【人物与科研】南开大学汪清民课题组Org. Lett.：光催化的烷基硅烷脱氢构筑γ,γ-偕二氟烯丙基硅

导语

含氟化合物具有膜渗透性、抗代谢稳定性、热稳定性和化学稳定性等特点，在农药、医药及高分子功能材料中有着非常广泛的应用。偕二氟烯烃单元是含氟化合物中的重要化合物，它不仅将氟原子的生物特性引入目标分子使其发挥出独特的功能，而且，偕二氟烯烃还可以模拟羰基化合物的反应性质和功能。近日，南开大学汪清民教授课题组在这一领域取得重要进展，在光催化条件下通过奎宁环作为氢原子转移试剂脱去硅氢得到硅自由基，此自由基通过和α-三氟甲基苯乙烯加成，然后通过还原氟消除的策略高效的合成γ,γ-偕二氟烯丙基硅。相关研究成果发表于Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01448）。

前沿科研成果

光催化的烷基硅烷脱氢合成γ,γ-偕二氟烯丙基硅

有机氟化合物具有膜渗透性、抗代谢稳定性、热稳定性和化学稳定性等特点，在农药、医药及高分子功能材料中有着非常广泛的应用，偕二氟烯烃单元是含氟化合物中的重要化合物，它不仅将氟原子的生物特性引入目标分子使其发挥出独特的功能，而且，偕二氟烯烃在某些关键分子中还可以模拟羰基化合物的反应性质和功能。在许多具有药理活性的含氟分子在核心骨架中具有二氟烯烃部分（方案1A）。例如，当青蒿素的羰基被二氟烯烃基团取代时，所得分子的抗疟活性显着高于母体分子。
在过去的几十年中，许多研究团队在构建偕二氟乙烯基单元付出了相当大的努力，传统的方法是使用三氟甲基烯烃与较强的亲核试剂，例如强碱、有机锂和格氏试剂等。这些方法往往反应条件苛刻，且官能团的耐受性较差。随着光催化和过渡金属催化的兴起，可见光催化实现在温和的条件下构筑偕二氟烯烃。然而，迄今为止，这些方法的底物范围仅限于烷基/羰基自由基前体。在 2020 年，Wang小组描述了使用NHC-BH₃配合物对带有吸电子基团的三氟甲基烯烃进行选择性光催化脱氟硼化。同年，Wu和Yang课题组也独立报道了三氟甲基烯烃与NHC-BH₃配合物的光催化硼化反应。
有机硅烷在材料科学和药物化学中有许多用途。Speier和Karstedt开发的铂催化剂已被有效地用于直接活化Si-H键。此外，在过去十年中，许多课题组也利用光催化的手段推进了有机硅化学的发展。
由于偕二氟烯烃和有机硅烷都是特别有趣的化合物，在材料科学和药物化学中具有重要和独特的应用。作者设想通过结合HAT和光催化制备具有有机硅和有机氟部分的化合物（方案1D）。

图1. 代表性光催化下构筑偕二氟烯基的策略（来源：Org. Lett.）

作者使用奎宁环（20 mmol%）作为HAT催化剂，进行了三氟甲基取代的芳基烯烃1（1.0 equiv.）和叔丁基二甲基硅烷（2, 3.0 equiv.）作为模型底物的反应，经过一系列的条件筛选，拿到了最优的反应条件：Ir[dF(CF₃)ppy]₂(dtbbpy)PF₆作光催化剂，吡啶作为碱，奎宁环作为HAT试剂，乙腈作为溶剂在蓝光灯下反应36小时，以80%的收率得到产物。对照实验表明，在没有碱、奎宁环、光催化剂或光的情况下，反应无法进行（条目9-12）。当反应在空气中进行时，3的产率仅为20%。

表1. 反应条件的筛选（来源：Org. Lett.）

筛选出了最优条件后，作者继续对该反应的底物适用性进行探索（图1）。当芳基烯烃的苯环的对位被叔丁基、甲基或甲氧基等供电子基团取代时，可以中等至优异的产率获得相应的产物 4-10 (68–89%)。芳基取代基，无论其位置如何，对产率的影响很小（11-16, 69-75%）。然而，当 α-三氟甲基苯基烯烃底物具有氯原子 (17-19) 时，产率稍低，并且间氯产物 (18) 的产率低于对-和邻-氯的产率（17和19）。二取代的 α-三氟甲基苯基烯烃以中等收率得到20-23。当使用带有 9,9'-螺二[芴]-2-基、二苯并噻吩-4-基和萘-2-基的α-三氟甲基烯烃时，以中等收率得到相应的产物 24-26。有趣的是，当苯环的对位被强吸电子基团取代时，三氟甲基化合物27和28是主要产物。作者认为该反应是通过碳负离子中间体进行的，并且该中间体被吸电子基团稳定，因此使氟离子的消除更加困难。最后将该方法成功推广到其他烷基取代硅烷；硅烷化产物29和30的产率分别为83%和85%。然而，芳基硅烷如苯基硅烷、二苯基硅烷、三苯基硅烷和甲基二苯基硅烷，与反应条件不相容。

图2. 底物适用范围（来源：Org. Lett.）

为了证明该反应的实用性，作者在标准的条件下进行了克级制备以及对复杂的天然分子和药物进行了衍生修饰，来证明该反应有很好的应用性。

图3. 该反应的实用性（来源：Org. Lett.）

根据实验结果和以前的文献报道，作者提出了该反应的可能机理：首先，光催化剂在470 nm的光照下跃迁到激发态，激发态的光催化剂为被奎宁环淬灭，形成物种37和Ir²⁺物种。然后，37经历一个与硅烷的氢原子转移过程，生成硅烷基自由基38，它与 α-三氟甲基烯烃加成得到苯乙烯碳自由基39。Ir²⁺对39进行单电子还原生成苯乙烯碳负离子中间体40，然后经过 β-氟化物消除反应得到目标产物并完成光氧化还原循环。

图4. 可能的反应机理（来源：Org. Lett.）

总结：作者提出了一种操作简单、温和的方案，通过光氧化还原催化和HAT的组合将烷基硅烷转化为γ,γ-二氟烯丙基化合物。其温和的条件使其适用于复杂天然产物和药物的后期功能化。本篇工作通讯作者为董建洋博士后和汪清民教授，博士生岳福阳为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金（21732002、22077071）和南开大学有机新物质创造前沿科学中心（63181206）的资助。

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汪清民课题组简介

南开大学汪清民课题组隶属于南开大学元素有机化学国家重点实验室和化学学院及天津化学化工协同创新中心。目前课题组拥有老师和研究生20多人。研究方向为生态农药、药物创制及环境友好的绿色合成反应。承担全国优秀博士学位论文作者专项资金、国家自然科学基金、国家科技支撑计划、973项目、国家重点研发计划、国家重大专项、教育部重点项目、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、高等学校博士学科点专项科研基金等四十多项科研项目。先后在J. Agric. Food Chem.、Pest Manag. Sci.、Sci Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS.Catal、 Chem. Sci.、Green Chem.、ChemSusChem.、ACS Sustainable Chem. Eng. 、Arthritis & Rheumatism、J. Med. Chem.、Org. Lett.、Chem. Commun.等杂志上发表论文200余篇，申请了100多项中国和美国及欧洲等发明专利，已授权60多项中国和美国及欧洲等发明专利，出版著作4部（章）。发明了仿生农药拟除虫菊酯系列产品和重大农药品种及高端精细化学品的清洁生产新方法，已成功应用于工业化大生产，产生了巨大的经济效益。创制了多个超高效的植物病毒病防治药剂和绿色杀虫杀螨剂候选品种以及国家Ⅰ类新药，处于产业化开发的不同阶段。培养毕业了30多名博士生和50多名硕士生，毕业研究生获得了全国优秀博士学位论文提名奖、天津市优秀博士学位论文、南开大学优秀博士学位论文、南开大学优秀硕士学位论文和国家奖学金等。

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