祝诗发/孙天宇Angew：轴向配体调控双核铑催化合成联烯基硅烷

双核铑(II,II)配合物是一种典型的具有螺旋桨型（灯笼型）结构的双核金属配合物，每个铑原子具有八面体分子几何结构。其由一个铑-铑金属键、四个桥联的配体和两个轴向的空配位点组成。通过改变与两个铑原子相连的桥联配体，可以很好地调节双核铑配合物的特性与实现立体控制。因此，双核铑配合物在卡宾和氮宾的转移反应中得到了广泛的应用。然而，通过轴向配体对双核铑的调控则往往受到忽略。双核铑配合物的轴向位置常常作为亲电活性位点，易被弱配位的溶剂分子所占据，在铑卡宾化学中普遍存在。当双核铑配合物轴向引入配位性更强的Lewis碱配体，如膦配体、氮杂卡宾等配体时，其能够有效降低双核铑配合物的亲电性，虽然这种轴向配位作用在铑卡宾化学中一定程度上会毒化双核铑催化剂，却可以为双核铑带来新的催化应用，如芳基化、硅化、碳氢活化、烯丙基烷基化（图1a）。

联烯基硅烷是有机合成中重要的砌块。其中一种广泛的合成方法是基于炔丙醇衍生物的S_N2’型的硅基取代反应。对于这类方法，大部分需要用到硅基铜、硅基锌、硅基硼等官能团化的硅试剂。然而，直接利用简单易得的氢硅烷作为硅化试剂来合成联烯基硅烷则更具挑战性。由于氢硅烷的还原性特点，该过程存在多种竞争副反应，如底物的S_N2’还原、底物和联烯产物中不饱和键的直接还原和氢硅化等，这些潜在的竞争反应使得催化体系变得非常复杂。最近，Mirura和Shishido课题组巧妙地使用氢硅烷和炔丙醇酯为原料，在Au/ZrO₂催化下选择性得到联烯基硅烷。与传统的炔烃插入到金属-硅基物种途径不一样的是，该反应涉及硅基自由基和联烯基自由基的偶联。在他们的工作中，一系列带有内炔的炔丙醇酯能够作为合适的底物，然而，该工作对含有端炔的底物则没有报道。因此，开发一种用带有端炔的炔丙醇酯去构建联烯基硅烷的通用方法仍然是非常必要的（图1b）。

近日，华南理工大学祝诗发（点击查看介绍）课题组在他们前期双核铑催化碳碳三键转化系列工作基础上（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 8452-8456; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12405-12409; Sci. China Chem., 2020, 63, 1230; Chem. Sci., 2021, 12, 13730-13736; J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 14916-14925; Chem. Sci., 2022, 13, 1992-2000; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202305864）报道了新的研究进展，他们通过轴向胺配体调控双核铑的反应性，使用带有端炔的炔丙醇酯与简单易得的氢硅烷通过S_N2’型硅化反应得到联烯基硅烷化合物。该反应具有宽泛的底物适用性和优异的官能团耐受性。在该反应中，ON-OFF效应十分显著，不添加胺配体时，反应基本无法发生（OFF），加入催化量的胺配体时，反应能够顺利进行（ON）。为了深入理解轴向配体在催化过程中的作用，他们与北京大学深圳研究生院孙天宇博士在理论计算方面进行合作发现：胺配体在促进Rh-Si物种的形成与烯基铑物种发生β-氧消除发挥着重要作用。其中，双核铑配合物是通过协同金属化-脱质子（CMD）的机制实现Si-H键活化进而选择性产生Rh-Si物种，这种CMD机理代表了双核铑催化的全新反应模式（图1c）。

图1. 研究背景

首先，作者以炔丙基碳酸酯1a与三乙基硅烷2a作为模板底物，对Rh₂(OAc)₄催化的S_N2’型硅化反应进行了条件筛选。当只使用Rh₂(OAc)₄时，该反应基本无法发生。作者认为可以外加轴向配体来调控反应的活性。因为当轴向配体先与双核铑配合物中的一个铑原子配位时，体系中的电子会经过Rh-Rh键的传递，进而影响另一个轴向未配位的Rh原子的电子云密度和催化活性。作者在体系中引入膦配体、氮杂卡宾配体、吡啶等配体时，该反应也基本无法得到联烯基硅烷产物3a。而当使用胺配体时，反应能顺利进行。通过一系列的胺配体添加剂的筛选，作者确定了EDCI·HCl为最优的轴向添加剂。最后，通过对催化剂、反应溶剂和炔丙醇酯上的离去基团进行考察筛选，作者确定了最佳反应条件为：2mol% Rh₂(OAc)₄作为催化剂、3 mol% EDCI·HCl作为轴向添加剂，THF作为溶剂、-OCO₂Me作为离去基团，80 ℃条件下反应，以76%的核磁产率（71%的分离产率）得到目标产物联烯基硅烷化合物3a（图2）。

图2. 条件筛选

在最优条件下，作者对该催化体系的底物适用范围进行了考察。带有末端炔烃的芳基/烷基取代的二级/三级炔丙醇酯化合物、不同种类的三级硅烷在标准条件下都能实现转化（图3&图4）。同时，该反应表现出良好的官能团兼容性，能够兼容烯烃（3k, 5i-5k）、硅醚（3g, 5u）、硫醚（3m）、卤素（3o-3q, 5n）、硼酸酯（3r）、胺（3e, 5y）、酰胺（3v, 5z）、酯基（3w, 3as, 3av, 5t, 5v）、腈基（3z）、硝基（3ab）、缩酮（5x）等官能团。呋喃（3aj, 5w）、噻吩（3ak）、吲哚（3al）等杂环结构都可兼容、然而，含有与双核铑配位能力强的吡啶（3al）、噻唑（3am）杂环结构的底物则无法得到目标产物。该方法对天然产物衍生分子的后期修饰也同样适用。作者用一系列市售用于香料（新洋茉莉醛、柑青醛）、食品添加剂（胡椒醛、藜芦醛、甜瓜醛、羟基香茅醛）、生物活性（脯氨醛、豆腐果苷）的天然产物的醛制备相应的炔丙醇酯，这类底物均能以中等至良好的产率得到目标联烯基硅烷，进一步证明了该方法在合成中的应用潜力（图5）。

图3. 芳基炔丙酯底物适用性考察

图4. 烷基炔丙酯底物适用性考察

图5. 天然产物分子的后期修饰

随后，作者对反应的实用性进行了研究。该反应能够以31.6 mmol的规模在4‰ Rh₂(OAc)₄催化下以55%的产率得到相应的联烯基硅烷8a。另外，联烯基硅烷也可以进行多样性的转化，如还原、氧化、溴化、锡基化、环化、Hiyama偶联等过程均能顺利地进行（图6）。

图6. 合成应用

紧接着，作者进行了机理探究实验。以末端炔被氘代的底物d-1a作为原料在标准条件下进行反应，联烯基硅烷上的氘没有发生迁移，表明反应没有经历亚丙二烯基卡宾（allenylidene）及其对该中间体的硅氢插入进程（图7a）。另外，作者在催化体系中分离到炔烃的氢硅化产物10a和10a’，而中间体10a无法得到目标产物（图7b）。通过在标准条件下额外加入氘代甲醇来测定10a’的氘代率，作者发现10a’含有部分氘，这间接表明催化体系可能经历了烯基铑物种（图7c）。为了进一步阐明催化体系中的活性物种，作者制备了一个EDCI轴向配位的双核铑配合物Complex A，其在标准条件下能够以优异的产率得到目标产物。同时，当EDCI大大过量时，反应基本被抑制，这表明Complex A可能为反应的活性物种（图7d）。除此之外，UV-vis和XPS实验表明了双核铑配合物在反应中没有解离成单体（图7e-f）。

图7. 机理研究

为了进一步探究反应机制，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算。为了方便计算，作者选用Me₃N作为模板配体。首先，作者对双核铑配合物活化Si-H键的路径进行了探讨。Rh₂(OAc)₄与三乙基硅烷通过σ-键复分解产生Rh-H或Rh-Si物种的活化能垒很高（TS1-Me₃N-a，TS1-Me₃N-b），以至于在该催化体系中以这两种模式活化氢硅烷是不利的。然而，以协同金属化-脱质子（CMD）的机制活化Si-H键的活化能垒则大大降低。对于过渡态TS1-Me₃N-c，其活化能为34.0 kcal•mol^-1，而对于胺配体在双核铑轴向位置时的过渡态（TS1-Me₃N），其活化能则更低，为21.4 kcal•mol^-1（图8）。

图8. 双核铑活化Si-H键的路径

随后，他们对整个反应的势能面进行了计算（图9a）。当产生的Rh-Si物种INT2-Me₃N对炔丙醇酯上的炔烃进行加成时，由于大位阻的硅基和底物存在排斥作用，硅基倾向于加成到炔烃的β位。经过过渡态TS2-Me₃N-β得到的三元环铑卡宾中间体INT3-Me₃N为η²-烯基铑物种，是σ-烯基铑物种的价键异构体，其经过过渡态TS3-Me₃N发生β-氧消除得到目标产物联烯基硅烷。这一步的活化能为30.7 kcal•mol^-1，是整个反应的决速步。对于三元环铑卡宾中间体INT3-Me₃N发生质子化的路径，其活化能（TS4-Me₃N）比β-氧消除（TS3-Me₃N）高5.2 kcal•mol^-1，不利于氢硅化产物的生成。最后，通过β-氧消除得到的INT4-Me₃N异构成更稳定的INT5-Me₃N，该中间体被双核铑通过CMD机制活化Si-H键产生的AcOH质子化，释放出CO₂和MeOH与重生催化剂。除此之外，作者通过与不加三级胺配体的催化体系的势能面（图9b）进行比较，作者认为三级胺配体在反应中的ON-OFF效应发挥着至关重要的作用。第一，轴向胺配体可以降低双核铑配合物活化Si-H键的能垒，其可以归因于Me₃N比溶剂THF具有更强的给电子能力，进而使得双核铑上的醋酸根更容易解离，进而通过CMD机制促进Rh-Si物种的形成。第二，胺配体可以增加与其轴向配位的一个铑原子的电子密度，通过Rh-Rh键发生电子传递，进而提升另一个作为反应位点铑原子的电子密度，进而电子供给到酯基上的C=O σ*轨道上，促进了β-氧消除。

图9. 反应势能面DFT计算

综上所述，祝诗发课题组通过轴向胺配体微调双核铑配合物的反应特性的策略，开发了一种含端炔的炔丙醇酯与氢硅烷经由S_N2’型硅基取代反应合成联烯基硅烷化合物的方法。该反应高效，底物适用性较广，官能团耐受性优异，高度官能团化的产物可进行丰富的转化。计算化学和控制实验证明了双核铑配合物轴向上的胺配体对于反应的ON-OFF效应十分显著，在促进Rh-Si物种的形成与烯基铑物种发生β-O消除发挥着重要作用。此外，双核铑配合物通过协同金属化-脱质子机制活化氢硅烷的模式是前所未有的。该工作为双核铑催化应用提供了新的思路。

该工作的第一作者是华南理工大学博士生李文登，祝诗发教授和孙天宇博士为共同通讯作者。

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）：

Axial Ligand Enables Synthesis of Allenylsilane through Dirhodium(II) Catalysis

Wendeng Li, Rui Wu, Hao Ruan, Bo Xiao, Xiang Gao, Huanfeng Jiang, Kai Chen, Tian-Yu Sun, Shifa Zhu

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202409332

导师介绍

祝诗发

https://www.x-mol.com/university/faculty/16816