【有机】吴云东院士团队和孙建伟教授合作：炔烃半氢化反应新模式

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炔烃半氢化还原生成烯烃是有机合成中一类重要的反应。内部炔烃的氢化反应涉及选择性问题，近年来大量金属催化剂的开发实现了内部炔烃顺式加成 (cis-addition) 和反式加成 (trans-addition) 分别形成(Z)-和(E)-型烯烃。但是另外一种偕同加氢 (gem-addition) 的新模式，即两个氢原子加到炔烃同一个碳原子上还有待开发（图1）。

图1. 内部炔烃半氢化反应的选择性。

近期，香港科技大学孙建伟教授课题组、北京大学深圳研究生院吴云东、张欣豪教授课题组以及南方科技大学钟龙华教授课题组合作，首次实现了内部硅炔的偕同加氢反应。在他们前期的研究和相关文献报道中（J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 13835. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 14050. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 5506），[Cp*Ru(MeCN)₃]PF₆催化剂可应用炔烃硅氢化、硼氢化等系列氢官能团化反应中并获得高的反式选择性，但氢化反应活性和选择性都很差。为考虑位阻因素的影响，该实验采用了体积较小的[CpRu(MeCN)₃]PF₆催化剂，在TMS取代的内部炔烃中发现了很高的反应活性，并生成gem-addition和trans-addition两种产物，但选择性很低（3.3 : 1）。当硅基换成PhMeSi时，选择性可高达30 : 1（图2）。当H₂压强增大时，gem-产物比例降低（在偕同加氢反应中，压力从1到10，产率提高了，但geminal产物比例没有降低）。反应具有很好的官能团兼容性，包括醇、醚、酯、甲磺酸酯、甲硅烷基醚、乙缩醛、卤化物和邻苯二甲酰亚胺，以及富电子的杂环芳烃，例如呋喃和噻吩。当使用容易与催化剂结合的芳基取代基时，也可以通过添加NaBAr^F₄ 来获得高的gem-选择性（图3）。

图2. 反应条件优化。

图3. 芳基取代反应条件优化。

有趣的是，当往反应中加入-添加剂三乙烯二胺 (DABCO) 时，选择性发生了扭转，trans-加成成为主导（图4）。

图4. 反式加成。

吴云东教授和钟龙华教授课题组对此进行了理论计算研究（图4）。传统的亚乙烯基机理由于反应能垒过高被排除。反应的第一步与硅氢化反应等机理类似（J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 13835），经过氧化性氢金属化形成三元环中间体，但第二步不是直接发生还原性氢迁移到另一个碳原子，而是氢再次迁移到硅取代的碳原子上形成稳定的Ru-卡宾中间体C2。该中间体已由Fürstner小组通过NMR证实（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 12431）。卡宾中间体C2可能沿着两条反应路径走，一条是硅基发生1,2-迁移形成gem-加成主产物（机理B），当使用PhMeSi取代炔烃时，苯环可以和Ru中心结合降低gem-加成的能垒，获得更高的选择性（C3-TSa(PhSiMe₂)）；另一条是结合另一分子H₂ 发生氧化加成，氢迁移和ß-氢消除得到trans-加成产物（机理A）。这与实验中高浓度H₂更有利于trans-加成一致。而加入拥挤的DABCO后，空间位阻导致硅基迁移的能垒升高（C3-TSa(dabco)），从而利于trans-加成。

图5. DFT计算反应机理

为了验证计算的反应机理，他们进行了系列机理实验。通过合理设计底物，实验排除了亚乙烯基机理（图6a），如果是亚乙烯基机理，则两种底物4和5分别经过中间体VD-4和VD-5得到单一产物6和7。而实验得到两种产物，说明是更可能时经过Ru-卡宾中间体。图6b同位素交叉实验中gem-加成没有观察到交叉产物（2h-d₁），说明加成的H₂来自同一分子；而trans-加成有交叉产物（3y-d₁），说明加成的H₂可能来自不同一分子。该实验支持了前面提出的Ru-卡宾反应机理。

图6. 机理验证实验。

总结

该工作首次实现了烷基炔烃的第一个迁移性双键半氢化反应。该方法不仅为获得末端乙烯基硅烷提供了新途径，而且还为烷基炔烃提出了一种新的反应性模式，该模式与已建立的顺式和反式半氢化反应相辅相成。以[CpRu]为催化剂，通过选择合适的烷基和适当调整催化剂的阳离子性质，芳基和烷基取代的烷基炔烃都可以实现高效且的gem-选择性。合适的添加剂（即DABCO）还能够改变选择性，促进trans-加成。DFT计算对理解gem-选择性和trans-选择性提供了重要理论依据。经过金属卡宾中间的gem-加成将为炔烃转化开辟一条新的合成途径。

相关研究成果近期发表在Journal of the American Chemical Society。该工作实验部分主要由孙建伟教授课题组博士生冯强完成，理论研究部分由吴云东教授课题组宋利娟博士完成，两人为共同一作。孙建伟教授和钟龙华教授为论文共同通讯作者。