lett.（Org. Lett. 2020, 22, 3, 970-975）。

沈晓教授简介

沈晓，教授，博士生导师。2013年博士毕业于上海有机所（导师：胡金波研究员），继续作为科研助理在上海有机所从事半年的科学研究。2014年2月到2015年5月在哈佛大学从事博士后研究（导师：Tobias Ritter教授），2015年6月到2017年7月在波士顿学院继续从事博士后研究（导师：Amir H. Hoveyda教授），随后沈晓教授加入武汉大学高等研究院开展独立科研工作，2019年起任有机硅化合物及材料教育部工程研究中心兼职教授。者 （第十四批），湖北省青年百人计划特聘教授 （第八批），武汉大学“弘毅青年学者”。

前沿科研成果

硼催化与镍催化高选择性合成三取代烯基硅化合物

烯烃在材料与医药领域有着非常广泛的应用。烯基硅可聚合成主链含硅基的长链高分子，在材料领域有着不可估量的前景。另外烯基硅的C-Si键转化是合成科学的重要手段。由于官能团本身带来的化学转化，跟官能团直接相连的烯基硅的合成价值尤为明显。近年来，C-S键的化学转化逐渐成为研究的热点。然而硫醚取代的烯基硅化合物立体选择性合成是一个挑战。烯基硫醚参与的立体专一性偶联反应成功的例子也不多。最近，沈晓课题组实现了硼催化的炔基硫醚的β-anti-selective硅氢化反应；然后通过镍催化实现了C-S键立体专一性向C-C键的转化。

图一. 反应条件优化

（来源：Org. Lett.）

作者首先以苯硫庚炔（1a）和二苯基硅烷（2a）作为模板底物，选用AlCl₃（1.5 mol%）作为催化剂，底物基本上不转化。作者认为其原因是底物与AlCl₃配位导致其催化剂失活无法进行催化反应。当增加催化剂为120 mol%后，有10%的产率（entry 2）。作者认为要选择一个合适的催化剂使之与炔基硫醚的配位性降低不至于使其失活，筛选了部分催化剂后发现B(C₆F₅)₃有着不错的催化效果，得到85%的收率（entry 8）。

图二. 底物扩展

（来源：Org. Lett.）

本文首先对硅烷进行底物扩展，无论是一取代硅烷，二取代硅烷，三取代硅烷都有着非常高的普适性，对于官能团（-Cl、-F、-OPh、-Ph、-SiMe₃、内烯、苯并噻吩等）都有着非常好的适用性。底物炔基硫醚还能与一级硅烷经过两次硅氢化直接生成3va。对于炔基硫醚的扩展，对给电子基，以及偏中性基团有着非常好的反应效果，对于吸电子基-CF₃反应产率中等，特别提出来的是对于全烷烃的炔基硫醚仍然有着不错的产率以及单一的选择性的硅氢化产物。对于烷基的扩展，异丙基，正丁基都有着优秀的产率和单一的选择性，但是取代基团位阻更大一点的-Ph、 -tBu基本上没有得到产物。由于B(C₆F₅)₃本身与-OMe不兼容，底物为邻甲氧基苯炔基硫醚时，生成的去甲基化-硅氢化的苯并七元环产物3as。

图三. Ni催化C-S键向C-C键转化的底物扩展

（来源：Org. Lett.）

作者采用Ni(dppe)Cl₂催化，炔基硫醚硅氢化产物3y为底物，与格式试剂反应进行C-S键向C-C键立体专一性转化，有着中等到良好的产物，底物普适性良好（兼容-OMe、-NMe₂、-F、-Cl、-Ph以及烷基）。与环丙烷格式试剂反应生成单一选择性产物4g。值得注意的是，这类化合物很难利用双烷基内炔的硅氢化反应实现单一选择性的合成。如果利用甲基格式试剂为原料，也有着92/8的高的立体选择性的控制。

图四. Si-H，C-Si, C-S键的转化

（来源：Org. Lett.）

对于含硅基团的转化在合成科学中的应用，本文作者也尝试了一些转化。产物3a在[Pd]催化下生成脱硅质子化的产物5（85% yield），在IPr^.HCl催化下由Si-H键向Si-OMe键的转化生成6（85% yield）。另外作者通过两步法实现了由C-Si键向C-C键的转化：3a首先与AgF反应，然后在[Pd]催化下与碘代芳烃发生交叉偶联反应生成产物7（68% yield）。作者以7为底物在Ni催化下立体专一性的合成了不对称三取代全碳烯烃8，9。

图五. 机理研究

（来源：Org. Lett.）

对于氢硅化反应的机理，作者也进行了研究。本文作者经过结晶等步骤分离出了B(C₆F₅)₃和炔基硫醚反应的产物10，经单晶结构确定。作者发现炔基硫醚与B(C₆F₅)₃先反应10小时后，再加入硅烷反应，仅得到7%产率。因此推测副产物10是催化剂失活的主要原因，并不是有效催化剂。在反应d中，作者发现在B(C₆F₅)₃催化下Si-H可以很容易的向Si-D键转化，所以Si-H，Si-D不能在同一反应中进行竞争反应。所以本文作者采用Ph₂SiH₂， Ph₂SiD₂分别与炔基硫醚进行平行反应，发现其KIE接近1，暗示Si-H键参与的反应并不是反应的决速步。在反应竞争反应f中，含缺电子性-Cl基团的底物1h要远远低于不含取代基的底物1a，暗示亲核加成反应为该反应的决速步。

图六. 机理预测

（来源：Org. Lett.）

作者提出了可能的反应机理。Si-H键先与B(C₆F₅)₃配位后活化硅氢键，会生成少量硅正离子，其对炔基硫醚有着极快的速度生成III，IV这样的离子对，然后B-H的负氢对中间体在离子对中进行亲核加成进攻（此步骤为决速步），生成目标产物。另外一种历程也不能被排除，中间体I直接进攻硫炔生成中间体V，然后Si-H键断键后生成III, IV这样的离子对，进而完成转化，生成目标产物。

相关工作发表于Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b04505），该论文通讯作者为武汉大学高等研究院沈晓教授，共同第一作者为博士研究生张云霄，硕士研究生陈嫣然。该研究工作得到国家自然科学基金委、、生命有机国家重点实验室和武汉大学的资助。沈晓课题组目前有博士后1人，博士研究生5人，硕士研究生7人，科研助理2人。该课题组欢迎各位对有机化学充满热爱的年轻人来了解并加入进来。

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