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John F. Hartwig 最新JACS： 铱催化二级C(sp3)-H位点选择性硅基化

来源：化学加原创      2023-09-04
导读：近日，美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）John F. Hartwig课题组在铱催化下立体选择性的实现了醇或酮的氧原子γ-位二级C-H的硅基化，并通过后续的氧化，立体选择性的构建了一系列反式1,3-二醇。反应利用简单的双脒配体即可实现，且在具有末端一级或近端二级C-H键的情况下可以高选择性的实现了氧原子γ-位二级C-H的硅基化。初步的机理研究表明，由于强给电子双脒配体的高结合常数导致了催化剂具有较长的寿命，从而获得了新的反应活性。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章链接DOI：10.1021/jacs.3c03127。
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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

正文

过渡金属催化的C-H键选择性官能团化为有机分子的合成及衍生化提供了新的策略。在这些官能团化过程中，C-H键硅基化是非常有价值的，因为有机硅烷产物很容易分离并进行各种衍生。烷基C-H键的催化硅基化可以发生在分子间或分子内。虽然已有文献报道通过对醇的高区域选择性β、γ和δ位的末端C-H键硅基化反应来生成环硅烷，而后通过氧化形成1,2-二醇、1,3-二醇和1,4-二醇（Scheme 1A），但是分子内二级C(sp3)-H硅基化则还未有报道。然而，二级C-H键的硅基化比一级C-H键的硅基化更具挑战性，主要是由于C-H键的氧化加成比一级C-H键的氧化加成要慢。虽然John F. Hartwig课题组在2014年报道了二级C-H键的分子内硅基化反应（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 6586），但反应底物的选择则具有一定的局限性（Scheme 1B）。因此，发展更先进的催化体系来实现二级醇和酮的二级C-H键的硅基化具有重要意义。最近，美国加州大学伯克利分校John F. Hartwig课题组发展了铱/双脒配体催化体系，选择性的实现了二级醇或酮的氧原子γ-位二级C-H的硅基化，并通过后续的氧化，构建了反式1,3-二醇（Scheme 1C）。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。
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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
首先，作者以硅醚1作为模板底物进行反应探索（Table 1）。通过一系列配体筛选，作者发现当使用[Ir(cod)OMe]2 (3.0 mol%), 双脒配体L12 (6.5 mol%), nbe (norbornene, 降冰片烯，1.5 equiv), 在THF中100 oC反应，可以以77%的产率得到γ-位C-H硅基化产物2。
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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
接下来，作者利用二级醇或酮作为底物，首先通过[Ir(cod)OMe]2催化的脱氢硅基化或氢硅化得到相应的硅醚，随后经历作者发展的γ-位C-H硅基化以及后续的Tamao-Fleming氧化实现了一系列1,3-二醇的合成（Table 2）。实验结果表明，一系列对称的二级醇、非对称的二级醇（在小位阻的C-H键一侧）均可顺利参与反应，以45-67%的产率得到相应的1,3-二醇6a-6g。环二级C-H键也可顺利实现γ-C-H硅基化，以36-92%的产率得到产物6h-6j。此外，此体系对一系列环状化合物具有良好的普适性，包括中到大环、螺环、桥环等，以25-59%的产率得到1,3-二醇产物6k-6r。值得注意的是，对于3t’，可以选择性的在二级C(sp3)-H发生硅基化。之所以没有在C(sp2)-H位点发生硅基化可能由于会形成八元氧硅环产物。当作者使用萜烯类化合物[1S-endo]-(−)-borneol反应时，可以以43%的产率得到platydiol，且氧原子的α-位并没有发生差向异构化（Scheme 2）。

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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
随后，作者对此体系的官能团兼容性进行了进一步考察（Table 3）。当没有添加剂时，1在标准条件下可以以85%的产率得到2。当体系中存在23类官能团时，包括烷基和芳基卤化物、叔和仲烷基胺、芳基胺、叔酰胺、邻苯二胺、脲、硫脲、氨基甲酸酯、磺胺、叔和仲醇、缩醛、酮、酯、碳酸盐、1,1-和1,2-二取代烯烃、三取代烯烃等，均对产物2的产率没有太大的影响。而其中七类官能团对此转化有一定的影响，包括二级和一级酰胺（7j, 7k）、烷基和芳基腈（7q, 7r）、伯醇和醛（7u,  7x）、单取代烯烃（7ab）。
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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
为了理解反应机理，作者进行了一系列控制实验。首先KIE实验表明C-H键的断裂为此转化的决速步骤（KIE = 2.2）（Scheme 3）。随后，作者以9为原料，分别以tmphen和L12为配体测量了其C-H硅基化的反应时间进程。实验结果表明铱催化剂与L12配体结合成的铱络合物的寿命有所延长，而并不是反应速率的提高（Figure 1）。最后，作者利用竞争实验得出配体L12更易于与铱催化剂形成铱络合物（Scheme 4）。由于L12对Ir(III)金属中心的结合亲和力大于tmphen，由此导致由L12生成的催化剂比tmphen生成的催化剂寿命更长。
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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
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（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结

John F. Hartwig课题组发展了铱/双脒络合物催化体系，通过选择性γ-位二级C-H的硅基化以及后续的氧化，实现了一系列反式1,3-二醇的合成。反应具有良好的底物适用性和官能团兼容性。机理研究表明C-H活化为此转化的决速步骤，且强给电子的双脒配体可以延长催化剂的寿命。

文献详情：

Jake W. Wilson, Bo Su, Makoto Yoritate, Jake X. Shi, John F. Hartwig*. Iridium-Catalyzed, Site-Selective Silylation of Secondary C(sp3)-H Bonds in Secondary Alcohols and Ketones. J. Am. Chem. Soc., 2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c03127.

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