基于自由基路径合成有机硅化物—有机反应机理系列49

有机硅化物在材料科学、制药、有机合成等领域具有重要的应用价值。硅材料广泛应用于人类生活的方方面面，如电子电器、环境能源、生物医学、航空航天和建筑工业。在有机合成中，硅试剂有许多应用，如羰基和羟基的保护试剂、亲电试剂、硅自由基的前体。此外，一些科学家还发现硅元素在人类骨骼发育和新陈代谢过程中也起着重要作用。开发有效的合成有机硅化物的方法已经成为有机合成领域的研究热点。近年来，有机硅的自由基合成得到了快速的发展，与传统的合成策略相比，它具有合成条件温和、产率和选择性高、不使用贵金属催化剂等优点。

合成有机硅化物的自由基路径主要有以下五种：(1)无金属过氧化物引发的自由基硅化反应；(2)过渡金属诱导的过氧化物分解引发的自由基硅化反应；(3)碱引发的自由基硅化反应；(4)光催化引发的自由基硅基化反应；(5)烷基自由基引发的硅基化反应。

1 无金属过氧化物引发的自由基硅化反应

首先，过氧化物在加热条件下分解成两个烷氧自由基（或一个烷氧基自由基和一个羟基自由基）。然后，通过烷氧自由基和氢硅烷之间的氢原子转移过程（HAT）生成硅自由基。最终，通过HAT过程生成产物。另外，产生的烷氧基自由基进入下一循环以继续自由基反应。比如喹啉的C-H活化硅基化反应。

2 过渡金属诱导的过氧化物分解引发的自由基硅化反应

与过氧化物引发的自由基甲硅烷基化途径不同，这种合成方法通常需要过渡金属催化剂作为电子给体来引发自由基反应，因此催化剂（电子给体）的选择非常重要。目前，由于其出色的电子传递能力，反应中使用的主要电子给体是铜化合物，例如Cu₂O，CuCl，Cu(OAc)2，CuO。铁化合物，TBAI和光催化剂也可以用作电子给体，以优化反应条件。

电子给体提供电子以启动自由基反应。接受电子后，过氧化物裂解成一分子烷氧自由基和一分子烷氧基阴离子。烷氧自由基从氢硅烷提取氢以生成硅自由基。硅自由基与底物反应形成自由基中间体，其与先前的过氧化物反应以产生醇和硅基化产物，并产生电子进入自由基循环。比如烯烃和杂芳环的硅基化反应。

3 碱引发的自由基硅化反应

该自由基反应有两种反应路径：由五配位硅（方案a）和四聚体KOtBu（方案b）介导的自由基途径。（1）由五配位硅介导的自由基过程：通过在C2位的吲哚中添加Et₃Si·形成稳定的苄基自由基中间体，接着通过β-H断裂恢复吲哚体系的芳香性并产生 H₂，它为整个反应提供了熵驱动力。然后，硅酸盐自由基阴离子可与相同量的三乙基硅烷反应以再生Et3Si·并继续进行链式循环（方案25a）。（2）四聚体KOtBu（[KOtBu]₄）介导的自由基途径：硅化产物和碱氢自由基加合物是通过从苄基中提取氢原子而产生的。然后，该自由基加合物与氢硅烷反应生成H₂并再生硅基自由基，从而完成催化循环（方案25b）。

4 光催化引发的自由基硅基化反应

在过去的几十年中，有机光化学合成发展迅速。有机光合成中的单电子转移（SET），能量转移和氢原子转移（HAT）过程大大增加了C-H键活化的机会。目前，越来越多的研究人员致力于研究光催化自由基途径合成有机硅。光催化引发的自由基烷基化有两种途径：（I）光催化剂提供电子以分解过氧化物，这与过渡金属诱导的过氧化物分解引发的自由基硅化反应机理一直；（II）光催化剂从HAT催化剂或Br^-获得电子以产生自由基。比如烯烃的硅氢化反应。

5 烷基自由基引发的硅基化反应

尽管研究者和已开发出大量的自由基硅基化反应用于形成C(sp³)-Si和C(sp)-Si键，但直接通过自由基途径构建C(sp³)-Si键的反应并不多见，其主要是因为通过硅自由基很难直接活化惰性的C(sp³)-H或C(sp³)-X键。为了实现该目标，研究者已经了几种烷基引发的自由基硅基化反应。在这些反应中，铜催化剂可实现活性C(sp³)-X键的均相分解，从而产生可与Si-B试剂反应的烷基自由基，以构建C(sp³)-Si键。如铜催化的烷基碘的硅基化反应。

参考文献:

Zhang, X.; Fang, J.; Cai, C.; Lu, G.,Recent advances in synthesis of organosilicons via radical strategies. Chinese Chemical Letters 2021. DOI: 10.1016/j.cclet.2020.09.058

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001841720305635