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圖1. 合成取代烯丙基硅烷的策略（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

烯烴直接偶聯(lián)生成烯丙基硅烷是一種步驟高效、原子經(jīng)濟的合成方法，例如，Watson報告了Pd-催化硅基Heck反應(yīng)，利用端烯和TMSI制備烯丙基硅烷(圖1a)。而高選擇性脫氫硅烷化反應(yīng)合成烯丙基硅烷仍具有挑戰(zhàn)性，這些反應(yīng)大多需要對水分敏感的貴金屬催化劑或過量的烯烴，并且由于區(qū)域選擇性低而得到烯丙基和乙烯基硅烷混合物(圖1b)。因此，更有效和環(huán)境友好的合成方法仍然是迫切需要的。 

由于條件溫和，可見光在合成領(lǐng)域中的應(yīng)用受到人們的廣泛關(guān)注。將光催化與其它催化方法相結(jié)合，可以實現(xiàn)新的光催化轉(zhuǎn)化。最近，吳驪珠等發(fā)展的光氧化還原介導的脫氫交叉偶聯(lián)反應(yīng)就避免了使用任何氧化劑，并提供了一個有效構(gòu)建C-C，C-X鍵的方法，但反應(yīng)模式和底物范圍仍然有限。與烯烴和不同親核試劑的交叉偶聯(lián)相比，脫氫交叉碳-硅偶聯(lián)反應(yīng)是一種可靠的合成技術(shù)?？紤]到Si-H和C-H鍵的BDEs相似，親電自由基或自由基陽離子的攫氫過程也能活化Si-H鍵。為實現(xiàn)這一目標，需要解決的主要挑戰(zhàn)是如何避免氫硅化過程和乙烯基硅烷副產(chǎn)物。近日，蘭州大學化學院許鵬飛教授課題組提出了一種新的三催化活化方法，即光氧化還原、氫原子轉(zhuǎn)移和鈷催化的協(xié)同作用，為烯丙基硅烷的選擇性構(gòu)建提供了一條有效而普適的途徑，文章發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI：10.1002/anie.201904707）。

圖2. 反應(yīng)條件的優(yōu)化（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

如圖2所示，作者在室溫下以三(三甲基硅基)硅烷(TTMSS)作為硅自由基前體，以Ir[dF(CF₃)ppy]₂(dtbbpy)PF₆為光催化劑，A為HAT催化劑，Co(dmgH)₂ PyCl II為質(zhì)子還原催化劑，N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺為硅自由基受體，合成了期望的烯丙基硅烷產(chǎn)物1(產(chǎn)率為40%)。當用4CzIPN代替Ir[dF(CF₃)ppy]₂(dtbbpy)PF₆時，產(chǎn)物1的收率提高到53%。當以之前報道的HAT催化劑如噻吩醇(B)和三異丙基硅硫醇(C)代替 (A)時，要么沒有反應(yīng)，要么產(chǎn)率很低。為了提高反應(yīng)收率，作者對各種堿進行了考察，當以吡啶為堿時，收率提高到了83%。溶劑篩選表明，MeCN效果最佳。此外，控制實驗表明，光催化劑、鈷催化劑、HAT催化劑和可見光源都是反應(yīng)的必要條件，在沒有它們的情況下，沒有反應(yīng)。

圖3. 底物擴展（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

有了最佳反應(yīng)條件，作者對各種烯烴的反應(yīng)性進行了探討。如圖3所示，一系列甲基丙烯酰胺都是合適的底物，包括那些氮核上具有烷基和苯基的底物，并且全部得到良好的產(chǎn)率(1-4，75-87％)。5中存在N-H鍵，產(chǎn)率略低。具有取代苯基的底物也能以中等產(chǎn)率(6和7)得到產(chǎn)物。在這種轉(zhuǎn)化(8-15)中，非環(huán)狀和環(huán)狀不飽和二烷基酰胺都具有良好的耐受性。與5-和6-元雜環(huán)相比，7-元雜環(huán)的產(chǎn)率最高(11，80％)。此外，具有O、S或N原子的其它雜環(huán)也可用于該反應(yīng)(12-15，52-85％)。其它硅烷如三乙基硅烷、三異丙基硅烷和叔丁基二甲基硅烷，也都可以兼容，分別得到產(chǎn)物16-18，但產(chǎn)率降低(29-38％)，這可能是由于較高的Si-H BDEs所致。為了解決這一問題，作者對不同的HAT催化劑進行了考察，結(jié)果表明，在35 ℃時，奎寧環(huán)-3-乙酸酯對烷基硅烷有較好的作用，使產(chǎn)率略有提高(16-18，38%~47%)。接下來，作者探討了α，β-不飽和酯的范圍。2-甲基丙烯酸芐酯具有良好的適應(yīng)性(19，58%)，如預(yù)期的那樣，2-甲基丙烯酸叔丁酯和丁酯在此反應(yīng)中表現(xiàn)出相似的反應(yīng)性(20和21)。此外，含有大位阻基團的底物也具有良好的耐受性(22-26，40-74%)。其他雜環(huán)芳基烯烴也能以中等收率(27-29)成功轉(zhuǎn)化為預(yù)期產(chǎn)物。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，2-丙烯基硼酸酯也能反應(yīng)，得到相應(yīng)的產(chǎn)物(30，68%)。但烯烴的來源范圍僅限于1，1-二取代烯烴，單取代烯烴和α，β-不飽和酮的不能反應(yīng)。為了進一步證明該方法的合成用途，作者測試了幾種含有生物相關(guān)單元的更復雜的烯烴底物，包括二丙酮-D-果糖(31)、二丙酮-D-呋喃糖(32)和甾體衍生物(33和34)的糖骨架，它們都適用于該反應(yīng)，并以較好的收率得到了所需產(chǎn)物。1 mmol規(guī)模的反應(yīng)，得到孕烯醇酮衍生物34，收率60%，這些結(jié)果表明，該方法對合成過程中的后期功能化具有一定價值。

圖4. 脫氫硅化并5-exo-trig環(huán)化（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

在此三催化體系中，標準反應(yīng)條件下，自由基5-exo-trig環(huán)化反應(yīng)可形成5元α，β-不飽和γ-內(nèi)酰胺（圖4）。首先，作者研究了一系列N-烯丙基-N-芳基丙烯酰胺類化合物，其在芳香環(huán)上具有吸電子和給電子取代基的底物都能反應(yīng)良好。給電子基如甲基(36，41)，異丙基(37)和叔丁基(38)，產(chǎn)率較高(58-66%)。然而，N-芐基和N-環(huán)己基丙烯酰胺等非共軛底物無法得到所需的產(chǎn)物，這可能是由于5-exo-trig環(huán)化速率較低所致。用肉桂基代替烯丙基會使產(chǎn)率升高，相應(yīng)產(chǎn)物為42，收率為86%。 

為驗證該工藝的實用性，作者進行了克級規(guī)模實驗，得到了相應(yīng)的烯丙基硅烷1，產(chǎn)率72%。作者還進行了一系列機理實驗，以了解脫氫硅化過程。在2當量自由基清除劑TEMPO的存在下，1的形成被完全抑制，氣相色譜檢測不到H₂，這意味著反應(yīng)是一個自由基過程。當使用N-甲基-N-苯基丙烯酰胺時，未檢測到相應(yīng)的乙烯基硅烷產(chǎn)物43，表明該反應(yīng)具有較高的區(qū)域選擇性。此外，N-甲基-N-苯基乙基丙烯酰胺也與此反應(yīng)相容，只得到Z異構(gòu)體產(chǎn)物。通過分子間競爭同位素效應(yīng)實驗確定了動力學同位素效應(yīng)(KIE)值為2.8，表明甲基C-H鍵斷裂可能是該反應(yīng)中的一個動力學相關(guān)步驟。隨后進行了發(fā)光淬滅研究，如Stern-Volmer圖所示，Co(dmgH)₂PyCl具有更大的淬滅程度，并表現(xiàn)出對激發(fā)態(tài)4 CzIPN*單電子氧化的動力學偏好。為了揭示自由基的機理，作者設(shè)計了電子順磁共振(EPR)實驗，觀察了DMPO作為自旋捕獲劑對自由基中間體的俘獲。EPR信號清楚地指示了自旋加合物的形成，可以得出結(jié)論，硅自由基對N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺中加成后，反應(yīng)過程中產(chǎn)生了碳中心的自由基。

圖5. 克級規(guī)模實驗及機理研究（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

基于上述研究和早期報道，作者提出了一種可能的反應(yīng)機制，如圖6所示，基態(tài)光催化劑4CzIPN在可見光照射下產(chǎn)生激發(fā)態(tài)光催化劑4CzIPN*，被Co(dmgH)₂PyCl 催化劑A氧化生成Co(Ⅱ)物種B。隨著光催化循環(huán)的完成，生成的氧化性4CzlPN⁺物種氧化奎尼丁生成奎尼丁自由基陽離子。高親電性的奎尼丁自由基陽離子選擇性地從TTMSS的氫鍵中攫取氫原子，產(chǎn)生相應(yīng)的硅自由基。隨后硅自由基對缺電子的烯烴加成，形成以碳中心的自由基中間體。同時，Co(II)物種B可以接受自由基得到加合物C，在輻射下Co-C鍵的斷裂和隨后的β-H的消除得到最終的烯丙基硅烷和氫鈷D，后者可以與另一個質(zhì)子反應(yīng)釋放H₂。 

圖6. 可能的反應(yīng)機理（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

總結(jié)：蘭州大學許鵬飛教授課題組開發(fā)了光氧化還原催化、氫原子轉(zhuǎn)移和鈷催化協(xié)同合成烯丙基硅烷的方法。該脫氫硅化反應(yīng)具有區(qū)域選擇性高、官能團耐受性好、底物范圍寬、反應(yīng)條件溫和等特點。此外，這種無氧化劑體系提供了一種比傳統(tǒng)催化更清潔、更有效的方法，不需要使用當量或過量氧化劑。而且，該反應(yīng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于在許多生物活性分子骨架中引入硅基團，在有機合成和藥物研發(fā)中具有重要應(yīng)用價值。

撰稿人：詩路化語