論文DOI：10.1021/acscatal.1c05831 硅雜環(huán)是含硅功能分子中最重要的核心結(jié)構(gòu)之一。由于缺乏通用和高效的合成方法，目前硅雜環(huán)的結(jié)構(gòu)多樣性非常受限。近日，四川大學(xué)華西藥學(xué)院宋振雷課題組與四川大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院蘇志珊教授課題組合作，報(bào)道了過渡金屬催化的環(huán)丁硅與聯(lián)烯酸酯的[4+2]-擴(kuò)環(huán)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)外烯基酯取代的硅雜環(huán)己烷的高效合成。
硅和碳同屬第IV主族，但分屬第三和第二周期。因此，二者的理化性質(zhì)既有相似性，也存在較大的不同。這種“同異共存”的特點(diǎn)使得硅成為了碳理想的生物電子等排體。相應(yīng)的“碳-硅替代”策略也因此被廣泛地應(yīng)用于含硅藥物、材料分子的功能分子的創(chuàng)制(圖1.)。硅雜環(huán)是含硅功能分子中最重要的核心結(jié)構(gòu)之一。但由于缺乏通用和高效的合成方法，目前硅雜環(huán)的結(jié)構(gòu)多樣性仍然非常有限。
環(huán)丁硅是一類具有高環(huán)張力的小環(huán)含硅化合物，其能夠在過渡金屬催化下通過環(huán)內(nèi)Si-C鍵的活化與不同的合成子發(fā)生擴(kuò)環(huán)反應(yīng)，從而構(gòu)建五元、六元、七元硅雜環(huán)化合物（圖2.）。但是我們發(fā)現(xiàn)，關(guān)于環(huán)丁硅與聯(lián)烯的擴(kuò)環(huán)反應(yīng)研究僅有極少數(shù)的報(bào)道。該反應(yīng)在選擇性控制方面存在四個(gè)挑戰(zhàn)：（1）區(qū)域選擇性：雙鍵插入時(shí)，存在末端和內(nèi)部兩種不同的區(qū)域選擇性。（2）化學(xué)選擇性：環(huán)丁硅既可以發(fā)生擴(kuò)環(huán)，也可以發(fā)生開環(huán)。（3）構(gòu)型選擇性：生成的環(huán)外雙鍵可以是Z或E構(gòu)型。（4）對映選擇性：當(dāng)反應(yīng)生成手性硅中心時(shí)，如何控制其對映選擇性。▲圖2.硅雜環(huán)丁烷的擴(kuò)環(huán)反應(yīng)及存在的挑戰(zhàn)
通過反應(yīng)條件的篩選與優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)：在Pd(dba)2和缺電子膦配體催化下，環(huán)丁硅與非取代聯(lián)烯酸酯的擴(kuò)環(huán)反應(yīng)選擇性地生成Si?Cβ鍵，并給出2-(E)-烯酸酯取代的硅雜環(huán)己烷。當(dāng)使用TADDOL類型的手性亞膦酰胺配體時(shí)，上述反應(yīng)能夠以不錯(cuò)的對映選擇性構(gòu)建硅手性中心。形成鮮明對比的是，在PtCl2催化體系下，環(huán)丁硅與α-取代聯(lián)烯酸酯的擴(kuò)環(huán)反應(yīng)選擇性地生成Si?Cγ鍵，以良好的收率給出3-(E)-烯酸酯取代的硅雜環(huán)己烷（圖3.）。
▲圖3.硅雜環(huán)丁烷與聯(lián)烯酸酯的擴(kuò)環(huán)反應(yīng)
蘇志珊教授團(tuán)隊(duì)對反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的理論計(jì)算。理論計(jì)算表明，在Pd催化體系下（圖4.），遷移插入和還原消除步驟同時(shí)決定了擴(kuò)環(huán)反應(yīng)的區(qū)域和Z/E選擇性，在四種可能的反應(yīng)途徑中，β,γ/E途徑是最有利的，從而給出2-(E)-烯酸酯取代的硅雜環(huán)己烷4-E產(chǎn)物，這與實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果一致。同時(shí)，在Pt催化體系下（圖5.），由于Pt(0)與酯基的配位作用，以及為了使α-CH3和SiPh2基團(tuán)之間的空間排斥最小化，反應(yīng)優(yōu)先選擇γ,β/E途徑，并生成3-(E)-烯酸酯取代的硅雜環(huán)己烷5-E為主要產(chǎn)物，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。本工作研究了環(huán)丁硅與聯(lián)烯酸酯的擴(kuò)環(huán)反應(yīng)。在Pd催化下，環(huán)丁硅與非取代聯(lián)烯酸酯的反應(yīng)選擇性地生成2-(E)-烯酸酯取代的硅雜環(huán)己烷；而在Pt催化下，環(huán)丁硅與α-取代聯(lián)烯酸酯的反應(yīng)則選擇性地生成3-(E)-烯酸酯取代的硅雜環(huán)己烷。這種可調(diào)控的擴(kuò)環(huán)反應(yīng)選擇性不僅豐富了環(huán)丁硅的反應(yīng)性質(zhì)，同時(shí)對深入理解過渡金屬催化的Si-C鍵活化也有重要的參考意義。宋振雷，四川大學(xué)華西藥學(xué)院藥物化學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師。1996年考入蘭州大學(xué)化學(xué)系基地班。2000-2005年碩博連讀，師從中國科學(xué)院院士涂永強(qiáng)教授進(jìn)行有機(jī)化學(xué)專業(yè)科學(xué)研究。2005至2008年，赴美國明尼蘇達(dá)大學(xué)化學(xué)系、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校藥學(xué)院從事博士后研究，師從Richard. P Hsung 教授。2008年3月回國至今受聘于四川大學(xué)華西藥學(xué)院。課題組自2008年成立以來，長期致力于有機(jī)硅功能分子的高效創(chuàng)制及應(yīng)用研究，并形成了 “偕二硅” 和 “硅雜環(huán)”兩個(gè)系統(tǒng)的研究方向。迄今在Chem. Rev, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Prod. Rep, Chem. Commun., Org. Lett.等國際高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文50余篇。榮獲2013年中國化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)、2018年四川省青年科技獎(jiǎng)等各類獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)8項(xiàng)。2017年獲國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目資助。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c05831
