尽管截至目前自然界中仍未发现天然的有机硅化合物，然而人工合成的有机硅化合物已经在人类社会中产生了深远的影响，其在药物合成、高分子聚合以及复合功能材料领域都有着举足轻重的应用。其中烯丙基硅烷和高烯丙基硅烷都是重要的有机硅单体，是多数烯丙基化过程以及聚合有机硅材料的来源。但是，高效且经济的规模化制备高纯度烯丙基硅烷和高烯丙基硅烷方法仍然非常稀少，其中共轭二烯的3,4-硅氢化反应是极具发展前景的方法之一。近日，上海交通大学张兆国课题组开发了新颖的镍催化的区域发散性的共轭二烯硅氢化反应，为这一问题的解决提供了新的思路（Chin. J. Chem., DOI: 10.1002/cjoc.202300407）。
区域选择性发散的镍催化共轭二烯3,4-硅氢化反应
共轭二烯的高区域选择性硅氢化反应对于精准制备高质量的烯丙基硅烷和高烯丙基硅烷具有非常重要的意义，经过数十年中化学家们的不断探索，已经成功开发了针对共轭二烯的1,4-硅氢化反应（包括马氏和反马氏选择性）的选择性催化体系。然而，适用于3,4-硅氢化反应的催化体系，尤其是3,4-反马氏选择性，却鲜有报道，主要原因是：第一，共轭二烯更加偏向于与过渡金属催化中心形成螯合的双齿配位模式，直接导致1,4-加成过程的发生；第二，在单配位催化过程中，邻位的烯烃对于过渡金属中心具有一定的配位稳定化作用（或者形成烯丙基金属中间体），导致3,4-马氏选择性的发生。因此，发展高区域选择性的共轭二烯3,4-反马氏硅氢化反应对于高烯丙基硅化合物的合成具有非常重要的意义。目前，针对性开发适用于共轭二烯3,4-反马氏硅氢化反应的催化体系主要依赖多齿配体占位策略，即通过引入（使用）具有多重强配位能力的配体优先占据多余的过渡金属催化中心配位点，迫使共轭二烯以单配位模式参与反应，并减少邻位烯烃的配位稳定化作用，进而诱导3,4-反马氏选择性的发生。近年来，以吡啶双亚胺等优势骨架为代表的多齿钳形配位已经被成功应用于丰产金属催化的共轭二烯3,4-反马氏硅氢化反应，Ritter小组、RajanBabu小组、Thomas小组、陈庆安小组以及朱守非小组在此领域做出了极具创新性的工作。然而，这些配体的引入无疑增加了反应的运行成本，并且目前还没有能够对3,4-硅氢化反应的区域选择性进行有效调控的配体报道。因此，开发更具经济性的区域发散性共轭二烯3,4-硅氢化反应就显得尤为重要了。上海交通大学张兆国课题组近年来一直致力于开发廉价高效的硅氢化反应的研发及应用研究，此前该课题组已经成功开发了一类新颖的无需额外配体参与的镍催化的区域选择性专一的烷基端烯的高效反马氏硅氢化反应（Org. Lett. 2021, 23, 1434–1439），并提出了一种零价镍催化的亲电硅氢化反应过程来解释反应具有的专一的反马氏选择性。以此为基础，作者设想将亲电活化硅氢化过程应用于共轭二烯的硅氢化反应中，由此可以直接规避多烯烃配位对于反应的影响，高选择性的获得3,4-反马氏加成反应。在-30ºC的低温环境下，经过一系列条件优化，使用NiCl2（DME）作为催化剂以及叔丁醇钾作为活化剂，成功实现了对于单取代芳基共轭二烯的高选择性3,4-反马氏硅氢化反应，制备了多种新颖的高烯丙基硅烷化合物。研究发现，反应温度对选择性有着明显的影响，低温下有利于亲电硅氢化过程的发生因而促进了3,4-反马氏选择性的发生。而非配位性溶剂和其他二价镍前体都会对反应的效率或者选择性有一定的负面影响。通过底物适用性研究，作者发现该体系对于富电子的共轭二烯具有极为良好的反应效果，同时兼容各类卤素和杂环。然而，对于强贫电子的共轭二烯和烷基共轭二烯，反应的区域选择性会大大降低。为了延展该体系的实用性，作者针对不适用于该催化体系的底物类型（如烷基共轭二烯或强贫电子共轭二烯）筛选了大量配体，但是大部分的常见配体均没有表现出显著的选择性调控趋势。有趣的是，当使用简单的三苯基膦作为配体的时候，反应的区域选择性发生了明显的翻转，主要得到了3,4-马氏选择性。于是，作者基于此现象进行了详细的条件优化，最终在25ºC的反应温度下，同样使用NiCl2（DME）作为催化剂以及叔丁醇钾作为活化剂，并在PPh3作为配体的条件下成功实现了对于单取代芳基共轭二烯的高选择性3,4-马氏硅氢化反应。在此条件下，表现出更高的底物适用性，对于富电子的共轭二烯同样具有良好的反应效果，也兼容各类卤素和杂环，同时贫电子的共轭二烯也能顺利反应但是区域选择性有较大降低。通过简单的机理验证性实验，作者证实了两种选择性的根源来自于不同温度下反应机理的差异。在低温下（-30ºC），零价镍催化中心更加倾向于与被活化的一级硅烷形成η2-(Si−H)Ni(0)络合物，促进了硅氢键直接与末端烯烃直接发生加成得到3,4-反马氏加成产物，完成亲电活化硅氢化反应。而在室温下（25ºC），反应则会经历常见的金属氢催化的Chalk-Harrod硅氢化过程，并在单配位的膦配体的作用下，完成3,4-马氏加成选择性。综上所述，张兆国课题组通过温度调控，分别利用亲电活化硅氢化策略和单膦配体控制策略，开发了一类新颖的区域选择性发散的镍催化共轭二烯的3,4-反马氏/马氏硅氢化反应。该类反应具有温和的反应条件、简单的可操作性以及良好的官能团兼容性，能够方便地制备多种高附加值的高烯丙基硅和烯丙基硅化合物。该研究成果发表于国产化学领域权威期刊《中国化学》（Chinese Journal of Chemistry）。该论文第一作者为上海交通大学转化医学研究院博士后吴啸宇，通讯作者为上海交通大学化学化工学院张兆国教授和卢岩老师。研究工作得到了国家自然科学基金委员会和上海市手性药物分子工程重点实验室的资助。张兆国，男，上海交通大学副校长，上海交通大学化学化工学院教授、博士生导师。师从著名有机化学家陆熙炎院士和张绪穆院士，主要研究过渡金属催化的碳-碳、碳-杂键形成，手性膦配体的设计及其在不对称催化中的应用。目前在化学领域知名期刊发表论文120余篇、授权专利10余项，科技成果转化5项；曾入选中国科学院百人计划、上海市科技启明星及科技启明星跟踪计划、中科院优秀研究生导师、上海市曙光学者等。
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