摘要：本文報道了一種銅催化的多種簡單烯類化合物的區(qū)域聚硅氫加成反應。線性和支鏈烯丙基硅烷是通過合理選擇溶劑形成的。此外，在前所未有的不對稱丙二烯硅氫加成反應中，借助C2對稱雙膦配體，支鏈烯丙基硅烷獲得了高對映選擇性（高達97%對映體過量）。
介紹：在各種有機硅烷中，烯丙基硅烷在有機合成和材料科學中的合成和功能應用排名較高。因此，人們開發(fā)了不同的方法來獲取這些化合物。（2） 從合成效率和原子經(jīng)濟性的角度來看，烯丙基硅烷的催化直接硅氫化反應是合成烯丙基硅烷的最佳選擇之一。然而，由于在烯部分中存在多個反應位點，因此該反應的區(qū)域選擇性和立體選擇性的控制相當具有挑戰(zhàn)性。最近，已經(jīng)成功建立了幾個涉及Pd、Ni、Rh、Au、Co、Mo、Al的金屬催化系統(tǒng)，以及一個偶發(fā)的光催化案例，以制備具有特定構型的烯丙基硅烷或乙烯基硅烷（方案1a）。相比之下，支鏈烯丙基硅烷的高對映選擇性合成仍然極具挑戰(zhàn)性，因為同時控制區(qū)域選擇性和對映選擇性是必需的。目前，報道的獲取這類對映體富集的烯丙基硅烷的方案包括以下幾個例子：（1）鈀催化的鹵代乙烯與α-硅基取代的格氏試劑的交叉偶聯(lián)，（2）鎳催化的鹵代乙烯與α-硅基氯化芐的交叉偶聯(lián)，（3）鈀催化的二氟（苯基）硅烷與1,3-二烯的加成，（4）銅催化的有機金屬硅試劑烯丙基取代，（5）銠或銅催化的類卡賓Si–H插入，（6）鎳催化的1,3-二烯與硅硼烷和醛的三組分偶聯(lián)。除了這些方法之外，γ-硅基烯丙醇衍生物的不對稱烯丙基取代是合成對映體富集烯丙基硅烷的替代策略。最近，Ge等人和Huang等人報道了使用氫硅烷對1,3-二烯進行的共催化對映選擇性Markovnikov 1,2-硅氫加成反應。在這項工作中，內(nèi)部烯丙基硅烷產(chǎn)品以良好的產(chǎn)率和高對映體過量（ee）形成。
作為另一個理想選擇，對于烯丙基的硅氫加成反應制備富含對映體的烯丙基硅烷，到目前為止，Tang的團隊僅探索了一種使用鈀催化劑的底物（方案1b）。然而，所需產(chǎn)物的區(qū)域選擇性和對映選擇性不能同時得到很好的控制。因此，開發(fā)高效廉價的金屬催化烯烴硅氫加成反應是非常有必要的。與使用氫硅烷將銅-氫加成到烯的重大進展相比，銅催化的不飽和鍵的直接氫硅烷化反應很少被探索。結合對構建C–Si鍵的持續(xù)興趣和之前關于功能化手性烯丙基硅烷開發(fā)的工作，在此，作者想報告銅催化的烯丙基硅烷與氫硅烷的區(qū)域聚硅氫化反應，以高收率和對映選擇性提供相應的烯丙基硅烷（方案1c）。
結果和討論
反應優(yōu)化：最初，以1-苯基丙烯（1a）和PhSiH3（2a）為模型底物，研究了銅催化的烯烴硅氫加成反應，結果總結在表1中。在60°C的環(huán)己烷中，用10 mol%CuTC和CyJohnPhos（L1）在1.5 h內(nèi)進行反應，并輸送兩種產(chǎn)物，確定為線性和分支硅氫加成異構體（條目1）。為了提高選擇性，作者首先在環(huán)己烷中使用CuTC作為催化劑測試了不同的雙膦配體（條目2-6）。令人高興的是，當使用10 mol%的Cy-Xantphos（L6）作為配體時，以84:16（支鏈：線性，b:l，4a:3aa）的比率（條目6）以88%的總產(chǎn)率獲得烯丙基硅烷產(chǎn)物。此外，發(fā)現(xiàn)降低溫度有利于產(chǎn)物（±）-4a的形成（條目7-9）。當溫度降到?10℃時，在5 mol%CuTC和5 mol%配體L6存在下，區(qū)域選擇性比提高到94:6（b:l）。將苯基硅烷的負載量降低至1.5當量對產(chǎn)率和區(qū)域選擇性沒有顯著影響（條目10）。受這一有希望的結果的鼓舞，作者進一步評估了基本條件下的各種Cu（I）和Cu（II）（條目11-16）。不幸的是，觀察到的選擇性顯著降低。此外，還對各種溶劑進行了篩選。在戊烷、甲苯、四氫呋喃或Et2O中，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物的區(qū)域選擇性非常相似（條目17-20）。值得注意的是，在鹵化溶劑中，區(qū)域選擇性完全顛倒。因此，線性烯丙基硅烷產(chǎn)品3aa以80%的產(chǎn)率形成，并且在DCE中作為溶劑具有良好的l:b比（>98:2）（條目21）。接下來，在DCM中進行反應，獲得了93%的1H NMR產(chǎn)率和優(yōu)異的選擇性（條目22）。進一步降低溫度至30°C，并將催化劑/配體的負載量降至2 mol%（條目23），對產(chǎn)率和選擇性幾乎沒有影響。最后，發(fā)現(xiàn)1.1當量的PhSiH3足以提供良好的產(chǎn)品收率和區(qū)域選擇性（條目24）。
二烯烴線性選擇性硅氫化反應的底物范圍
在優(yōu)化的條件下，作者首先研究了單取代烯的底物范圍，以合成線性產(chǎn)物3（方案2）。在此，其他硅烷，如Ph2SiH2、nC8H17SiH3和Et2SiH2（2b–2d）也被識別和耐受，但Et3SiH、（EtO）3SiH和BnMe2SiH不能產(chǎn)生所需的產(chǎn)物。值得注意的是，苯環(huán)上具有不同取代基（包括供電子基團和吸電子基團）的烯丙基硅烷都以高產(chǎn)率和優(yōu)異的區(qū)域選擇性（3aa–3la）生產(chǎn)出所需的線性烯丙基硅烷。當使用大體積基團取代的脂肪族烯（如1m和1n）時，在不損失效率和區(qū)域選擇性的情況下獲得相應的所需產(chǎn)物。然而，脂肪族烯類（1o–1s）不適合與PhSiH3進行線性硅氫加成反應，提供較差的l:b比率（3oa–3sa）。另一方面，大多數(shù)烯類化合物（1d–1n）通過用Ph2SiH2取代PhSiH3表現(xiàn)出類似的反應性。值得注意的是，盡管需要更高的催化劑負載量，但與使用PhSiH3相比，相應的線性烯丙基硅烷（3ob–3sb）的區(qū)域選擇性更好。
在與單取代二烯相同的條件下檢查1,1-二取代末端二烯（方案3）。研究發(fā)現(xiàn)，1-甲基-1-苯基丙二烯及其衍生物在苯環(huán)上具有電子多樣性取代，均以良好的產(chǎn)率提供線性（E）-烯丙基硅烷（3a′a和3c′a–3h′a），具有良好的立體選擇性和區(qū)域選擇性。然而，當1-甲基-1-苯基丙烯（1a′）與環(huán)己烷中的苯基硅烷而不是DCM（3a′a）反應時，未檢測到支鏈烯丙基硅烷產(chǎn)物。此外，當用乙基和正丁基取代甲基時，得到了所需的產(chǎn)物（3b′a和3m′a），E/Z比略有降低。此外，2-萘基（1i′）和受保護的3-吲哚烯（1j′）也具有良好的耐受性，從而得到相應的產(chǎn)品，效果良好。對于體積較大的1-甲基-1-環(huán)己烯作為底物，觀察到E/Z比（3k′a）降低。此外，1,1-二正丁烯與PhSiH3或Ph2SiH2反應平穩(wěn)，分別以良好的產(chǎn)率得到所需的產(chǎn)物3l′a或3l′b。此外，1,3-二取代、三取代和四取代的二烯是這種轉(zhuǎn)化不成功的底物，這可能是因為它們的取代基造成了很大的空間位阻。
溶劑效應的密度泛函理論研究
為了了解區(qū)域選擇性的溶劑依賴性，進行了DFT計算（詳情見SI）。計算表明，與文獻報道一致的是，最初形成的Cu–H中間體添加到形成相對穩(wěn)定的末端烯丙基銅中間體（int3 CyH和int3 DCM）的二烯上。隨后，在環(huán)己烷溶劑中，六元環(huán)過渡態(tài)TS2 CyH被定位，具有19.4 kcal/mol勢壘，比四元環(huán)過渡結構TS3 CyH低3.0 kcal/mol（方案4a）。相比之下，在DCM中，經(jīng)過多次嘗試后，無法找到類似的循環(huán)過渡結構；相反，發(fā)現(xiàn)銅催化劑首先發(fā)生解離，解離物種cat Cu（TS2-DCM和TS3-DCM）同步激活PhSiH3（2a）（方案4b）。實際上，PES掃描顯示，二氯甲烷（DCM）中銅催化劑中C–Cu鍵解離的電子能壘僅為17.1 kcal/mol，這支持兩性離子中間體的形成。還研究了兩種過渡態(tài)結構（TS2-DCM和TS3-DCM）的靜電勢（ESP）圖（參見SI中的圖S4）。計算結果也支持兩性離子中間體的形成，可能是因為極性溶劑可以穩(wěn)定原位生成的兩性離子中間體。計算的區(qū)域選擇性也與實驗結果一致。
烯類化合物對映選擇性硅氫加成反應的優(yōu)化
基于上述研究，作者隨后開始開發(fā)支鏈烯丙基硅烷的對映選擇性合成（表2）。首先在優(yōu)化條件下測試了手性配體（R，R）-Ph BPE（條目9，表1）。不幸的是，化合物（S）-4a的對映體比例適中，b:l比例較差（條目1和條目2）。為了獲得高的區(qū)域選擇性和對映選擇性，還篩選了其他配體（條目3-5）。令人高興的是，發(fā)現(xiàn)（R）-3,5-tBu-MeOBIPHEP（L9）更有效地提供90%ee的所需產(chǎn)品，盡管具有中等的區(qū)域選擇性。值得注意的是，將Cu（OAc）2和配體的負載量降低到1 mol%對結果有積極影響（條目6和條目7），并且以82%的分離產(chǎn)率、93%的ee和高達96:4（b:l）的選擇性（條目7）獲得了所需的產(chǎn)物（S）-4a。
烯類化合物對映選擇性硅氫化反應的底物范圍
在優(yōu)化的條件下，一系列支鏈烯丙基硅烷可以以中到高的產(chǎn)率（74–98%）制備，并且具有優(yōu)異的區(qū)域選擇性和對映選擇性（方案5）。不同的芳香取代的烯丙基硅烷仍然表現(xiàn)出較高的反應活性，以形成相應的手性烯丙基硅烷產(chǎn)品，具有較高的區(qū)域選擇性和對映選擇性[（S）-4a-（S）-4k]。通過單晶X射線衍射分析確定了手性支化烯丙基硅烷產(chǎn)物（S）-4k的絕對構型。脂肪族取代的手性烯丙基硅烷產(chǎn)率較高，但對映選擇性（4l–4n）略有降低。其他硅烷，包括nC8H17SiH3、二乙基硅烷和二苯基硅烷，被發(fā)現(xiàn)在形成所需產(chǎn)品時不起作用。
克級反應、合成應用和氘標記反應
為了進一步展示合成用途，發(fā)現(xiàn)線性烯丙基硅烷3aa、支鏈烯丙基硅烷（±）-4a和對映體富集烯丙基硅烷（S）-4a的克級合成進展順利，且不損失區(qū)域選擇性或?qū)τ丑w選擇性（方案6a）。手性烯丙基硅烷4l可以進一步轉(zhuǎn)化為其他有用的化合物，而不會降低對映選擇性（方案6b）。首先，作為手性硅烷源的4l可以在銅催化劑和Cy-Xantphos（L6）存在下與苯基丙烯順利反應，以高收率提供叔硅烷5，且不會侵蝕對映選擇性。接下來，經(jīng)H2O2處理后，手性烯丙基硅烷4l可以以76%的產(chǎn)率轉(zhuǎn)化為相應的手性烯丙醇6。此外，當烯丙基硅烷4l在催化量的Cs2CO3存在下用1,4-丁二醇處理時，以65%的產(chǎn)率獲得手性二烷氧基硅烷7。最后，在標準條件下，同位素標記的底物（4-甲氧基苯基）硅烷-d3（2e）提供氘化產(chǎn)物8和9（方案6c）。
綜上所述，本文已經(jīng)開發(fā)了一種銅催化的高度區(qū)域、立體和對映選擇性的烯烴硅氫加成反應。具有芳香族和脂肪族取代基的多種單取代和1,1-二取代烯丙基與氫硅烷反應，得到相應的線性烯丙基硅烷或高度對映體富集的支鏈烯丙基硅烷。通過DFT計算研究，還討論了區(qū)域選擇性對溶劑選擇的依賴性。
Copper-Catalyzed Regiodivergent and Enantioselective Hydrosilylation of Allenes
Jian-Lin Xu, Zhe-Yuan Xu, Zi-Lu Wang, Wei-Wei Ma, Xin-Yue Sun, Yao Fu,* and Yun-He Xu* （中國科技大學化學系）
DOI: 10.1021/jacs.2c00260
