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四川大学华西药学院宋振雷教授课题组在有机硅化学领域连发两篇JACS！

来源：四川大学      2024-09-26
导读：近期，四川大学华西药学院宋振雷教授课题组在J. Am. Chem. Soc. 期刊上连续发表两篇有机硅化学领域研究工作：宋振雷教授课题组和四川大学化学学院苏志珊教授课题组合作报道手性路易斯碱催化的外消旋氯硅烷动态动力学不对称转化构建硅手性中心；宋振雷教授课题组与重庆大学蓝宇教授课题组合作报道配体调控的区域选择性Si-C键活化构建轴手性硅杂环己烯芳烃。

01

【JACS】四川大学华西药学院宋振雷/四川大学化学学院苏志珊: 手性路易斯碱催化的外消旋氯硅烷动态动力学不对称转化构建硅手性中心

近日，四川大学华西药学院宋振雷课题组与四川大学化学学院苏志珊课题组合作，发展了首例手性路易斯碱催化的外消旋氯硅烷动态动力学转化（DyKAT），为硅手性的不对称构建提供了新的催化模式。

硅中心手性硅烷在有机合成、新材料、手性配体和药物开发等领域具十分重要的应用价值。与碳手性不同，自然界不存在硅手性，其只能通过化学合成获得。目前的合成策略主要依赖外消旋硅烷的拆分或前手性硅烷的去对称化。相比之下，外消旋硅的动态动力学不对称转化 （DYKAT）则是一种更加新颖和的合成策略，但因其挑战性大，相关报道很少。2022年，徐利文课题组报道了第一例分子内铑催化的外消旋单氢硅烷的动态动力学不对称转化（图1B，左）。2023年， List课题组利用IDPi催化剂实现了外消旋烯丙基硅烷的动态动力学不对称转化（图1B，右）。

近日，四川大学华西药学院宋振雷教授课题组和四川大学化学学院苏志珊教授课题组在氯硅烷动态动力学非对映选择性硅醚化反应  （Nat Commun, 2023, 14, 4900） 的合作研究基础上，报道了首例手性路易斯碱催化的外消旋氯硅烷动态动力学不对称硅醚化 (DYKAT)，为硅手性的不对称构建提供了一个新的思路（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 23092）。

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图1. 反应研究背景。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
在外消旋氯硅烷适用范围考察中，作者发现硅中心 “a” 基团与苯酚之间的立体效应的匹配程度对于反应取得高对映选择性至关重要。同时，硅中心“b”基团为大位阻的叔丁基基团对反应的对映选择性也起到了决定性的作用。相比之下，硅中心“c”基团为一系列供电子或吸电子取代基的芳基时，反应均可获得较高的对映选择性。动力学实验结果显示，外消旋氯硅烷和催化剂为一级动力学，苯酚和三乙胺为零级动力学。这些数据表明，催化剂对氯硅烷的活化是该反应的限速步骤。机理实验排除了去消旋化和动态动力学拆分机制的可能，而且Hammett分析表明，反应可能经历带正电的硅中间体。另外，研究证实催化剂控制了反应以动态动力学转化的方式进行，尽管整体上表现出一定的动力学拆分的属性。
根据实验和理论计算结果，作者提出了反应的机理 （图2）。外消旋氯硅烷1a和催化剂3g 相互作用形成四配位的Si1-cat和Si2-cat中间体，然后在第二分子催化剂3g的作用下，通过共同的五配位硅中间体IMA进行硅中心构型的快速转化。Si1-cat通过Si1-TS3 （7.8 kcal/mol） 快速地转化为 (R)-4f， (如图2所示，左循环)。相反，Si2-cat更倾向于通过消旋化互变为Si1-cat，然后按照上述循环生成  (R)-4f，而不是通过能量更高的Si2-TS3 （10.1 kcal/mol） 转化为(S)-4f（如图2所示，右循环）。该机理是典型的 Ⅰ-型DYKAT机制，高效地促进了外消旋氯硅烷1a向光学纯的 (R)-4f 动态动力学不对称转化，这与实验观察到的77%的收率和95:5 er一致。

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图2. 反应的可能机理。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

综上，作者发展了首例手性路易斯碱催化的外消旋氯硅烷动态动力学不对称硅醚化(DYKAT)反应，高产率、高对映选择性合成了结构多样的手性硅醚，动力学分析、控制实验和DFT计算对反应机理给予了详细的分析解释。该工作为手性硅的不对称构建提供了一种新思路，相关分析方法将对后续研究形成重要的参考，并有望在手性有机硅功能分子的开发中产生广泛的应用价值。

这一成果近期发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。四川大学华西药学院宋振雷教授和四川大学化学学院苏志珊教授（理论计算部分）为共同通讯作者，宋振雷教授课题组的博士研究生胡天宝和苏志珊教授课题组的博士研究生张艳分别为第一和第二作者。

文献详情：

Lewis Base-Catalyzed Dynamic Kinetic Asymmetric Transformation of Racemic Chlorosilanes en Route to Si-Stereogenic Silylethers
Tianbao Hu, Yan Zhang, Wanshu Wang, Qin Li, Liying Huang, Jiahui Gao, Yuzhong Kuang, Chen Zhao, Song Zhou, Lu Gao, Zhishan Su,* and Zhenlei Song*
J. Am. Chem. Soc. 2024
https://doi.org/10.1021/jacs.4c04390

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02

【JACS】四川大学华西药学院宋振雷/重庆大学化学化工学院蓝宇: 配体调控的区域选择性Si-C键活化构建轴手性硅杂环己烯芳烃

四川大学大学宋振雷课题组/重庆大学蓝宇课题组合作报道了配体调控的苯并硅杂环丁烯区域/对映选择性扩环反应合成轴手性硅杂环己烯芳烃的方法。该研究通过配体设计调控，实现了苯并硅杂环丁烯中Si−Csp2和Si−Csp3键的区域选择性活化，构建了两类结构新颖的轴手性硅杂环己烯芳烃。

轴手性是一种特殊且重要的手性结构，广泛存在于天然产物、药物、材料以及手性配体和催化剂等功能分子中。轴手性环烯基芳烃由旋转受阻的σ-键连接环烯和芳烃构成，结构上与经典的联芳基轴手性有较大差异，因而有望展现出独特的性质和新的应用空间。但是，由于其手性轴所处空间环境存在显著的位阻效应，此类结构的不对称构建仍面临很大的挑战。此前的合成策略主要集中在：（I）C−C键交叉偶联；（II）芳基炔烃的分子间环化或分子内环化；（III）无轴手性前体的C−H键活化；（IV）外消旋前体的动态动力学拆分。因此，发展新的轴手性环烯基芳烃构建策略，对于丰富其结构多样性以及拓展其应用价值具有重要意义。

近日，四川大学宋振雷课题组在前期过渡金属催化的硅杂环丁烷选择性扩环反应研究基础上（Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61, No. e202212889.; ACS Catal. 2022, 12 (9), 5185-5196.; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 11141-11151.; Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 4695-4699.），与重庆大学蓝宇教授课题组再次合作，通过调控配体腔体的大小，成功实现了苯并硅杂环丁烯与萘基炔的区域选择性和对映选择性扩环反应，构建了两类结构新颖的轴手性硅杂环己烯芳基化合物（J. Am. Chem. Soc. (https://doi.org/10.1021/jacs.4c00252）（图-1）。

作者基于对Si−C键活化的理解，提出了通过轴手性膦氨基配体臂调节配体腔体大小，并进而调控Si−C键区域选择性的设计思路。研究发现，配体臂为甲基的(S)-8H-萘基亚膦酰胺配体能够提供较大的空腔，有利于发生立体需求更大的Si−Csp3键活化扩环反应，生成轴手性(S)-1-硅杂环己烯芳烃；而带有较大的t-Bu基团的(R)-SPIRO亚膦酰胺配体，由于其配体空腔较小，因而有利于立体需求较小的Si−Csp2键活化扩环反应，生成(S)-2-硅杂环己烯芳烃。重庆大学蓝宇课题组开展的反应机理理论计算研究发现，在 Si−Csp3 扩环反应中，氧化加成和迁移插入决定了区域选择性，而对映选择性则依赖于迁移插入；在 Si−Csp2 扩环反应中，迁移插入主导了区域和对映选择性。两种扩环反应中的对映选择性都依赖于萘基片段与炔烃之间的扭转应变。

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图-1 图片来源：J. Am. Chem. Soc.

综上，作者发展了配体调控的苯并硅杂环丁烯区域选择性Si-C键活化，实现了两类结构新颖的轴手性硅杂环己烯芳基化合物的对映选择性合成该研究展示了环张力小环化合物的扩环反应在构建具有挑战性的轴手性结构中的有效性。这种配体调控的区域选择性为 Si−C 键的活化提供了深刻的见解，并为多样性导向合成中的配体设计开辟了新途径。

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc. (https://doi.org/10.1021/jacs.4c00252）。四川大学博士唐萧萧（已入职山西白求恩医院/山西医学科学院）、四川大学博士生唐煜朗和重庆大学博士生彭菊为论文的共同第一作者。宋振雷教授和蓝宇教授为论文的共同通讯作者。以上研究得到了国家自然科学基金创新群体项目、面上项目等基金的资助。

文献详情：

Ligand-Controlled Regiodivergent Ring Expansion of Benzosilacyclobutenes with Alkynes en Route to Axially Chiral Silacyclohexenyl Arenes
Xiaoxiao Tang, Yulang Tang, Ju Peng, Huimin Du, Liying Huang, Jiahui Gao, Shiyang Liu, Dongxu Wang, Wanshu Wang, Lu Gao, Yu Lan*, Zhenlei Song*
J. Am. Chem. Soc. 2024
https://doi.org/10.1021/jacs.4c00252

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课题组导师介绍

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宋振雷，四川大学华西药学院药物化学系教授，博士生导师。2000年，兰州大学化学系基地班本科毕业后，继续硕博连读，师从中国科学院院士涂永强教授进行有机化学专业研究，并于2005 年获得理学博士学位。2005 至2008 年，赴美国明尼苏达大学化学系、后转至威斯康星大学麦迪逊分校药学院从事博士后研究，师从Richard. P Hsung 教授。2008 年3 月回国后，受聘于四川大学华西药学院，从事独立的科学研究工作，并于2012 年7 月晋升为教授。主持多项国家自然科学基金项目，并于2016 年获得国家自然科学基金优秀青年基金项目。以通讯作者在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Nat. Commun.; ACS. Catal.; 等期刊上发表多篇学术论文。

课题组链接：http://www.zhenleisonggroup.com/index.php


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