陆展课题组:区域选择完全可控的钴催化苯乙炔类化合物串联硅氢化/硼氢化反应

来源:浙江大学化学系 发布时间:2021-09-17   14


背景介绍:

发散性合成是有机合成领域一大重要的研究方向。其中,区域选择多样的不饱和烃加成反应可以发散性地合成多种区域异构体,具有反应高效,原子经济性高等优点。在该领域,以往的研究往往局限于单步加成反应的区域选择调控研究 ( Angew. Chem. Int. Ed.2004, 43, 3368; Chem. Soc. Rev.2011, 40, 4550; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 10954; Chem. Soc. Rev.2019, 48, 4515)对于涉及多步加成过程的反应来说,其潜在的区域选择更为多样复杂,控制其区域选择则更加困难。特别地,调控其中所有可能的加成区域选择仍是一个具有挑战性和重要意义的课题。

硅硼化合物作为一种性质稳定且转化多样的有机合成砌块已引起了化学家们的广泛关注,其合成方法也取得了飞速的发展 (1, a)。其中,炔烃串联双氢官能团化反应提供了一种高效的合成策略,理论上能以100%的原子经济性引入两个官能团和两个氢原子,且存在多种区域选择 (Chem. Rev.2013, 113, 6864; Chem. Commun.2020, 56, 2229)。因此,通过炔烃串联硅氢化/硼氢化反应可高效地、发散性地合成硅硼化合物。然而,该反应的实现极具挑战性,需要保证以下几点:(1) 对两步加成过程精确的区域选择控制;(2) 良好的化学选择性,特别是需要避免如氢化,过度硅氢化等副反应的发生;(3) 良好的反应兼容性,第二步硼氢化反应要与前一步的硅氢化反应条件相兼容,避免其对反应活性和选择性造成伤害。(1, b)

浙江大学化学系陆展课题组从2012年底组建以来长期致力于适用于铁、钴等地球丰产过渡金属的新型钳形 (pincer) 含氮配体的设计与合成 (Acc. Chem. Res. 2021, 54, 2701),并成功地应用于铁或钴催化的烯烃高选择性硼氢化 (Nat. Commun. 2018, 9, 3939; ACS Catal. 2019, 9, 4025)、硅氢化 (J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 5014; iScience2020, 23, 100985)、氢化 (J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 12433)、胺氢化 (Nat. Commun.2020, 11, 783)、异构化 (Org. Lett. 2020, 22, 837)、脱氢硅化 (Chin. J. Org. Chem. 2019, 39, 1704) 等反应,炔烃的高选择性硅氢化/氢化 (Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 10835; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 615)、硼氢化/氢化 (J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15316; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 690), 双硅氢化 (Chem 2019, 5, 881; Chin. J. Chem.2019, 37, 457 (Breaking report))、氢化/胺氢化 (J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 14455)等新型串联反应,以及酮的不对称还原反应 (Org. Lett. 2020, 22, 2532)近日,该小组利用串联催化策略,以不同的钴配合物作催化剂前体,首次系统研究并实现了区域选择完全可控的炔烃串联硅氢化/硼氢化反应,以优秀的区域选择性合成了四种不同的区域异构体,发散性地制备了硅硼化合物 (1, c)。相关成果最近发表在德国应用化学期刊上 (Angew. Chem. Int. Ed. doi.org/10.1002/anie.202109089)


1. 炔烃串联硅氢化/硼氢化反应

结果与讨论:

在条件筛选过程中,作者们发现不同的钴催化剂可以调控不同的加成区域选择。通过不同的催化剂组合,苯乙炔类化合物所有可能的加成区域选择皆可被实现,能以最高大于20/1的区域选择性合成四种区域选择不同的硅硼化合物异构体。在最优条件下,反应具有广阔的底物范围,良好的官能团容忍性,适用于各种苯乙炔类化合物的转化。(2及图3)

2. 底物范围(β-硅氢化/β-硼氢化及β-硅氢化/α-硼氢化)


3. 底物范围(α-硅氢化/α-硼氢化及α-硅氢化/α-硼氢化)


反应还可以很好地实现克级放大,从同一炔烃底物,高效、高选择地合成四种不同的区域异构体 (4)

4. 克级反应


这些硅硼化合物可被进一步转化和修饰,特别地,Si-H键的存在使其后续的衍生化更加丰富 (5)

5. 产物衍生化


最后,作者根据机理实验并结合先前的研究,提出了可能的机理:第一步炔烃硅氢化反应可能涉及两种催化物种,炔烃马氏硅氢化通过钴硅物种催化,而炔烃的反马氏硅氢化则是通过钴氢物种催化;第二步反应为烯基硅的硼氢化,其中三种选择性可能是通过钴氢物种催化,而α-烯基硅的α-硼氢化则是通过三乙基硼氢化钠 (NaBHEt3)催化的,其过程可能涉及碳负离子中间体。

6. 可能机理


小结:

浙江大学陆展课题组利用串联钴催化策略,成功实现了区域选择可控的苯乙炔类化合物串联硅氢化/硼氢化反应,高选择性地合成了四种硅硼化合物的区域异构体 (up to >20:1 rr)。该方法的实现可为其它区域选择多样性合成的探索提供一定的启发。

本文第一作者是浙江大学化学系博士研究生程朝阳(化学系17级直博生),通讯作者是陆展教授。其他作者还有郭军 (化学系19届博士生),孙羽丰 (化学系18级直博生),郑瑀山 (化学系18级本科生)和周哲泓 (化学系18级本科生)。该项目受到国家自然科学基金优青项目和面上项目、浙江省自然科学杰出青年基金、浙江大学化学前瞻技术中心等经费资助,其中两位本科生获得了国创级SRTP项目的资助。


文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202109089

课题组链接:https://person.zju.edu.cn/lu



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