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南开大学朱守非课题组Angew: 铁催化共轭二烯立体汇聚式1,4-硅氢化反应

作者:石油醚

导读:

近日,南开大学化学学院朱守非教授课题组报道了一种新颖的铁催化共轭二烯立体汇聚式1,4-硅氢化反应,从易得的E/Z混合的共轭二烯底物出发,以高的区域选择性和专一的立体选择性合成了一系列Z-烯丙基硅化合物。该成果近期发表于Angew. Chem. Int. Ed上。

“Iron-Catalyzed Stereoconvergent 1,4-Hydrosilylation of Conjugated Dienes

Wei Sun, Meng-Yang Hu, Zhan-Sheng Lu, Ming-Yao Huang, Xin-Yu Zhang, Shou-Fei Zhu*

Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202315473. Doi: 10.1002/anie.202315473.

正文:

E/Z混合的烯烃通过立体汇聚式转化为具有单一立体构型的产物具有重要的现实意义,但往往难以实现。近日,南开大学化学学院朱守非课题组报道了一种新颖的铁催化共轭二烯立体汇聚式1,4-硅氢化反应,从易得的E/Z混合的共轭二烯底物出发,以高的区域选择性和专一的立体选择性合成了一系列Z-烯丙基硅化合物。机理研究表明该反应很可能经历两电子氧化还原机制。α-二亚胺配体修饰的铁催化剂形成的独特的反应空腔,促使共轭二烯与铁中心以顺式构象配位并通过迁移插入生成anti-π-烯丙基铁中间体,最终决定了反应的立体选择性。这种立体汇聚式转变机制不同于以往相关研究报道的经历自由基或金属-氢物种介导的机制,对发展新的烯烃的立体汇聚式转化有重要的启发意义。该成果近期发表于Angew. Chem. Int. Ed.上,博士生孙伟是文章的第一作者。

图1 铁催化共轭二烯立体汇聚式1,4-硅氢化反应

烯烃是化学工业的基础原料,在材料、医药、农业化学品和食品工业中广泛应用。在有机合成中,烯烃的构型通常会影响产物的选择性。由于经典的烯化方法通常会生成E/Z混合物,而且这些EZ异构体的性质极其相近,其混合物分离通常比较困难。因此发展烯烃立体汇聚式转化,即从E/Z混合的烯烃出发,制备单一立体构型的产物,将有望降低合成难度和成本,受到广泛的关注。但是迄今烯烃的立体汇聚式转化成功的例子不多,对于立体汇聚机制理解也有待深化。因此发展烯烃的立体汇聚式转化新方法,揭示立体汇聚的机制,具有重要的科学价值和现实意义。烯丙基硅是一类用途广泛的有机硅试剂,在进攻阳离子亲电物种的过程中往往表现出高度的立体选择性控制。因此,开发具有高区域和立体选择性的高效合成烯丙基硅的方法非常重要。然而,已有的合成方法中主要生成热力学上更稳定的(E)-烯丙基硅,而(Z)-烯丙基硅的合成仍然充满挑战。

近年来,南开大学朱守非课题组一直致力于铁催化有机合成反应的研究,发展了一系列铁催化不饱和烃的氢/碳元素化反应(Chin. J. Chem. 2023, 41, 3547; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 515; ACS Catal. 2022, 12, 2581; Chem. Sci. 2022, 13, 2721; Chem. Sci. 2022, 13, 7873; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16894; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4579; Nat. Commun. 2018, 9, 221)。在此基础上,该课题组最近报道了一种新颖的铁催化的共轭二烯立体汇聚式硅氢化反应,从易得的E/Z混合的共轭二烯底物出发实现了多种取代类型的共轭二烯的1,4-反马氏硅氢化反应,以高的区域选择性和专一的立体选择性合成了一系列Z-烯丙基硅化合物(图1)。这是一例罕见的铁催化烯烃立体汇聚式转化反应。尽管共轭二烯的硅氢化反应已经被广泛研究,多种区域和立体选择性转化都有成功的例子见诸报道,但是其1,4-反马氏硅氢化很少有成功的例子,而且主要集中于异戊二烯和环状共轭二烯等几类特殊的底物,而端位取代的非环状共轭二烯以及多取代共轭二烯的该类反应未见报道。本文发展的铁催化共轭二烯立体汇聚式转化合成Z-烯丙基硅具有原料易得、底物类型丰富、官能团兼容性好、条件温和、区域和立体选择性高等特点。深入的机理研究表明一种结构明确的形式上的零价铁物种作为活性催化剂启动催化循环,该反应经历两电子氧化还原机制。E/Z混合的共轭二烯底物均能与α-二亚胺配体修饰的零价铁催化剂以顺式构象发生螯合配位作用,并通过配体到配体氢转移(LLHT)步骤生成构型确定的anti-π-烯丙基铁中间体,最终决定了反应的立体选择性。本文所发展的铁催化共轭二烯立体汇聚式转变机制不同于以往相关研究报道的经历自由基或金属-氢物种介导的机制,为发展新的烯烃立体汇聚式转化提供了一种全新的策略,进一步深化了对铁催化反应机制的理解。

首先,作者选择Z/E = 58:42的1-苯基-1,3-丁二烯(1a)和苯硅烷(2a)作为模型底物对反应条件进行了考察(表1)。通过分别对配体上的取代基和配体骨架类型以及还原剂种类的细致评价,确定C1c作为催化剂、EtMgBr作为还原剂能够给出最优的反应结果(99% yield,98:2 r.r.,Z/E > 98:2)。

表1 配体和还原剂对铁催化的共轭二烯1a与苯硅烷的硅氢化反应的影响

在最优反应条件下,作者首先考察了共轭二烯与多种一级、二级和三级硅烷的反应情况(图2)。无论是烷基取代还是芳基取代的一级和二级硅烷均能顺利发生硅氢化反应,以良好到优秀的收率和优异的区域及立体选择性获得硅氢化产物。而对于三级硅烷,可能是由于这类硅烷立体位阻较大,在标准反应条件下无法发生硅氢化反应。

图2 铁催化共轭二烯1a与硅烷2的硅氢化反应

接着,作者对共轭二烯底物也进行了考察(图3)。1-芳基取代的共轭二烯均能顺利发生反应,芳环上取代基的电性和位阻对反应的收率和选择性都没有显著影响。此外,硼酸酯基、羰基、酰胺、三氟甲磺酰基以及氰基等高活性、强配位性基团也均能兼容,给出令人满意的反应结果。多种单取代和多取代的烷基共轭二烯底物在该催化体系下也均能获得优秀的收率和优异的区域选择性及专一的立体选择性。遗憾的是,该催化体系尚不能兼容1E1F1G这三种共轭二烯底物。值得一提的是,这里用到的E/Z混合的共轭二烯都可以由廉价易得的醛出发通过一步Wittig反应方便制得。

图3 铁催化共轭二烯1与苯硅烷的硅氢化反应

随后,作者进行了克级规模实验和一系列产物转化实验,展示了该反应的合成应用前景(图4)。烯丙基硅是一类重要的合成砌块,可以发生丰富的化学转化。克级规模实验获得的硅氢化产物可分别进行氧化、加成、取代和聚合等多种类型的反应,,展现出较好的应用前景。

图4 克级实验和产物转化

为研究上述铁催化硅氢化反应机理,作者进行了一系列控制实验(图5)。一种形式上的零价铁物种被成功合成并表征,并表现出和现场生成的催化剂几乎相同的活性和选择性,这表明该反应很可能是由零价铁物种启动。氘代实验结果表明该反应产生了至少两种π-烯丙基铁物种。混合硅烷实验结果排除了该反应是由Fe(I)–H或Fe(I)–Si启动,支持两电子氧化还原机制。此外,回收得到的共轭二烯底物中E/Z比例几乎保持不变,表明在反应过程中E式和Z-式共轭二烯反应速率基本一致。KIE实验获得了KIE = 1.45,表明氢转移步骤可能是一个快速的过程。

图5 控制实验

基于以上控制实验的结果,作者建议了一条基于两电子的氧化还原机制(图6)。由于α-二亚胺配体修饰的铁催化剂在铁中心周围形成的反应空腔适合E/Z混合的共轭二烯底物均能与形式上的Fe(0)以顺式构象发生螯合配位作用形成中间体cisoid-A,随后发生配体-配体的氢转移过程,产生两种可能的π-烯丙基铁物种antBsynB’。由于中间体synB’中催化剂与底物上的取代基存在显著的位阻排斥作用,无法进行后续转化,而是通过动态和可逆的平衡过程,经由中间体cisoid-A转化为antB。π-烯丙基铁物种antiB在动力学上处于有利地位,通过π-σ重排后生成新的烯丙基铁中间体C,这一立体选择性是在共轭二烯与形式上的Fe(0)以顺式构象发生螯合配位作用就已经决定了的。最后,中间体C发生还原消除释放产物,再生活性催化剂。该反应能够实现立体汇聚式转化的关键在于共轭二烯与铁催化剂的顺式螯合配位以及π-烯丙基铁中间体synB’antiB之间的动态平衡,这不同于文献中常见的自由基或金属-氢物种介导的构型转化机制,为发展新的烯烃立体汇聚式转化提供了一种全新思路。

图6 可能的催化循环

总之,朱守非课题组报道了一种新颖的铁催化共轭二烯立体汇聚式硅氢化反应,以易于获得的E/Z混合的共轭二烯为底物,高区域选择性和立体专一的合成了一系列在合成中有重要应用前景的Z-烯丙基硅化合物。机理实验表明本文报道的立体汇聚式转变机制不同于以往相关研究报道的机制,为发展新的烯烃立体汇聚式转化提供了一种新的思路。本文进一步拓展了铁催化反应类型,深化了铁催化反应的机制理解,展现了铁催化剂在高选择性有机转化中的巨大潜力。

(朱守非教授供稿)

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