【人物与科研】杭州师范大学徐利文课题组：基于Si-H键活化构建碳手性、轴手性及硅手性取得系列性进展
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导语
徐利文教授简介
徐利文教授，博士生导师，杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室主任，浙江省有机硅材料重点实验室主任，材料与化学化工学院副院长。长期从事不对称催化、有机硅化学及材料等领域的研究工作，已累计在Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., ACS Catal.等国际权威期刊发表SCI论文150余篇，研究成果已被他人累计引用超4000次，H因子为38。在构建高效催化体系的新配体创制等方面取得了一系列科研成果，以非等价配位新理念首创了多种多官能化联芳类/非联芳类/多配位点的特色手性配体，在30余个有机反应中得到成功应用，多类配体被国际同行高度评价为设计思路独特且高效；在过去十余年里，同时还在导向硅基催化合成化学的硅手性中心构建、反应设计及其催化策略方面，实现了相关催化反应的高效化、高化学/立体选择化和绿色廉价化，成功地拓宽了功能化硅烷/含硅聚合物在资源转化与催化化学领域的应用研究。先后应邀撰写学术专著5章节，近年来还以排名第一获得包括浙江省自然科学二等奖在内的3项省部级科技奖励以及The Thieme Chemistry Journal Award（2015年度）；先后受邀担任多家国内外学术期刊的编委或顾问编委。
课题组更多信息阅读链接：
https://yjg.hznu.edu.cn/c/2020-04-28/2372974.shtml
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前沿科研成果
（1）最新系列性进展之一（Nature Communications）：基于不对称钯催化活化Si-H键实现了一步碳手性中心和C-N轴手性的高立体选择性构建
硅氢加成反应是合成有机硅化合物非常重要的反应之一，在工业化学中得到广泛应用，例如硅烷偶联剂与硅橡胶的生产。近年来，随着手性有机硅功能材料与含硅药物分子的不断发展，它已成为不对称催化合成手性有机硅化合物中非常重要的反应过程。迄今为止，科研人员已经开发了一系列较为完善或实用的方案用于解决末端烯烃和炔烃的不对称硅氢化反应，并合成了具有良好收率和对映选择性的有机硅化合物。相比之下，非端烯或类似物的不对称硅氢化反应并不常见，同时，对于活性烯烃的不对称硅氢化反应目前也鲜有人报道。例如，EWG活化的烯烃进行硅氢化反应，极易形成还原产物，尤其对于α,β-不饱和羰基化合物，除还原产物外，还可能形成α-加成物、β-加成物，以及根据不同反应位点形成的缩醛。尽管已经做出诸多努力用于实现α,β-不饱和羰基化合物的化学或区域选择性硅氢化反应，但只有少数例子得以报道，同时关于对映选择性的硅氢化反应尚未见报道。
（来源：Nature Communications）
通过实验室已建立起的钯/膦配体催化体系，作者筛选了一系列手性膦配体，结果发现大部分市售膦配体(R)-BINAP，(R)-MOP和其他膦配体均会得到大量的双键还原产物4a，仅含痕量的所需产物3a。在配体筛选中发现，只有带有苯环类大体积基团的手性TADDOL衍生的亚磷酰胺配体才能得到中等收率的硅基酰亚胺产物。在60 oC下，通过Pd与L12的作用，以68%的收率和94%ee得到了所需产物。这些实验数据表明，手性膦配体的空间位阻抑制了双键还原副反应的进行，但仍然能检测到少量的副产物4a（32% yield），这意味着还原产物的形成在硅碳偶联过程中有部分活化的Si-H键上的H转移到Pd-Si键上。在其余条件不变下，温度下降到50 oC，溶剂改为甲苯，Pd2(dba)3/L12被确定为该体系中的最优催化剂（93% yield，96% ee）。值得注意的是在实验中，较高的温度有利于不对称硅氢化反应的进行，不利于双键还原，但对映选择性会有所下降。
随后，作者考察了该反应的普适性，各种带有N-芳基的马来酰亚胺，无论是带吸电子还是给电子的马来酰亚胺（1a-1w）都能与二苯基甲基硅烷完全反应，以优异的对映选择性（93-99% ee）和良好的收率（up to 99%）得到对应的硅基酰亚胺3a。值得注意的是，N-无取代的马来酰亚胺1x同样能顺利反应，因此得知在硅碳偶联过程中N-H对反应是无影响的，尽管它所对应的产物只得到69%的收率和81%ee。此外，N-烷基马来酰亚胺（1y-1bb）与N-芳基马来酰亚胺有着相似的反应性，同样得到优异的对映选择性。带有N或S杂环底物也能在优化后的条件下顺利反应，得到相应产物（3cc或3dd，84% yield，96% ee）。
在进行底物扩展研究中发现，当使用在N-芳基的邻位存在取代基时，通过核磁判断可以明显观察到产物（3ee、3ff）存在非对映异构体。随着加大取代基的位阻可以发现，当取代基为叔丁基时能够有效控制轴手性。值得注意的是，当两边邻位均存在取代基（3hh）时，产物的阻转异构体能够得以稳定地形成，使两种非对映异构体都能通过柱层析技术分离。
为了通过不对称硅氢化反应构建轴手性，作者设想在钯催化的远程控制过程中，在N-芳基马来酰亚胺的两个邻位引入取代基用来稳定阻转异构体。当使用联芳基马来酰亚胺时，未观察到该过程对化学和立体选择性有不利影响，并且所有阻转异构体硅基酰亚胺同时含有碳手性中心，同时绕C-N轴旋转具有高能垒（例如，化合物5a的旋转能垒为44.2 kcal/mol），以中等到高的收率（up to 97%）和良好的对映选择性（up to 95%）以及非对映选择性（up to >99:1）得到相应产物。
为进一步研究该类该硅氢化反应的实用性，作者基于底物1a的反应进行了克级合成，在同等反应条件下，结果表明其仍具有相当高的ee值。之后便是对其产物进行一系列衍生化反应，如将含碳手性中心的3a可转化为一系列吡咯烷衍生物。在Fleming-Tamao氧化条件下，可合成手性N-芳基氨基醇7，同时保留高ee值的碳手性中心，这为合成手性氨基醇提供了新策略。并在自由基诱导的N-芳基吡咯烷与碘叶立德的环化反应中，发现硅基大位阻基团的占位效应可发挥重要的影响作用，在反应中可以良好的对映选择性和中等的非对映选择性获得相应产物。在光催化环加成反应体系中，作者验证了可将易于离去的手性硅基团用于诱导产生新的手性中心这一新思路，有望将这一策略用于填补无手性金属体系参与的光催化往往难以构建手性中心的缺憾，实现有机硅化学与当前多样性合成化学策略的完美结合。
上述研究工作发表于Nature Communications （Nat. Commun. 2020, 11, 2904），其中第一作者为2018级硕士顾幸威同学。
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（2）最新系列性进展之二（iScience）：基于不对称铑催化活化Si-H键实现了硅手性中心的高立体选择性构建
（来源：iScience）
最近，徐利文课题组成功地将自主设计开发的多官能化膦配体Ar-BINMOL-Phos应用于不对称铑催化炔烃的分子内硅氢加成反应，首次基于硅氢键活化过程实现了硅手性中心苯并噻咯的催化构建，该类化合物表现出了显著的聚集诱导发光和圆偏振光效应，其相关成果以“Catalytic Asymmetric trans-Selective Hydrosilylation of Bisalkynes to Access AIE and CPL-Active Silicon-Stereogenic Benzosiloles”为题发表在Cell旗下子刊iScience上。
噻咯（silole）是环戊二烯的一种硅类似物，故又称为硅杂环戊二烯或硅咯，与其他五元环相比，由于硅原子与相邻的丁二烯存在σ*-π*共轭作用，使得五元环的最低空轨道（LUMO）能低于常见的五元芳香环，如吡咯、呋喃、噻吩等，这个特点赋予了噻咯这一类化合物具有高的电子接受能力，使它们在光电材料等领域具有广泛的应用前景，在过去近60年里倍受关注，如2001年唐本忠院士等人发现噻咯类化合物表现出与大多数有机发光材料不同的发光现象，在溶液状态下不发光，而在固体状态或聚集成纳米颗粒时呈现很强的发光状态，为此提出了聚集诱导现象（Aggregation induced emission, AIE）这一新概念，从而推动了该类化合物作为光电材料以及在生物、化学传感器领域中的广泛应用。尽管噻咯类化合物已受到大量关注，但是含手性基团或硅手性的噻咯类化合物极少被关注，主要是通过利用碳氢活化的分子内环化反应过程实现了催化构建硅手性中心的二苯并噻咯方面。最近，徐利文课题组设计了一类硅氢桥连双炔化合物并利用分子内硅氢加成反应来构建含硅五元环，然而与传统的硅氢加成反应不同的是，该类硅氢加成需要以反式加成模式才有可能发生，而传统的过渡金属催化很难用于反式硅氢加成反应，因此对催化剂提出了更高的要求。作者在评价过渡金属催化体系及优化反应条件的初步研究中发现，传统意义上的商品化手性单膦或双膦配体难以获得理想的立体选择性，而该课题组自主设计开发的含有手性醇和酚基官能团的膦配体在铑催化该类反应中表现出突出的立体选择性诱导能力，经过对其反应参数的细致优化，最终发现在催化量的叔丁醇钾促进下，可形成有效的手性铑催化体系并获得理想的立体选择性，可适用于结构多样性的硅氢桥连二炔并表现出优异的反应性能，充分显示出多官能化膦配体Ar-BINMOL-Phos在铑催化硅氢加成反应中的独特优势。作者通过大量的实验进一步验证了该类多官能化多中心的（multi-functional and multi-center，简称MFMC）膦配体在铑催化活化硅氢键及对炔烃的去对称化识别活化中具有关键作用，该工作设计的MFMC配体主导的催化策略为活化铑催化体系提供了全新的思路。
（来源：iScience）
相关成果近期发表在iScience上（DOI: 10.1016/j.isci.2020.101268）， 2018级硕士研究生汤仁和为第一作者，徐征博士为共同第一作者。
上述两项系列性研究成果得到了国家自然科学基金项目和浙江省自然科学基金重点项目以及化学A类一流学科及杭州师范大学卓越拔尖人才计划等项目经费的支持。
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