摘要：本文报道了一种铜催化的多种简单烯类化合物的区域聚硅氢加成反应。线性和支链烯丙基硅烷是通过合理选择溶剂形成的。此外，在前所未有的不对称丙二烯硅氢加成反应中，借助C2对称双膦配体，支链烯丙基硅烷获得了高对映选择性（高达97%对映体过量）。
介绍：在各种有机硅烷中，烯丙基硅烷在有机合成和材料科学中的合成和功能应用排名较高。因此，人们开发了不同的方法来获取这些化合物。（2） 从合成效率和原子经济性的角度来看，烯丙基硅烷的催化直接硅氢化反应是合成烯丙基硅烷的最佳选择之一。然而，由于在烯部分中存在多个反应位点，因此该反应的区域选择性和立体选择性的控制相当具有挑战性。最近，已经成功建立了几个涉及Pd、Ni、Rh、Au、Co、Mo、Al的金属催化系统，以及一个偶发的光催化案例，以制备具有特定构型的烯丙基硅烷或乙烯基硅烷（方案1a）。相比之下，支链烯丙基硅烷的高对映选择性合成仍然极具挑战性，因为同时控制区域选择性和对映选择性是必需的。目前，报道的获取这类对映体富集的烯丙基硅烷的方案包括以下几个例子：（1）钯催化的卤代乙烯与α-硅基取代的格氏试剂的交叉偶联，（2）镍催化的卤代乙烯与α-硅基氯化苄的交叉偶联，（3）钯催化的二氟（苯基）硅烷与1,3-二烯的加成，（4）铜催化的有机金属硅试剂烯丙基取代，（5）铑或铜催化的类卡宾Si–H插入，（6）镍催化的1,3-二烯与硅硼烷和醛的三组分偶联。除了这些方法之外，γ-硅基烯丙醇衍生物的不对称烯丙基取代是合成对映体富集烯丙基硅烷的替代策略。最近，Ge等人和Huang等人报道了使用氢硅烷对1,3-二烯进行的共催化对映选择性Markovnikov 1,2-硅氢加成反应。在这项工作中，内部烯丙基硅烷产品以良好的产率和高对映体过量（ee）形成。
作为另一个理想选择，对于烯丙基的硅氢加成反应制备富含对映体的烯丙基硅烷，到目前为止，Tang的团队仅探索了一种使用钯催化剂的底物（方案1b）。然而，所需产物的区域选择性和对映选择性不能同时得到很好的控制。因此，开发高效廉价的金属催化烯烃硅氢加成反应是非常有必要的。与使用氢硅烷将铜-氢加成到烯的重大进展相比，铜催化的不饱和键的直接氢硅烷化反应很少被探索。结合对构建C–Si键的持续兴趣和之前关于功能化手性烯丙基硅烷开发的工作，在此，作者想报告铜催化的烯丙基硅烷与氢硅烷的区域聚硅氢化反应，以高收率和对映选择性提供相应的烯丙基硅烷（方案1c）。
结果和讨论
反应优化：最初，以1-苯基丙烯（1a）和PhSiH3（2a）为模型底物，研究了铜催化的烯烃硅氢加成反应，结果总结在表1中。在60°C的环己烷中，用10 mol%CuTC和CyJohnPhos（L1）在1.5 h内进行反应，并输送两种产物，确定为线性和分支硅氢加成异构体（条目1）。为了提高选择性，作者首先在环己烷中使用CuTC作为催化剂测试了不同的双膦配体（条目2-6）。令人高兴的是，当使用10 mol%的Cy-Xantphos（L6）作为配体时，以84:16（支链：线性，b:l，4a:3aa）的比率（条目6）以88%的总产率获得烯丙基硅烷产物。此外，发现降低温度有利于产物（±）-4a的形成（条目7-9）。当温度降到−10℃时，在5 mol%CuTC和5 mol%配体L6存在下，区域选择性比提高到94:6（b:l）。将苯基硅烷的负载量降低至1.5当量对产率和区域选择性没有显著影响（条目10）。受这一有希望的结果的鼓舞，作者进一步评估了基本条件下的各种Cu（I）和Cu（II）（条目11-16）。不幸的是，观察到的选择性显著降低。此外，还对各种溶剂进行了筛选。在戊烷、甲苯、四氢呋喃或Et2O中，发现产物的区域选择性非常相似（条目17-20）。值得注意的是，在卤化溶剂中，区域选择性完全颠倒。因此，线性烯丙基硅烷产品3aa以80%的产率形成，并且在DCE中作为溶剂具有良好的l:b比（>98:2）（条目21）。接下来，在DCM中进行反应，获得了93%的1H NMR产率和优异的选择性（条目22）。进一步降低温度至30°C，并将催化剂/配体的负载量降至2 mol%（条目23），对产率和选择性几乎没有影响。最后，发现1.1当量的PhSiH3足以提供良好的产品收率和区域选择性（条目24）。
二烯烃线性选择性硅氢化反应的底物范围
在优化的条件下，作者首先研究了单取代烯的底物范围，以合成线性产物3（方案2）。在此，其他硅烷，如Ph2SiH2、nC8H17SiH3和Et2SiH2（2b–2d）也被识别和耐受，但Et3SiH、（EtO）3SiH和BnMe2SiH不能产生所需的产物。值得注意的是，苯环上具有不同取代基（包括供电子基团和吸电子基团）的烯丙基硅烷都以高产率和优异的区域选择性（3aa–3la）生产出所需的线性烯丙基硅烷。当使用大体积基团取代的脂肪族烯（如1m和1n）时，在不损失效率和区域选择性的情况下获得相应的所需产物。然而，脂肪族烯类（1o–1s）不适合与PhSiH3进行线性硅氢加成反应，提供较差的l:b比率（3oa–3sa）。另一方面，大多数烯类化合物（1d–1n）通过用Ph2SiH2取代PhSiH3表现出类似的反应性。值得注意的是，尽管需要更高的催化剂负载量，但与使用PhSiH3相比，相应的线性烯丙基硅烷（3ob–3sb）的区域选择性更好。
在与单取代二烯相同的条件下检查1,1-二取代末端二烯（方案3）。研究发现，1-甲基-1-苯基丙二烯及其衍生物在苯环上具有电子多样性取代，均以良好的产率提供线性（E）-烯丙基硅烷（3a′a和3c′a–3h′a），具有良好的立体选择性和区域选择性。然而，当1-甲基-1-苯基丙烯（1a′）与环己烷中的苯基硅烷而不是DCM（3a′a）反应时，未检测到支链烯丙基硅烷产物。此外，当用乙基和正丁基取代甲基时，得到了所需的产物（3b′a和3m′a），E/Z比略有降低。此外，2-萘基（1i′）和受保护的3-吲哚烯（1j′）也具有良好的耐受性，从而得到相应的产品，效果良好。对于体积较大的1-甲基-1-环己烯作为底物，观察到E/Z比（3k′a）降低。此外，1,1-二正丁烯与PhSiH3或Ph2SiH2反应平稳，分别以良好的产率得到所需的产物3l′a或3l′b。此外，1,3-二取代、三取代和四取代的二烯是这种转化不成功的底物，这可能是因为它们的取代基造成了很大的空间位阻。
溶剂效应的密度泛函理论研究
为了了解区域选择性的溶剂依赖性，进行了DFT计算（详情见SI）。计算表明，与文献报道一致的是，最初形成的Cu–H中间体添加到形成相对稳定的末端烯丙基铜中间体（int3 CyH和int3 DCM）的二烯上。随后，在环己烷溶剂中，六元环过渡态TS2 CyH被定位，具有19.4 kcal/mol势垒，比四元环过渡结构TS3 CyH低3.0 kcal/mol（方案4a）。相比之下，在DCM中，经过多次尝试后，无法找到类似的循环过渡结构；相反，发现铜催化剂首先发生解离，解离物种cat Cu（TS2-DCM和TS3-DCM）同步激活PhSiH3（2a）（方案4b）。实际上，PES扫描显示，二氯甲烷（DCM）中铜催化剂中C–Cu键解离的电子能垒仅为17.1 kcal/mol，这支持两性离子中间体的形成。还研究了两种过渡态结构（TS2-DCM和TS3-DCM）的静电势（ESP）图（参见SI中的图S4）。计算结果也支持两性离子中间体的形成，可能是因为极性溶剂可以稳定原位生成的两性离子中间体。计算的区域选择性也与实验结果一致。
烯类化合物对映选择性硅氢加成反应的优化
基于上述研究，作者随后开始开发支链烯丙基硅烷的对映选择性合成（表2）。首先在优化条件下测试了手性配体（R，R）-Ph BPE（条目9，表1）。不幸的是，化合物（S）-4a的对映体比例适中，b:l比例较差（条目1和条目2）。为了获得高的区域选择性和对映选择性，还筛选了其他配体（条目3-5）。令人高兴的是，发现（R）-3,5-tBu-MeOBIPHEP（L9）更有效地提供90%ee的所需产品，尽管具有中等的区域选择性。值得注意的是，将Cu（OAc）2和配体的负载量降低到1 mol%对结果有积极影响（条目6和条目7），并且以82%的分离产率、93%的ee和高达96:4（b:l）的选择性（条目7）获得了所需的产物（S）-4a。
烯类化合物对映选择性硅氢化反应的底物范围
在优化的条件下，一系列支链烯丙基硅烷可以以中到高的产率（74–98%）制备，并且具有优异的区域选择性和对映选择性（方案5）。不同的芳香取代的烯丙基硅烷仍然表现出较高的反应活性，以形成相应的手性烯丙基硅烷产品，具有较高的区域选择性和对映选择性[（S）-4a-（S）-4k]。通过单晶X射线衍射分析确定了手性支化烯丙基硅烷产物（S）-4k的绝对构型。脂肪族取代的手性烯丙基硅烷产率较高，但对映选择性（4l–4n）略有降低。其他硅烷，包括nC8H17SiH3、二乙基硅烷和二苯基硅烷，被发现在形成所需产品时不起作用。
克级反应、合成应用和氘标记反应
为了进一步展示合成用途，发现线性烯丙基硅烷3aa、支链烯丙基硅烷（±）-4a和对映体富集烯丙基硅烷（S）-4a的克级合成进展顺利，且不损失区域选择性或对映体选择性（方案6a）。手性烯丙基硅烷4l可以进一步转化为其他有用的化合物，而不会降低对映选择性（方案6b）。首先，作为手性硅烷源的4l可以在铜催化剂和Cy-Xantphos（L6）存在下与苯基丙烯顺利反应，以高收率提供叔硅烷5，且不会侵蚀对映选择性。接下来，经H2O2处理后，手性烯丙基硅烷4l可以以76%的产率转化为相应的手性烯丙醇6。此外，当烯丙基硅烷4l在催化量的Cs2CO3存在下用1,4-丁二醇处理时，以65%的产率获得手性二烷氧基硅烷7。最后，在标准条件下，同位素标记的底物（4-甲氧基苯基）硅烷-d3（2e）提供氘化产物8和9（方案6c）。
综上所述，本文已经开发了一种铜催化的高度区域、立体和对映选择性的烯烃硅氢加成反应。具有芳香族和脂肪族取代基的多种单取代和1,1-二取代烯丙基与氢硅烷反应，得到相应的线性烯丙基硅烷或高度对映体富集的支链烯丙基硅烷。通过DFT计算研究，还讨论了区域选择性对溶剂选择的依赖性。
Copper-Catalyzed Regiodivergent and Enantioselective Hydrosilylation of Allenes
Jian-Lin Xu, Zhe-Yuan Xu, Zi-Lu Wang, Wei-Wei Ma, Xin-Yue Sun, Yao Fu,* and Yun-He Xu* （中国科技大学化学系）
DOI: 10.1021/jacs.2c00260
