【有机】JACS：钯催化烯烃的硅烷氧基环丙烷化

过渡金属催化剂参与的卡宾和烯烃的环丙烷化反应可以高效地合成环丙烷类化合物，这引起了科研工作者的广泛关注。该类反应中涉及的关键中间体金属-卡宾物种可划分为三类，分别为带有吸电子基团（I 类）、电子中性（II 类）和烷氧基（III 类）金属卡宾物种（Figure 1A）。I 类和 II 类金属卡宾可由重氮烷烃或其等价物分解生成，在烯烃环丙烷化领域已经取得了很好的发展。然而，由于相应的重氮烷烃的不稳定性，该方法不适用于 III 类金属卡宾的生成。III 类金属卡宾通常由有机锂试剂对金属-羰基配合物进行亲核加成，然后通过烷基卤化物捕获制备而成。另外，III 类金属卡宾虽然可以与烯烃发生环丙烷化反应，但通常需要化学计量的金属卡宾，这大大限制了 III 类卡宾在环丙烷化反应中的应用。

众所周知，酰基硅烷经历 1,2-硅烷基迁移可以产生硅氧卡宾，该物种或许可以与烯烃发生环丙烷化反应（Figure 1B）。然而，酰基硅烷需要在光照或高于250 °C的温度下才能够异构化为硅烷氧基卡宾。其次，由于硅烷氧基的共振效应，硅烷氧基卡宾本质上是亲核性的，目前仅实现了硅烷氧基卡宾与高度亲电性的烯烃间的环丙烷化反应。

Figure 1. Metal-meditated cyclopropanation reactions using carbine complexes.

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

过渡金属配合物主要通过两种机理模式活化酰基硅烷。一种模式是与带有X型配体的金属配合物的转金属化反应，其中酰基硅烷为亲核性酰基供体。在这种反应机理过程中，来自酰基硅烷的硅基团会从金属中心消除，无法生成硅烷氧基卡宾。另一种模式是低价态的金属物种对C(酰基)-Si键的氧化加成反应，生成的酰基甲硅烷基金属物种（R-C(=O)-M-SiR'₃）有可能异构化成金属-硅氧卡宾配合物。然而，目前仅有两种催化反应可能通过金属对酰基硅烷C(羰基)-Si键的氧化加成来进行，分别为镍催化的脱羰基化反应和钯催化的炔烃脱羰基加成反应。因此，开发能够介导酰基硅烷氧化加成、异构化为硅烷氧基卡宾和卡宾转移的催化体系仍是一项艰巨的挑战。

最近，日本立教大学的Masahiro Yamanaka以及大阪大学的Mamoru Tobisu利用酰基硅烷作为富电子卡宾的来源，在钯催化下实现了一系列烯烃的环丙烷化（Figure 1C）。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.1c11497）。

作者以酰基硅烷（1a）和降冰片烯（2h）为反应模板，对反应条件进行了优化（Figure 2）。通过对反应条件的筛选，得出最佳反应条件：Pd₂(dba)₃（2.5 mol% [Pd]），1,3-双(2,6-二异丙基苯基)咪唑-2-亚基（IPr, 5 mol%），甲苯作为溶剂，80 °C条件下反应17 h。

Figure 2. Reaction condition optimization.

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

在获得了最优的反应条件之后，作者对底物的适用范围进行了研究（Figure 3）。研究发现，一系列的末端烯烃，例如1-辛烯（2a）、烯丙基苯（2b）、苯乙烯衍生物（2c-2e），2-乙烯基苯并噻吩（2f）以及高度富电子乙烯基醚（2g），都可以很好地发生反应；对于内烯烃，仅有降冰片烯（2h）和降冰片二烯（2i）可以参与反应；当二烯烃参与反应时，反应优先发生在端位。另外，含有供电子或者吸电子基团的酰基硅烷都可以顺利发生反应。

Figure 3. Scope of the palladium-catalyzed siloxyclopropanation of alkenes using acylsilanes.

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者对该反应的机理进行了探究，如Figure 4所示。当酰基硅烷在标准条件下进行反应时（Figure 4A），观测到有7%的酰基硅烷二聚体生成；当无Pd催化剂时，则无酰基硅烷二聚体生成。这证明Pd催化剂对酰基硅烷二聚体的生成起到至关重要的作用。此外，酰基硅烷二聚体的形成也表明该反应中有硅烷氧基卡宾-钯物种参与。当硅氧卡宾-铬络合物6与烯烃2h在Pd/IPr催化剂存在下反应时（Figure 4B），得到7%收率的甲硅烷氧基环丙烷化产物3ah，进一步证明了反应有硅烷氧基卡宾-钯物种中间体参与。在标准反应条件下，向反应中加入自由基捕获剂TEMPO时（Figure 4C），反应几乎无任何影响，证明该反应未经历自由基的过程。作者还考察了烯烃的电子效应（Figure 4D），研究表明富电子烯烃更容易参与反应。这种现象与游离硅氧基卡宾只能与缺电子烯烃进行加成反应形成鲜明对比，也表明了该反应中涉及了亲电性的金属-卡宾物种。

Figure 4. Mechanistic studies.

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

为了进一步了解反应机理，作者还进行了理论计算。理论计算表明反应主要通过以下历程完成催化循环（Figure 5）：1）Pd−IPr配合物对C(酰基)−Si的氧化加成；2）硅烷基的迁移插入；3）硅烷氧基卡宾-钯物种与烯烃的[2+2]环加成；4）环丁烷钯物种的还原消去。

小结：日本立教大学的Masahiro Yamanaka以及大阪大学的Mamoru Tobisu利用酰基硅烷作为卡宾的来源，在钯催化下生成含有强给电子基团的金属-卡宾物种（即Fischer型金属卡宾），并实现了其在烯烃环丙烷化中的应用。该方法适用于多种烯烃，包括1-辛烯、苯乙烯和降冰片烯。所得的硅烷氧基环丙烷可作为高烯醇化物的等价物，易于进行酮的β-官能化。鉴于金属-卡宾配合物在有机合成化学中的巨大成就，预计硅烷氧基卡宾-钯配合物将进一步应用于各种催化转化。

论文信息：

Palladium-Catalyzed Siloxycyclopropanation of Alkenes Using Acylsilanes

Shun Sakurai, Tetsuya Inagaki, Takuya Kodama, Masahiro Yamanaka,* and Mamoru Tobisu*

J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.1c11497