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諾獎(jiǎng)得主Benjamin List課題組Nat. Commun.:有機(jī)催化不對(duì)稱(chēng)合成硅手性的含硅雜環(huán)化合物

來(lái)源:化學(xué)加原創(chuàng)      2024-07-23
導(dǎo)讀:近日,2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、德國(guó)馬克斯-普朗克煤炭研究所所長(zhǎng)Benjamin List課題組報(bào)道了一種強(qiáng)酸性與大位阻Br?nsted酸(strong and confined Br?nsted acid)催化雙(甲基烯丙基)硅烷的對(duì)映選擇性環(huán)化反應(yīng),合成了一系列對(duì)映體富集的含有硅手性中心的硅雜環(huán)化合物(silacycles),具有高度的對(duì)映選擇性(高達(dá)96.5:3.5 er)。NMR和ESI-MS研究表明,共價(jià)加合物的形成抑制了催化劑的周轉(zhuǎn)(turnover)。值得注意的是,乙酸作為添加劑會(huì)促進(jìn)這種加合物的斷裂,從而實(shí)現(xiàn)完全周轉(zhuǎn)。此外,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和密度泛函理論(DFT)計(jì)算,進(jìn)一步闡明這一現(xiàn)象的起源和觀察到的對(duì)映選擇性。文章鏈接DOI:10.1038/s41467-024-49988-2

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.


正文

有機(jī)硅烷是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)單元,廣泛存在于藥物化學(xué)、化學(xué)合成和材料科學(xué)等領(lǐng)域。硅與碳有幾個(gè)相似之處(如四面體幾何形狀和四價(jià)),但這兩種元素之間也有明顯的差異(如共價(jià)半徑、電負(fù)性和親脂性),使硅成為碳的有趣生物電子等排體。在各種有機(jī)硅化合物中,含有硅手性中心的硅烷顯示出有前景的生物活性。例如,Tomooka課題組研究表明,一種含有硅手性中心的硅雜環(huán)戊烷(silacyclopentane)差向異構(gòu)體與血清素受體顯示出顯著的結(jié)合,而另一種差向異構(gòu)物則沒(méi)有結(jié)合(Fig. 1a)。與含有碳手性分子的合成方法相比,制備含有硅手性中心的有機(jī)硅化合物的方法卻較少有相關(guān)的研究報(bào)道。在過(guò)去的幾十年里,對(duì)于合成含有硅手性中心的硅烷方法主要依賴(lài)于化學(xué)計(jì)量手性試劑或助劑。最近,化學(xué)家們還開(kāi)發(fā)了一系列催化不對(duì)稱(chēng)版本,但常需使用貴過(guò)渡金屬催化劑。最近,Benjamin List課題組(J. Am. Chem. Soc. 2022144, 10156; Angew. Chem. Int. Ed. 201655, 13200; Angew. Chem. Int. Ed. 201958, 12761.)報(bào)道了一種強(qiáng)酸性和空間受限的大位阻的IDPi(imidodiphosphorimidate)催化合成含有硅手性中心的硅醚方法,涉及雙(甲基烯丙基)硅烷的去對(duì)稱(chēng)化的過(guò)程(Fig. 1b)。2023年,Benjamin List課題組(J. Am. Chem. Soc. 2023145, 4994.)開(kāi)發(fā)了一種外消旋甲基烯丙基硅烷的動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)不對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)化(DYKAT)。同時(shí),作者發(fā)現(xiàn),當(dāng)體系無(wú)2,6-二甲基苯酚時(shí),會(huì)形成相應(yīng)的硅環(huán),盡管產(chǎn)率和對(duì)映選擇性較差(Fig. 1b)。受此啟發(fā),Benjamin List課題組報(bào)道了一種IDPi催化雙(甲基烯丙基)硅烷的對(duì)映選擇性陽(yáng)離子環(huán)化反應(yīng),合成了一系列含有硅手性中心的硅雜環(huán)化合物(Fig. 1c)。在本手稿的制備過(guò)程中,余金權(quán)課題組(Angew. Chem. Int. Ed. 202362, e202217724.)報(bào)道了一種手性咪唑烷酮催化的siladials的分子內(nèi)羥醛縮合反應(yīng),合成了一系列含有硅手性中心的硅雜環(huán)化合物(Fig. 1d)。化學(xué)加——科學(xué)家創(chuàng)業(yè)合伙人,歡迎下載化學(xué)加APP關(guān)注。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

首先,作者以雙(甲基烯丙基)硅烷1a作為模型底物,進(jìn)行了相關(guān)反應(yīng)條件的篩選(Table 1)。當(dāng)以IDPi 6d(5 mol %)作為有機(jī)催化劑,乙酸(1.0 equiv)作為添加劑,在甲苯溶劑中-100 oC反應(yīng)7 d,可以70%的收率得到產(chǎn)物2a,er為95:5。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

在獲得上述最佳反應(yīng)條件后,作者對(duì)底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Fig. 2)。首先,含有各種烷基取代硅烷,均可順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2a-2g,收率為60-70%,er為91:9-95:5。其中,隨著烷基取代基的空間位阻增加,對(duì)映選擇性略有降低。其次,2-萘基取代的硅烷,也是合適的底物,可以72%的收率與95:5 er得到產(chǎn)物2h。芳基的不同位含有甲基取代的硅烷底物,也能夠順利進(jìn)行反應(yīng),但對(duì)映體選擇性差異較大,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2i-2k,收率為68-74%,er為63:37-96:4。芳基上含有對(duì)甲氧基和氟取代的硅烷,也具有反應(yīng)性,但觀察到對(duì)映選擇性略有降低,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2l(55%收率,91:9 er)和2m(60%收率,86.5:13.5 er)。值得注意的是,雙(甲基烯丙基)烯丙基硅烷和三(甲基烯丙基)硅烷也是反應(yīng)的可行底物,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2n(51%收率,96.5:3.5 er)和2o(52%收率,96.5:3.5 er)。環(huán)己基取代的硅烷,可以65%的收率與57.6:42.4 er得到產(chǎn)物2p

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

為了進(jìn)一步了解反應(yīng)的機(jī)理,作者進(jìn)行了相關(guān)的控制實(shí)驗(yàn)(Fig. 3)。首先,催化劑酸度對(duì)硅雜環(huán)穩(wěn)定性的研究結(jié)果表明,硅雜環(huán)在反應(yīng)條件下的穩(wěn)定性取決于IDPi催化劑的酸度(Fig. 3a)。其次,溫度對(duì)硅雜環(huán)穩(wěn)定性的研究結(jié)果表明,硅雜環(huán)穩(wěn)定性依賴(lài)于溫度(Fig. 3b)。此外,反應(yīng)性較低的雙(烯丙基)硅烷1q,未能有效的參與反應(yīng)(Fig. 3c)。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

為了了解乙酸添加劑的作用,作者采用底物1a和催化劑6c進(jìn)行了31P NMR研究(Fig. 4)。基于31P NMR與ESI-MS的結(jié)果發(fā)現(xiàn),31P NMR中的新峰源于原位生成的共價(jià)加合物8。游離催化劑6c的磷信號(hào)明顯向低場(chǎng)偏移。隨后,向混合物中加入10當(dāng)量乙酸,導(dǎo)致游離催化劑6c完全再生,并生成硅基乙酸酯7。雖然該反應(yīng)降低了所需產(chǎn)物的總收率,但它使催化劑能夠周轉(zhuǎn)。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

基于上述的研究以及相關(guān)文獻(xiàn)的查閱,作者提出了一種合理的催化循環(huán)過(guò)程(Fig. 5a)。首先,烯烴的質(zhì)子化(TS1),可生成由β-硅基穩(wěn)定的碳陽(yáng)離子和IDPi陰離子組成的離子對(duì)I。其次,離子對(duì)I經(jīng)陽(yáng)離子-π環(huán)化(TS2),生成離子對(duì)II。離子對(duì)II通過(guò)內(nèi)離子對(duì)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(TS3),生成含有硅手性中心的硅雜環(huán)2,并再生了游離催化劑6。同時(shí),離子對(duì)II可以通過(guò)斷裂,生成共價(jià)加合物8,這對(duì)催化劑的周轉(zhuǎn)是有害的。然而,乙酸可將催化劑6從加合物8中釋放出來(lái),使催化劑能夠周轉(zhuǎn)。為了進(jìn)一步了解詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理并研究觀察到的對(duì)映選擇性的來(lái)源,作者對(duì)底物1a和催化劑6d進(jìn)行了計(jì)算研究(Fig. 5b)。計(jì)算結(jié)果表明,通過(guò)TS3進(jìn)行去質(zhì)子化和通過(guò)TS4形成共價(jià)加合物是觀察到的高對(duì)映選擇性的關(guān)鍵。同時(shí),由于TS4中的空間位阻,導(dǎo)致于TS4TS4'的穩(wěn)定性存在差異(Fig. 5c)。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.


總結(jié)

Benjamin List課題組報(bào)道了一種強(qiáng)酸性與空間受限的大位阻Br?nsted催化雙(甲基烯丙基)硅烷的對(duì)映選擇性環(huán)化反應(yīng),合成了一系列含有硅手性中心的硅雜環(huán)化合物,具有高度的對(duì)映選擇性。機(jī)理研究表明,共價(jià)加合物的形成限制了催化劑的周轉(zhuǎn)。添加乙酸有助于催化劑從共價(jià)加合物中快速再生,從而實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)。計(jì)算研究表明,質(zhì)子化是對(duì)映選擇性步驟,隨后的對(duì)映富集(enantioenrichment)是實(shí)現(xiàn)高對(duì)映選擇性的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)詳情:

Organocatalytic asymmetric synthesis of Si-stereogenic silacycles. 
Jung Tae Han, Nobuya Tsuji, Hui Zhou, Markus LeutzschBenjamin List*.
Nat. Commun. 2024
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49988-2

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