四硅烷用于时间控制的钯催化C-H活化发散性合成硅杂环化合物

硅杂环化合物在有机合成、药物化学以及材料科学中有广泛的应用，因此发展其高效合成方法具有重要意义。过渡金属催化C-Si键构建是合成硅杂环化合物最直接有效的方法。典型的策略包括：（1）将硅基预先引入有机骨架，然后关环合成硅杂环化合物；（2）三元或四元硅杂环化合物的扩环反应；（3）有机底物与简单硅试剂的分子间环化反应。与前两种策略取得的进展相比，第三种策略虽然具有吸引力但仍然报道较少。主要原因有三个：（1）硅试剂稀缺；（2）反应模式单一，受限于环加成反应；（3）底物类型受限。因此，使用新的硅试剂和有机底物来发展合成硅杂环化合物的新方法是非常必要的。1,4-二氧杂环己硅烷（ODCS）易合成，但是对其反应性的研究却非常滞后。直到2021年，南京大学史壮志教授课题组才首次披露了ODCS作为硅试剂的应用，通过P(III)导向基团协助的C−H活化策略合成了硅杂环化合物（图1b）。在他们的报告中，ODCS试剂被用作二硅氧烷单元，通过两次将Si - Si键氧化加成到Pd(II)上来构建了杂芳烃稠合的二硅氧杂环化合物。鉴于目前的进展，进一步探索这种四硅烷试剂ODCS在其他底物上的应用是非常必要的。

图1. 过渡金属催化硅试剂与有机分子的分子间环化反应

湖南师范大学梁云/杨源课题组近年来致力于C,C-环钯物种的转化反应研究。利用多类偶联试剂捕获五元C,C-环钯物种，发展了系列C-H活化/脱羧环化反应、C-H活化/硅基化反应（Chem. Sci. 2021, 12, 11756；Org. Lett. 2022, 24, 7282；Org. Lett. 2022, 24, 1400；Org. Lett. 2021, 23, 7150；Org. Lett. 2021, 23, 5744；Org. Lett. 2021, 23, 2878；Org. Lett. 2021, 23, 2610；Org. Lett. 2019, 21, 9960；Org. Lett. 2019, 21, 7284；Org. Lett. 2019, 21, 2718；Org. Lett. 2018, 20, 5402；Org. Lett. 2018, 20, 2997；Org. Chem. Front. 2022, 9, 3414；Org. Chem. Front. 2021, 8, 6535；Org. Chem. Front. 2021, 8, 5687；Org. Chem. Front. 2020, 7, 2075；Org. Chem. Front. 2020, 7, 2016）。在前期研究基础上，该课题组近期在该方面取得了新的进展，发现了一种四硅烷（ODCS）用于时间控制的钯催化C-H活化发散性合成硅杂环化合物的方法。该反应利用ODCS试剂捕获五元C,C-环钯物种，以反应时间为控制开关，可实现丙烯酰胺、2-卤代-N-甲基丙烯酰苯甲酰胺和2-碘联苯三类不同底物的转化，从而选择性合成了不同环尺寸的硅杂环化合物，包括十元、七元、五元硅杂环化合物。

通过对催化剂、配体、碱、溶剂、温度、时间等进行调控确定了优条件。随后，作者对螺环底物做了一系列拓展，结果显示不同的官能团（CF₃、COOCH₃、NO₂等）均表现出较好的耐受性，产物3、4和5在不同的时间下分别获得中等至良好的产率（图2）。

图2. 螺硅杂环化合物合成的底物范围

同时作者发现底物6与2在室温下即可实现十元或七元稠合硅杂环的高效组装，且表现出不错的底物兼容性。这极大的拓展了试剂2的普适性（图3）。

图3. 稠合硅杂环化合物合成的底物范围

在后续的探究中作者发现2-碘联苯同样适用于该策略（图4a）。作者也对部分硅杂环分子进行了一些有趣的转化。比如，十元硅杂环可以继而获得11元环的硅杂环分子13-15（图4b）；通过简单操作的氘代实验便获取高氘代率的杂环分子16和17（图4c）。

图4. 2-碘联苯的硅环化及产物的合成转化

为了明确反应的历程，作者做了一系列控制实验（图5），结果表明环钯物种可能为反应的中间体（图5a）。七元和五元硅杂环的生成由相应的十元和七元硅杂环只需要在K₂CO₃的协助下即可通过分子内缩环得到（图5b）。作者还通过实时GC-MS监测实验，监测到多种环状硅氧烷副产物的生成，并且这些硅氧烷随反应时间的延长呈现特定的变化规律。这些结果也证明了缩环过程发生的是Si-O和Si-C键的断裂（图5d）。最后，作者发现开链硅醇在K₂CO₃的协助下无法获取相应的产物，这也说明缩环过程是分子内协同的过程（图5g）。

图5. 机理实验

根据上述实验结果及相关文献，作者提出了可能的机理（图6）。1a与Pd(0)氧化加成，随后发生分子内碳钯化反应形成σ-烷基钯中间体A。接下来，中间体A经过C-H活化生成螺环钯杂环B，通过两个可能的途径，包括氧化加成/还原消除（途径a）和转金属化/还原消除（途径b），生成中间体D或D'。紧接着，中间体D或D'的还原消除生成Pd(0)和3。在碱K₂CO₃的协助下，十元硅环3通过两个Si-O键的断裂和一个Si-O键的形成发生缩环迅速转化为4和中间体G。与此同时，中间体G发生二聚产生2，2 在K₂CO₃和DMA存在的条件下进一步转化为环硅氧烷21-23。最后，4通过Si-O/Si-C键的断裂和一个Si-C键的形成发生缩环反应得到5和H，H通过聚合生成环硅氧烷21-23。此外，在从3到4到5的转化中，还不能排除通过断裂另一个Si-O键的另一条途径。

图6. 可能的反应机理

综上所述，湖南师范大学梁云/杨源课题组发展了一种多功能化四硅烷用于时间控制的钯催化C-H活化发散性构建硅杂环的串联硅环化反应，实现了多样性硅杂环的高效合成。该方法为有机硅杂环的合成提供了新思路。

该工作近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章第一作者为湖南师范大学的徐焱坤博士和孙鸣婕硕士，通讯作者为杨源副教授、梁云教授。

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）：

Versatile Tetrasilane for Time-Controlled Palladium-Catalyzed Divergent Synthesis of Silacycles via C–H Activation

Yankun Xu, Mingjie Sun, Weiwei Xu, Guobo Deng, Yun Liang*, and Yuan Yang*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c02875

杨源副教授简介

杨源，理学博士，副教授，硕士生导师，湖南省优青，长沙市杰青。2011年6月和2014年6月在湖南师范大学获得学士和硕士学位，2018年6月毕业于湖南大学获理学博士学位。2018年7月加入湖南师范大学化学化工学院。2019年入选学校世承人才计划"青年优秀人才"。近年来致力于环钯物种的转化反应研究，在脱羧环化反应、硅基化反应、C-H活化/串联反应等领域取得了一系列研究成果。目前以通讯/第一作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Org. Lett.、Org. Chem. Front.、Chem. Commun.、Chin. Chem. Lett.等期刊上发表学术论文30余篇。主持国家自然科学基金面上/青年项目、湖南省自然科学基金优秀青年项目、长沙市杰出创新青年项目等8项。

课题组简介

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