Hosea M. Nelson

Hosea M. Nelson于2004年在UCBerkeley取得学士学位，2012年在加州理工取得博士学位，导师B.M.Stoltz, 2012-2014年在UCBerkeley做博士后，导师Dean Toste, 2015年加入UCLA。

在过去的80年中，苯基阳离子中间体广泛出现于各种C–H芳基化反应中。虽然这些例子开启了一些理论和机理的研究，但芳基阳离子等价物在有机合成方法学中受到了的关注还是比较有限，这主要是由于它们的高能量、混杂的反应类型阻碍了其在分子间选择性过程中的应用。

自1891年，Merling等人在不知情的情况下制备出了芳香性的䓬翁离子，碳正离子在理论化学的发展和实践中都扮演了非常重要的角色，但由于稳定性较差、反应不可控等，芳基碳正离子在合成方法学的应用还较少，甚至苯基碳正离子是否作为反应中间体的存在都是一个争论的问题。

图 1 包含苯基碳正离子的反应

如图 1A 所示，1936 年，Mascarelli 等人通过重氮盐制备芳基碳正离子，进而发生分子内的碳氢键插入得到芴化合物2。Siegel 等人也报道了氟苯类底物在硅催化剂作用下发生分子内傅克反应的案例。本文作者在前人工作的基础上，提出了如图1C所示的设想，邻位带有三甲基硅基TMS的氟苯在[Et3Si]+[HCB11Cl11]-的作用下，形成芳基碳正离子，对烃类碳氢键插入。作者认为，邻位三甲基硅基取代的芳基氟化物作为芳基碳正离子等价物有以下优点：(1) 邻位硅取代基对芳基碳正离子具有稳定作用，降低了碳氟键断裂的能垒；(2) 硅取代基的给电子作用可能会提高芳基碳正离子物种对碳氢键的插入能力；(3) 完成碳氢键官能团化后，硅取代基很容易发生消除而被脱去。

图 2 底物扩展一

如图2所示，作者对底物进行了考察，邻位带有 TMS 的氟苯及其类似物，在[Ph3C]+[HCB11Cl11]-和 Et3SiH 作为引发剂，反应中原位产生催化物种[Et3Si]+[HCB11Cl11]-条件下，60 度左右反应，实现了β-硅基稳定的芳基正离子对于苯环的碳氢键插入，得到相应的联苯类化合物，产率中等到优良。苯环上可以带有卤素、烷基、苯基、烷氧基等，当分子中有两个邻位 TMS 的氟苯单元时，则得到和两个苯环连接的产物（entry 11），当分子中带有OTBS 基团时，反应结束后硅保护基TBS也会脱除（entry 12）。

图 3 底物扩展二

除了和苯环可以反应之外，作者还尝试了其它烷烃、环烷烃以及甲烷等，也都能以中等的收率得到相应的碳氢键插入产物。其中，七元环需要较高的温度。

接着作者对反应机理进行了研究并提出了可能的催化循环，[Ph3C]+[HCB11Cl11]-和 Et3SiH 作为引发剂，产生活性物种[Et3Si]+[HCB11Cl11]-，通过三乙基硅基正离子攫取芳基氟化物中的氟形成 β-硅基稳定的芳基碳正离子5，随后发生烃类分子的 C-H 键插入得到 Wheland 中间体6，硅基离去得到产物7，而生成的硅基正离子进入新的催化循环继续攫取底物中的氟。如图 5B 所示，作者还通过不同位置的 TMS 保护基的对照实验证实了硅基在该反应中的重要作用。

图 4 可能的催化循环

作者还通过设计不同位点正丁基取代的芳基氟化物参与反应，排除了反应经历苯炔中间体的过程。而氘代实验表明碳氢键插入是一个协同的过程，动力学同位素实验表明碳氢键插入正是整个反应的决速步。

图 5 对照实验对于机理的研究

总结

Nelson课题组通过[Ph3C]+[HCB11Cl11]-和Et3SiH作为引发剂，反应中原位产生催化物种[Et3Si]+[HCB11Cl11]-，实现了β-硅基稳定的芳基正离子对于sp2和sp3碳氢键的插入，实现了非活化烃类的碳氢键官能团化，该反应不仅可以在相对温和的条件下实现不同芳基氟化物对苯的碳氢键插入，还可以实现包括甲烷在内的烷烃分子的碳氢键官能团化，是对传统的过渡金属催化剂催化的碳氢键活化的重要补充。但文章的例子还比较局限，产率还待进一步提高，相信通过不断的改进，这种非过渡金属催化的碳氢键插入反应还是大有用武之地的。