【有机】南方科技大学何川组Nat. Commun.：不对称合成含硅手性六元及七元杂环

含硅同时具有共轭π键的分子是一类重要的光电材料，它们已经在有机发光材料、薄膜晶体管、荧光传感器、太阳能电池及电致发光领域获得了广泛应用。向含有共轭π键的分子中引入硅桥结构后，由于硅原子和共轭体系存在σ*-π^*共轭作用，原有共轭体系的LUMO轨道能量就会相应降低，进而会产生一系列新的光电性质。所以，发展能够合成含有硅桥共轭体系的新方法就显得很有必要。虽然已有若干方法可以合成此类结构，但是它们主要集中于含硅五元杂环的合成（图一，a），对于含硅六元及七元环的合成却鲜有报道。Shintani、Hayashi、Nozaki及Song在合成手性六元四取代含硅杂环领域做出了一系列重要贡献（图一，b），但是通过手性催化不对称合成手性六元及七元三取代含硅杂环却从未报道。在此背景下，南方科技大学何川课题组报道了一种通过金属Rh催化高效合成手性六元及七元三取代含硅杂环的新反应（图一，c）。该工作近期以“Enantioselective construction of six- and seven-membered triorgano-substituted silicon-stereogenic heterocycles”为题发表在Nat. Commun. 上（DOI: 10.1038/s41467-021-21489-6）。

图一：该工作的研究背景。

（图片来源：Nat. Commun.）

在开始优化工作之前，作者已经预想到了该课题会存在以下几个挑战：（1）反应需经过一个能量上不利的七元或者八元环过渡态；（2）硅烷前体会进行自身脱氢偶联副反应；（3）如何获得高立体选择性。为了面对以上几个挑战，作者选用了底物1a作为模板底物进行了反应优化（图二）。作者选择含有吲哚结构的1a是考虑到该类结构生成的含硅关环产物能够以高量子产率发出蓝色荧光，在光电设备中具有重要应用价值。在60 ℃温度下，通过选用[Rh(cod)Cl]₂（1 mol%）作为催化剂，Josiphos L1 （3 mol%）作为手性配体，1a可以在不同的非极性溶剂中生成六元脱氢关环产物（图二，entries 1-5）；当反应温度降为40 ℃或者50 ℃时，反应的对映选择性仍然优秀，但是产率较低（entries 6，7）；升高温度到70 ℃能够在不影响立体选择性的同时提高产率（87% 产率，96% e.e. 值）（entry 8）；继续升高温度到80 ℃则对反应的立体选择性产生了不利影响（entry 9）；进一步的对照反应表明，尽管其他含磷手性配体也能催化该反应，但是效果不如Josiphos L1 及L5（entries 10-17）。

图二：反应优化。

（图片来源：Nat. Commun.）

在确定了最优反应条件后，作者首先对该脱氢关环反应形成六元环的底物范围进行了研究（图三）。在克级规模下，模板反应的分离产率可达85%，e.e.值98%。在吲哚3位的苯环上可以兼容不同取代基（2a–2h）及萘环和杂环（2i，2j）。对于与硅原子相连的取代基，其可以为萘环、杂环及烷基（2k–2p）。同样的，核心吲哚结构也能兼容不同的取代基（2q，2r）。除此之外，作者还证实了该方法除了适用于基于吲哚的关环反应外，对于其他环状结构也同样适用（2s–2x）。在所有底物中，反应产率中等到优秀，绝大数底物的e.e.值都为优秀（2x仅为58%）。随后，作者用同样的条件合成了多种七元环关环产物（图四）。和六元环相比，七元环产物的e.e.值相对较低。总的来说，该方法能够兼容常见的杂环及官能团，可以高效合成多种结构发散的含硅六元及七元环状化合物。

图三：六元环反应底物范围。

（图片来源：Nat. Commun.）

图四：七元环底物范围。

（图片来源：Nat. Commun.）

为了进一步探索该反应的合成价值，作者对关环产物2a进行了衍生化研究（图五）。在金属Rh作用下，2a可以与烯醇硅醚进行加成反应生成5a；在Pt催化下，2a可以与炔烃进行加成得到5b；在Pd催化下，2a可以与碘苯进行偶联得到5c；在Rh催化下，2a可以作为还原剂与丙酮反应得到加氢产物5d。另外，当使用含有二茂铁结构的共轭烯烃与4a反应时，得到的却是氧化偶联产物6a。这些衍生化实例进一步证明了该反应在合成上的应用价值。

图五：合成应用。

（图片来源：Nat. Commun.）

正如前文中所介绍的，含硅共轭结构的一个主要应用就是作为发光材料，所以作者测试了利用该方法所合成产物的相关光物理性质（图六）。在365 nm的紫外光照射下，大多数产物能够发出蓝色荧光（图六，a）；最强紫外–可见吸收波长位于338–382 nm之间（图六，b），而荧光发射光谱的最强波长位于378–417 nm之间（图六，c）；对于产物4d，两种对映异构体的CD谱图互为镜像，在317 nm和372 nm位置显示了Cotton效应（图六，d）；4d的两种手性异构体的CPL谱图的最强发射波长分别为423 nm和419 nm（图六，e），对应的去对称参数则分别为4.7×10^-4及−3.2×10^-4（图六，f）。

图六：光物理性质研究。

（图片来源：Nat. Commun.）

总结：

在这篇文章中，作者报道了一个Rh催化的不对称合成手性三取代含硅六元环及七元环结构的新反应。该反应条件温和，原料较易合成，能够兼容不同的官能团及杂环结构，同时产率和对映选择性都极其优秀。合成得到的产物除了在有机合成中有重要应用外，同时也具有非常优秀的光学性质。考虑到这些优点，可以预见，该反应在基于硅的有机化学及材料化学领域都会发挥重要作用。