南科大何川课题组Nat. Commun.：六元和七元的三取代硅中心手性杂环的对映选择性构建

硅桥接的π-共轭联芳烃骨架作为新兴的光电材料的关键组件已经广泛应用于有机发光材料、薄膜晶体管、荧光传感器、有机太阳能电池中。过去几十年来，经过有机化学家的不断努力，合成了许多硅桥接的五元环联芳烃骨架，如噻咯、苯并噻咯、9-硅芴、苯并二茂铁噻咯等（图1a）。然而，含硅的六元和七元环联芳烃骨架却鲜有报道，其中具有硅中心手性的例子更是屈指可数。目前，仅有Shintani、Hayashi、Nozaki和宋振雷课题组报道了四取代的六元环硅中心手性硅烷的合成（图1b）。不对称催化三取代的六元或者更大环的硅中心手性一氢硅烷到目前为止还没人报道。鉴于日益增长的功能材料导向的硅桥接联芳烃合成需要，构建硅中心手性的一氢硅烷引起了化学工作者的关注。因为这些手性一氢硅烷可以进行各种各样立体专一的转化，从而有望在手性功能材料领域得到进一步的发展和应用。

图1. 含硅的π-共轭分子的构建

近日，南方科技大学化学系的何川（点击查看介绍）课题组从简单的二氢硅烷出发，利用去对称化策略，实现了铑催化的分子内不对称C–H硅化反应，高效、高对映选择性实现了三取代六元和七元环硅中心手性杂环的构建（图1c）。该反应的挑战性在于：1）催化反应过程可能需要经过不稳定的七元和八元环金属中间体；2）二氢硅烷容易发生自偶联的副反应；3）控制好该反应的对映选择性具有非常大的难度。作者经过一系列反应条件的筛选和优化，使用[Rh(cod)Cl]₂和Josiphos型双膦配体作为催化体系，实现了高收率和高对映选择性的得到产物2a。

接下来，在最优反应条件下，作者考察了二氢硅烷底物的适用范围（图2）。结果表明，该方法对吲哚联芳烃上有给电子（2b-2d，2h）、缺电子（2e-2g）、含杂环（2m-2o，2j）和烷基（2p）的底物都有很好的兼容性，均能得到了良好的收率（24-91%）和优异的对映选择性产物（90-98% ee）。此外，该体系也能兼容苯并呋喃（2s）和苯并噻吩（2t-2u）联芳烃，得到中等收率（53-61%）和优秀的对映选择性产物（94-95% ee）。值得一提的是，该方法也能成功实现极优对映选择性的双硅桥π-共轭体系的硅中心手性联芳烃的催化不对称合成（2w）。

图2. 六元环底物适用范围

此外，作者将Josiphos类型配体从L1转换成L3，首次实现了难度更大的三取代七元环硅中心手性咔唑联芳烃的构建（图3）。该体系对咔唑联芳烃上的甲氧基、苄氧基、苯基、氟和噻吩等基团都有很好的兼容性（4a-4e），得到了良好的收率（40-80%）和优秀的对映选择性产物（85-91% ee）。

图3. 七元环底物适用范围

为了探索六元和七元环的硅一氢杂环在合成方面的应用，作者进一步对产物进行了一系列的转化反应研究（图4）。结果显示，六元一氢硅烷产物2a在[Rh(cod)Cl]₂、Pt(dvds)或者Pd(t-Bu₃P)₂催化下，能与烯基醚、内炔、芳基碘苯或者丙酮反应，得到新的对映选择性保持的四取代硅中心手性杂环产物（5a-5d，98% ee）。同时，七元环产物4a和二茂铁乙烯反应，能得到中等收率以及对映选择性保持的氧化烯基化反应的产物6a（50%，90% ee），其绝对构型也得到了X射线单晶衍射的确定。

图4. 应用转化

最后，作者对获得的手性硅杂环进行了光物理性质的测试（图5）。绝大部分测试的硅中心手性化合物在紫外光的激发下都显示出很强的蓝色荧光（5a）。化合物(R)-4d和(S)-4d的基态圆二色谱（CD）呈现出明显的镜像关系，并且在波长317 nm和372 nm处展现出明显的科顿效应（5d）。反映手性化合物激发态性质的圆偏振光谱（CPL）也显示出了明显的信号（5e）。这两个化合物在强度最大值波长处（423 nm和419 nm）的不对称因子分别是4.7 × 10^-4和-3.2 × 10^-4（5f）。

图5. 光物理性质谱图

总结

南方科技大学化学系的何川课题组从简单的二氢硅烷出发，利用去对称化策略，实现了铑催化的分子内不对称C–H硅化反应，高效、高对映选择性实现了三取代六元和七元环硅中心手性杂环的构建。该方法设计巧妙、普适性好，实现了立体选择性的完美控制，获得了一系列结构新颖的含有多种官能团的三取代六元和七元环硅中心手性杂环化合物。该一氢硅烷在合成化学或者手性光电材料领域有着广泛的应用前景。该工作为首次利用二氢硅烷去对称化策略实现六元和七元三取代硅中心手性一氢硅烷的构建。这一成果近期发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，文章的第一作者是南方科技大学的陈书友博士。特别感谢南方科技大学的何凤教授、陆为教授、邹超博士、赵廷兴博士在光物理性质解析上给予的帮助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enantioselective construction of six- and seven-membered triorgano-substituted silicon-stereogenic heterocycles

Shuyou Chen, Delong Mu, Pei-Lin Mai, Jie Ke, Yingzi Li, Chuan He

Nat. Commun., 2021, 12, 1249. DOI: 10.1038/s41467-021-21489-6

导师介绍

何川

https://www.x-mol.com/groups/he_chuan