論文DOI: 10.1002/anie.202205624
本文報(bào)道了鈷催化的1,3-共軛二烯與前手性二氫硅烷的分子間不對稱的硅氫化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了首例同時(shí)構(gòu)建硅中心手性和碳中心手性的分子間硅氫化反應(yīng)，高效、高對映選擇性和非對映選擇性的構(gòu)建了一系列的非環(huán)狀的手性單氫硅烷化合物。碳中心手性化合物在生命的演化進(jìn)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，作為同一族的硅，其地殼中的含量占比高達(dá)28%，但是硅手性中心的化合物在自然界中卻不存在。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)將碳中心手性替換成相應(yīng)的硅中心手性，將引起化合物理化性質(zhì)的明顯改變，這激發(fā)了科學(xué)家們創(chuàng)造并研究這一特殊物種的極大興趣。前手性二氫硅烷的去對稱化反應(yīng)是構(gòu)建硅中心手性的一個(gè)重要策略，相比于分子內(nèi)的二氫硅烷的去對稱化反應(yīng)，分子間的反應(yīng)由于構(gòu)象靈活，不易形成緊密的環(huán)狀過渡態(tài)，因而其硅中心手性的構(gòu)建更為困難，此前的報(bào)道往往需要其二氫硅烷底物上帶有特定的大位阻取代基才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的對映選擇性的控制。硅氫化反應(yīng)是構(gòu)建有機(jī)硅化合物最簡潔的方法之一，構(gòu)建碳中心手性的碳碳不飽和鍵的不對稱硅氫化反應(yīng)已經(jīng)被大量報(bào)道，對于同時(shí)構(gòu)建硅中心手性和碳中心手性的不對稱硅氫化反應(yīng)目前報(bào)道較少且僅局限于分子內(nèi)的反應(yīng)。基于以上研究現(xiàn)狀及面臨的問題，鈷作為第一過渡金屬中的代表性元素，具有豐富的氧化態(tài)和配位數(shù)，因此常常具有更多樣化的反應(yīng)模式。中國科學(xué)院上海有機(jī)所孟繁柯課題組致力于發(fā)展鈷催化的新型不對稱加成反應(yīng)。作者設(shè)想能否利用前手性二氫硅烷的去對稱化策略，實(shí)現(xiàn)二烯底物的分子間不對稱硅氫化反應(yīng)，反應(yīng)過程中同時(shí)構(gòu)建硅中心手性和碳中心手性，由此構(gòu)建了含硅手性中心和碳中心手性的非環(huán)狀單氫硅烷化合物。在建立好反應(yīng)條件的基礎(chǔ)上，作者首先對二烯底物進(jìn)行了擴(kuò)展（圖1），結(jié)果表明，對于各種芳基，雜芳基、烷基取代的1,3-共軛二烯、1,3,5-三烯和含有三取代烯烴的1,3-共軛二烯均可以很好的適用于該反應(yīng)。產(chǎn)物的絕對構(gòu)型由(S)-萘普生衍生的1,3-共軛二烯與聯(lián)苯基取代的硅烷反應(yīng)得到的產(chǎn)物（3y）的單晶X衍射確定。隨后，作者對二氫硅烷進(jìn)行了底物擴(kuò)展（圖2），結(jié)果表明，各種一級烷基、環(huán)丙基、烯丙基、烯基取代的二氫硅烷和一系列各種芳基、雜芳基取代的芳基甲基硅烷均可以適用于該反應(yīng)。值得注意的是，對于含有苯乙烯基團(tuán)的硅烷底物（5o），反應(yīng)可以以專一的化學(xué)選擇性發(fā)生硅氫化反應(yīng)。對硅手性中心化合物的多樣性轉(zhuǎn)化是有機(jī)合成中的研究熱點(diǎn)之一，由于硅手性中心相比碳手性中心而言更易發(fā)生消旋化，因此在轉(zhuǎn)化過程中對硅中心的手性保持是重要目標(biāo)。產(chǎn)物3b可以發(fā)生鈀催化的與芳基碘苯的偶聯(lián)反應(yīng)和鉑催化的與內(nèi)炔、烯烴的硅氫化反應(yīng)，得到新的手性保持的四取代硅中心產(chǎn)物（7，11，13）。產(chǎn)物3b的雙鍵可以在DPEphos配位的離子型銠催化下發(fā)生氫化，得到非活化烯烴發(fā)生馬氏硅氫化反應(yīng)的產(chǎn)物（8）。▲圖3.克級反應(yīng)及官能團(tuán)化
為了探究反應(yīng)的機(jī)理，作者進(jìn)行了一系列的控制實(shí)驗(yàn)、氘代實(shí)驗(yàn)和動力學(xué)實(shí)驗(yàn)（圖4）?？刂茖?shí)驗(yàn)表明：鈷鹽的堿性配陰離子和NaHBEt3 的作用可能是促使Co-H 物種的生成；碳中心手性的控制與硅烷有關(guān)，Co-H物種與二烯發(fā)生加成反應(yīng)是無法解釋該現(xiàn)象；Z式二烯在反應(yīng)過程中不發(fā)生反應(yīng)且沒有異構(gòu)化，可能由Co-H物種與二烯發(fā)生加成反應(yīng)生成的烯丙基鈷物種在反應(yīng)中沒有生成。結(jié)合對二烯底物的Hammett-plot的實(shí)驗(yàn)分析（祥見文中），ρ值為-0.41，供電子基有利于穩(wěn)定反應(yīng)的過渡態(tài)，符合Co-Si加成時(shí)的過渡態(tài)，表明反應(yīng)機(jī)理可能是Co-Si物種與二烯發(fā)生加成反應(yīng)。氘代實(shí)驗(yàn)表明Co-Si對雙鍵的加成不可逆，生成的烷基鈷物種沒有發(fā)生β-H消除和再插入。平行動力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明Si-H鍵的斷裂是十分快的，產(chǎn)物Si-H鍵可以在反應(yīng)條件下發(fā)生立體化學(xué)保持的氫/氘交換。結(jié)合機(jī)理實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)相關(guān)報(bào)道，作者提出了可能的機(jī)理（圖5）：二價(jià)鈷催化劑在NaHBEt3和硅烷作用下立體選擇性的生成硅立體中心的Co-Si物種III （路徑A）。也有可能Co-Si物種（II 和 III）生成的非對映選擇性很差（路徑B），但是非對映異構(gòu)體II與二烯反應(yīng)很慢，然后它可以與硅烷發(fā)生快速的σ-復(fù)分解再次生成Co-Si物種的兩個(gè)非對映異構(gòu)體（II 和 III），即物種II 和 物種III之間存在一個(gè)動態(tài)平衡，由于物種III持續(xù)被消耗，因而驅(qū)動物種II 和物種 III的平衡向生成物種III的方向進(jìn)行，即動態(tài)動力學(xué)轉(zhuǎn)化。物種III 與二烯的末端碳碳雙鍵發(fā)生區(qū)域選擇性的不對稱加成反應(yīng)，構(gòu)建碳立體中心，生成高烯丙基鈷物種IV，這樣的區(qū)域選擇性是為了避免大位阻的鈷中心與二取代烯烴之間的立體位阻排斥（V）。然后高烯丙基鈷物種IV與硅烷發(fā)生快速的σ-復(fù)分解再次生成催化的Co-Si物種III和產(chǎn)物。值得注意的是，碳立體中心和硅立體中心的生成是在兩個(gè)不相關(guān)的獨(dú)立的反應(yīng)步驟，手性催化劑可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)手性中心的高選擇性構(gòu)建是極具有挑戰(zhàn)性的。孟繁柯課題組發(fā)展了首例同時(shí)構(gòu)建硅中心手性和碳中心手性的分子間硅氫化反應(yīng)，利用易于合成且種類多樣的前手性二氫硅烷底物的去對稱策略，利用一種廉價(jià)易得的鈷催化劑實(shí)現(xiàn)了1,3-共軛二烯的區(qū)域選擇性、非對映選擇性、對映選擇性的分子間硅氫化反應(yīng)。機(jī)理研究表明，Co-Si物種對二烯發(fā)生不對稱加成反應(yīng)，產(chǎn)物的手性Si-H鍵可以生快速的立體化學(xué)完全保持的σ-復(fù)分解得到氫氘交換的產(chǎn)物。https://www.x-mol.com/university/faculty/46702https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202205624
