鐵催化共軛二烯立體匯聚式1,4-硅氫化反應(yīng)

正文將E/Z混合的烯烴通過立體匯聚式轉(zhuǎn)化為具有單一立體構(gòu)型的產(chǎn)物具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，但往往難以實(shí)現(xiàn)。近日，報(bào)道了一種新穎的鐵催化共軛二烯立體匯聚式1,4-硅氫化反應(yīng)，從易得的E/Z混合的共軛二烯底物出發(fā)，以高的區(qū)域選擇性和專一的立體選擇性合成了一系列Z-烯丙基硅化合物。機(jī)理研究表明該反應(yīng)很可能經(jīng)歷兩電子氧化還原機(jī)制。α-二亞胺配體修飾的鐵催化劑形成的獨(dú)特的反應(yīng)空腔，促使共軛二烯與鐵中心以順式構(gòu)象配位并通過遷移插入生成anti-π-烯丙基鐵中間體，最終決定了反應(yīng)的立體選擇性。這種立體匯聚式轉(zhuǎn)變機(jī)制不同于以往相關(guān)研究報(bào)道的經(jīng)歷自由基或金屬-氫物種介導(dǎo)的機(jī)制，對發(fā)展新的烯烴的立體匯聚式轉(zhuǎn)化有重要的啟發(fā)意義。圖1鐵催化共軛二烯立體匯聚式1,4-硅氫化反應(yīng)烯烴是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料，在材料、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)化學(xué)品和食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用。在有機(jī)合成中，烯烴的構(gòu)型通常會(huì)影響產(chǎn)物的選擇性。由于經(jīng)典的烯化方法通常會(huì)生成E/Z混合物，而且這些E和Z異構(gòu)體的性質(zhì)極其相近，其混合物分離通常比較困難。因此發(fā)展烯烴立體匯聚式轉(zhuǎn)化，即從E/Z混合的烯烴出發(fā)，制備單一立體構(gòu)型的產(chǎn)物，將有望降低合成難度和成本，受到廣泛的關(guān)注。但是迄今烯烴的立體匯聚式轉(zhuǎn)化成功的例子不多，對于立體匯聚機(jī)制理解也有待深化。因此發(fā)展烯烴的立體匯聚式轉(zhuǎn)化新方法，揭示立體匯聚的機(jī)制，具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。烯丙基硅是一類用途廣泛的有機(jī)硅試劑，在進(jìn)攻陽離子親電物種的過程中往往表現(xiàn)出高度的立體選擇性控制。因此，開發(fā)具有高區(qū)域和立體選擇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熱力學(xué)上更穩(wěn)定的(E)-烯丙基硅，而(Z)-烯丙基硅的合成仍然充滿挑戰(zhàn)。近年來，一直致力于鐵催化有機(jī)合成反應(yīng)的研究，發(fā)展了一系列鐵催化不飽和烴的氫/碳元素化反應(yīng)（Chin.J.Chem.2023,

41,3547;

J.Am.Chem.Soc.2022,

144,515;

ACSCatal.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）。在此基礎(chǔ)上，該課題組最近報(bào)道了一種新穎的鐵催化的共軛二烯立體匯聚式硅氫化反應(yīng)，從易得的E/Z混合的共軛二烯底物出發(fā)實(shí)現(xiàn)了多種取代類型的共軛二烯的1,4-反馬氏硅氫化反應(yīng)，以高的區(qū)域選擇性和專一的立體選擇性合成了一系列Z-烯丙基硅化合物（圖1）。這是一例罕見的鐵催化烯烴立體匯聚式轉(zhuǎn)化反應(yīng)。盡管共軛二烯的硅氫化反應(yīng)已經(jīng)被廣泛研究，多種區(qū)域和立體選擇性轉(zhuǎn)化都有成功的例子見諸報(bào)道，但是其1,4-反馬氏硅氫化很少有成功的例子，而且主要集中于異戊二烯和環(huán)狀共軛二烯等幾類特殊的底物，而端位取代的非環(huán)狀共軛二烯以及多取代共軛二烯的該類反應(yīng)未見報(bào)道。本文發(fā)展的鐵催化共軛二烯立體匯聚式轉(zhuǎn)化合成Z-烯丙基硅具有原料易得、底物類型豐富、官能團(tuán)兼容性好、條件溫和、區(qū)域和立體選擇性高等特點(diǎn)。深入的機(jī)理研究表明一種結(jié)構(gòu)明確的形式上的零價(jià)鐵物種作為活性催化劑啟動(dòng)催化循環(huán)，該反應(yīng)經(jīng)歷兩電子氧化還原機(jī)制。E/Z混合的共軛二烯底物均能與α-二亞胺配體修飾的零價(jià)鐵催化劑以順式構(gòu)象發(fā)生螯合配位作用，并通過配體到配體氫轉(zhuǎn)移（LLHT）步驟生成構(gòu)型確定的anti-π-烯丙基鐵中間體，最終決定了反應(yīng)的立體選擇性。本文所發(fā)展的鐵催化共軛二烯立體匯聚式轉(zhuǎn)變機(jī)制不同于以往相關(guān)研究報(bào)道的經(jīng)歷自由基或金屬-氫物種介導(dǎo)的機(jī)制，為發(fā)展新的烯烴立體匯聚式轉(zhuǎn)化提供了一種全新的策略，進(jìn)一步深化了對鐵催化反應(yīng)機(jī)制的理解。首先，作者選擇Z/E

=58:42的1-苯基-1,3-丁二烯（1a）和苯硅烷（2a）作為模型底物對反應(yīng)條件進(jìn)行了考察（表1）。通過分別對配體上的取代基和配體骨架類型以及還原劑種類的細(xì)致評價(jià)，確定C1c作為催化劑、EtMgBr作為還原劑能夠給出最優(yōu)的反應(yīng)結(jié)果（99%yield，98:2r.r.，Z/E

>98:2）。表1配體和還原劑對鐵催化的共軛二烯1a與苯硅烷的硅氫化反應(yīng)的影響在最優(yōu)反應(yīng)條件下，作者首先考察了共軛二烯與多種一級、二級和三級硅烷的反應(yīng)情況（圖2）。無論是烷基取代還是芳基取代的一級和二級硅烷均能順利發(fā)生硅氫化反應(yīng)，以良好到優(yōu)秀的收率和優(yōu)異的區(qū)域及立體選擇性獲得硅氫化產(chǎn)物。而對于三級硅烷，可能是由于這類硅烷立體位阻較大，在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件下無法發(fā)生硅氫化反應(yīng)。圖2鐵催化共軛二烯1a與硅烷2的硅氫化反應(yīng)接著，作者對共軛二烯底物也進(jìn)行了考察（圖3）。1-芳基取代的共軛二烯均能順利發(fā)生反應(yīng)，芳環(huán)上取代基的電性和位阻對反應(yīng)的收率和選擇性都沒有顯著影響。此外，硼酸酯基、羰基、酰胺、三氟甲磺酰基以及氰基等高活性、強(qiáng)配位性基團(tuán)也均能兼容，給出令人滿意的反應(yīng)結(jié)果。多種單取代和多取代的烷基共軛二烯底物在該催化體系下也均能獲得優(yōu)秀的收率和優(yōu)異的區(qū)域選擇性及專一的立體選擇性。遺憾的是，該催化體系尚不能兼容1E、1F和1G這三種共軛二烯底物。值得一提的是，這里用到的E/Z混合的共軛二烯都可以由廉價(jià)易得的醛出發(fā)通過一步Wittig反應(yīng)方便制得。圖3鐵催化共軛二烯1與苯硅烷的硅氫化反應(yīng)隨后，作者進(jìn)行了克級規(guī)模實(shí)驗(yàn)和一系列產(chǎn)物轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，展示了該反應(yīng)的合成應(yīng)用前景（圖4）。烯丙基硅是一類重要的合成砌塊，可以發(fā)生豐富的化學(xué)轉(zhuǎn)化?？思壱?guī)模實(shí)驗(yàn)獲得的硅氫化產(chǎn)物可分別進(jìn)行氧化、加成、取代和聚合等多種類型的反應(yīng)，展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。圖4克級實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為研究上述鐵催化硅氫化反應(yīng)機(jī)理，作者進(jìn)行了一系列控制實(shí)驗(yàn)（圖5）。一種形式上的零價(jià)鐵物種被成功合成并表征，并表現(xiàn)出和現(xiàn)場生成的催化劑幾乎相同的活性和選擇性，這表明該反應(yīng)很可能是由零價(jià)鐵物種啟動(dòng)。氘代實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該反應(yīng)產(chǎn)生了至少兩種π-烯丙基鐵物種?；旌瞎柰閷?shí)驗(yàn)結(jié)果排除了該反應(yīng)是由Fe(I)–H或Fe(I)–Si啟動(dòng)，支持兩電子氧化還原機(jī)制。此外，回收得到的共軛二烯底物中E/Z比例幾乎保持不變，表明在反應(yīng)過程中E式和Z-式共軛二烯反應(yīng)速率基本一致。KIE實(shí)驗(yàn)獲得了KIE=1.45，表明氫轉(zhuǎn)移步驟可能是一個(gè)快速的過程。圖5控制實(shí)驗(yàn)基于以上控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，作者建議了一條基于兩電子的氧化還原機(jī)制（圖6）。由于α-二亞胺配體修飾的鐵催化劑在鐵中心周圍形成的反應(yīng)空腔適合E/Z混合的共軛二烯底物均能與形式上的Fe(0)以順式構(gòu)象發(fā)生螯合配位作用形成中間體cisoid-A，隨后發(fā)生配體-配體的氫轉(zhuǎn)移過程，產(chǎn)生兩種可能的π-烯丙基鐵物種ant–B和syn–B’。由于中間體syn–B’中催化劑與底物上的取代基存在顯著的位阻排斥作用，無法進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)化，而是通過動(dòng)態(tài)和可逆的平衡過程，經(jīng)由中間體cisoid-A轉(zhuǎn)化為ant–B。π-烯丙基鐵物種anti–B在動(dòng)力學(xué)上處于有利地位，通過π-σ重排后生成新的烯丙基鐵中間體C，這一立體選擇性是在共軛二烯與形式上的Fe(0)以順式構(gòu)象發(fā)生螯合配位作用就已經(jīng)決定了的。最后，中間體C發(fā)生還原消除釋放產(chǎn)物，再生活性催化劑。該反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)立體匯聚式轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵在于共軛二烯與鐵催化劑的順式螯合配位以及π-烯丙基鐵中間體syn–B’和anti–B之間的動(dòng)態(tài)平衡，這不同于文獻(xiàn)中常見的自由基或金屬-氫物種介導(dǎo)的構(gòu)型轉(zhuǎn)化機(jī)制，為發(fā)展新的烯烴立體匯聚式轉(zhuǎn)化提供了一種全新思路。圖6可能的催化循環(huán)總結(jié)朱守非課題組報(bào)道了一種新穎的鐵催化共軛二烯立體匯聚式硅氫化反應(yīng)，以易于獲得的