香港科技大学孙建伟教授和北京大学深圳研究院吴云东院士团队合作发现硅炔的部分氢化反应新模式

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炔烃部分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，同时发生原取代基的移位从而形成端烯的反应还尚未报道（图1）。

图 1. 内部炔烃部分氢化反应的选择性

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

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院士，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，反应也可以通过添加NaBAr^F₄来获得高的gem-选择性（图3）。

图2. 反应条件优化

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

图3. 芳基取代反应条件优化

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

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

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

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

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

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6（a）），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6（b）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

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

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（DOI: 10.1021/jacs.9b09658）。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。

该工作得到了国家自然科学基金，深圳市科学技术创新委员会，深圳诺贝尔奖科学家实验室项目以及深圳三明项目的支持。

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