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Fe催化内炔烃的反式碳硅化

烯基硅烷是合成四取代烯烃化合物的重要原料,而过渡金属催化炔烃的碳硅化反应是制备多取代烯基硅烷的重要手段,目前已经有大量文献报道了Rh、Pd、Cu或者双金属催化体系实现炔烃的碳硅化。在这些报道中,由于反应过程中经历了金属-硅物种对C≡C键顺式加成的过渡态,所得到的均是顺式加成的产物,反式加成的产物的报道十分少见。2011年,日本大阪大学的Fuyuko Kinashi和Naoto Chatani教授报道了Rh4(CO)12催化条件下末端炔烃的碳硅化反应合成β-硅基-α,β-不饱和亚胺,当反应以三级烷基取代的异腈作为亚胺来源时可以得到顺式碳硅化的产物,而异腈的取代基换作芳基时,可以得到反式加成的产物。2014年,法语鲁汶大学的Olivier Riant教授等人报道了Cu(I)/Pd(0)双金属催化体系实现炔基羧酸酯的反式碳硅化,得到三取代的烯基硅烷。以上反式碳硅化过程仅适用于芳基异氰或者炔基羧酸酯作为底物,从而限制了底物的多样性。考虑到芳基、烷基等官能团的多取代烯烃在天然产物、药物化学和材料科学中具有重要的应用价值,发展一种新的炔烃反式碳硅化反应十分必要。


最近,日本京都大学Masaharu Nakamura教授课题组首次报道了Fe催化内炔烃的反式选择性碳硅化反应,该方法以卤代烷烃与PhMe2SiBpin作为官能化试剂,炔烃无需修饰其他活化基团便可以高选择性地得到反式加成的产物。与此同时,他们还可以通过简单调节硼酸酯硅烷的结构立体选择性地得到顺式碳硅化的产物。相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

图1. 过渡金属催化炔烃的反式碳硅化反应。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


作者在最近的研究中发现FeBr2可以在化学计量的LiOMe存在下作为催化剂实现卤代烷烃、双联频哪醇双硼酸酯对内炔烃的顺式碳硼化。基于该工作,他们尝试以4-辛炔(1a)、苄氯(2a)和PhMe2SiBpin作为底物对炔烃的反式碳硅化反应进行考察。FeBr2和LiOMe预混合0.5 h后,反应体系中加入1a2a和PhMe2SiBpin,最终可以73%的收率得到碳硅化的产物3a,anti/syn的比例为73:27。

图2. Fe(II)催化4-辛炔反式碳硅化反应的初步尝试。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


在此基础上,他们对反应的条件进行了优化。FeBr2表现出比其他Fe(II)、Fe(III)催化剂更好的催化活性(entries 1-3),DPPE作为配体可以控制反应得到最理想的反式选择性(entries 4-6),反应适当提高LiOMe与硼酸酯硅烷的用量可以得到91%的收率,反式选择性达到95:5(entry 7)。除此之外,硼酸酯硅烷中硅基的不同取代基对反应的收率也具有很大的影响(entries 8-10)。

图3. 反应条件的筛选。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


得到最优条件之后,他们对底物的普适性进行了研究。含有不同取代基的苄氯都能够得到中等至良好的收率,反应的anti/syn选择性为92:8以上(3a-3f);邻位甲基取代的苄氯和氯甲基吡啶也可以中等以上的收率得到目标产物(3g-3h);溴代及碘代烷烃也可以作为底物参与反应得到理想的收率(3i-3k),环丙烷基修饰的底物2k在反应过程中会发生开环,说明了反应可能经历了自由基历程。对称的二苯乙炔作为底物参与反应也可以得到良好的收率(3l-3m);不对称的1-苯基-1-丙炔参与反应时硅基倾向于加成在位阻较小的炔基碳,区域选择性为90:10,与以往文献报道的碳硅化反应的选择性一致(3n);贫电子的炔烃具有较差的收率,但是反应的顺/反与区域选择性都较为理想(3o);大位阻取代基的炔烃参与反应时顺/反选择性较差,但区域选择性十分优秀(3p)。

图4. 底物普适性的考察图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


接下来,他们设想通过捕获Fe活性中间体对反应顺/反选择性的产生机制进行了研究,使用2当量的甲醇代替卤代烷烃与1a反应可以得到炔烃氢硅化的产物,顺/反选择性有所下降;当反应不加入DPPE配体时主要得到顺式加成的产物。以上实验说明反应过程中同样经历了传统过渡金属催化碳硅化过程中的Z-烯基Fe中间体A,但由于受到配体位阻的影响,A会发生E/Z 异构化形成位阻较小的反式构型中间体B,继而发生后续的偶联反应得到反式构型的产物。

图5. 反应机理的研究。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


作者推测如果将硼酸酯硅烷底物中的甲基取代为甲氧基,反应可能通过甲氧基中O原子对Fe的配位形成更为稳定的鳌合Z-烯基Fe中间体,继而发生偶联反应得到顺式碳硅化的产物。随后他们使用甲氧基取代的硅基硼酸酯作为底物,反应体系中不添加配体DPPE,最终可以得到顺式加成的产物。

图6. Fe催化炔烃的顺式碳硅化反应。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


——小结——


Masaharu Nakamura教授课题组利用简单的FeBr2与DPPE催化体系,实现了内炔烃的反式碳硅化反应。该反应具有理想的顺/反选择性,而当硼酸酯硅烷的硅烷部分引入烷氧基时,反应又可以很好地实现顺式加成的转化。反应使用的Fe催化剂廉价易得,得到的产物可用于合成具有重要价值的四取代烯烃,因而该反应具有广阔的应用前景。


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Iron-Catalyzed anti-Selective Carbosilylation of Internal Alkynes

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201706333


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