【人物与科研】南方科技大学何川课题组：不对称碳氢硅化反应构建硅中心手性一氢硅烷

硅中心手性一氢硅烷在合成化学、医药化学和材料科学等领域具有非常重要的应用价值。与碳中心手性相比，由于sp²杂化硅原子的稳定性差，使得通过加成反应来构建硅中心手性不可行。早期合成硅中心手性一氢硅烷的方法主要是通过光学拆分和动力学拆分来实现的。这些方法存在底物结构局限、对映选择性差等问题，缺乏普适性及可拓展性。近十多年来，过渡金属催化对二氢硅烷的去对称化反应是有效构建硅中心手性一氢硅烷的主要方法，包括Si–H的对映选择性醇解反应、不饱和碳–碳及碳–氧键的对映选择性氢硅化反应、Si–H对金属卡宾的对映选择性插入反应以及Si–H的对映选择性芳基化反应等（图1a）。另外，随着碳氢官能化反应的快速发展，通过不对称碳氢硅化反应来构建硅中心手性一氢硅烷毫无疑问更具有吸引力。但是目前这方面的研究还处于初级阶段，究其原因可能是：手性硅一氢产物在高活性金属催化剂存在下容易发生二次Si–H插入，进而发生后续的副反应或产物消旋化及分解，使得反应难以停留在手性硅一氢产物阶段。因此，通过金属催化的不对称C–H硅化策略直接构建硅中心手性一氢硅烷充满挑战与机遇。

值得一提的是，苯并噻咯由于σ*−π*共轭体系的存在，使得其具有独特的电子及光物理性质。含苯并噻咯骨架的有机分子广泛应用于太阳能电池、半导体、光电二极管等领域，是材料及化学家们持续关注研究的热点。在构建硅中心手性单苯并噻咯骨架方面，2012年, Chatani课题组利用铑催化的Si–C键活化策略，成功合成了一例四取代的硅中心手性单苯并噻咯分子（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19477）。2020年，徐利文课题组用分子内Si–H对炔烃的去对称化氢硅化反应，构建了一类含炔烃结构的硅中心手性四取代单苯并噻咯分子（iScience 2020, 23, 101268）。但是硅中心手性三取代单苯并噻咯类一氢硅烷还未见报道（图1b）。

在课题组前期工作的基础上（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 13459；Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 22217），本文作者从烯基二氢硅烷出发，在相对较低载量的铑催化剂作用下，实现了对映选择性的碳氢硅化反应，成功构建了硅中心手性三取代单苯并噻咯分子（图1c）。该反应同时存在化学选择性、区域选择性和立体选择性的问题，非常具有挑战。作者推测大位阻的三芳基取代的烯基二氢硅烷避免了二氢硅烷对烯烃的氢硅化加成副反应，使其更容易发生分子内的碳氢硅化反应。同时，利用硅氢的导向作用以及手性双膦配体Segshops的控制，反应也很好地实现了区域选择性和立体选择性的控制。（在本文审稿期间，清华大学的何伟课题组报道了类似的铑催化对映选择性合成手性一氢二苯并噻咯的工作Angew. Chem. Int. Ed.  2021, 60, 4245. DOI: 10.1002/anie.202013041）。

图1. 硅中心手性一氢硅烷的不对称合成策略

（来源：Org. Lett.）

在优化得到最优反应条件后，作者首先考察了该催化反应对烯基二氢硅烷的底物适用性。结果显示该反应对各类不同电性、取代位置及含有杂环的官能团均表现出较好的兼容性，能够获得良好到优秀的产率和对映选择性（图2）。

图2. 烯基二氢硅烷底物的适用范围

（来源：Org. Lett.）

同时，鉴于光学纯的硅中心手性茂金属一氢硅烷是一类潜在的手性硅正离子催化剂前体，于是作者在低铑催化剂载量的条件下也对茂金属二氢硅烷底物适用性进行了考察。结果显示该反应同样适用于含不同电性、取代位置官能团的茂金属二氢硅烷底物，实现了同时含有平面手性和硅中心手性一氢苯并噻咯茂金属硅烷的高效、高对映选择性构建（图3）。

图3. 茂金属二氢硅烷底物的适用范围

（来源：Org. Lett.）

进一步，作者对手性硅一氢单苯并噻咯进行了后续的衍生化研究（图4）。手性硅一氢单苯并噻咯与含有天然产物结构的烯烃、內炔以及丙酮反应均能以高收率得到立体中心保持的四取代硅中心手性硅烷。

图4. 手性硅一氢单苯并噻咯产物的衍生化

（来源：Org. Lett.）

最后，作者还对手性硅一氢单苯并噻咯分子的光物理性质进行了初步的研究。结果表明，该类型噻咯分子在365 nm的光照下均呈现出很强的蓝色荧光，最大吸收和发射波长分别位于307−350 nm及408−490 nm之间。值得一提的是，部分化合物还表现出了CPL（圆偏振发光）信号。

总结：

本文报道了一种铑催化的不对称碳氢硅化反应，成功实现了硅中心手性一氢单苯并噻咯和一氢苯并噻咯茂金属硅烷的高效、高对映选择性构建。这一成果近期发表在Organic Letters （Org. Lett. 2021, 23, 1367. DOI: 10.1021/acs.orglett.1c00029）上。文章的第一作者是南方科技大学的袁伟博士和硕士生游丽军，林伟栋博士、李英姿博士和柯杰博士对文章也有贡献。感谢南方科技大学的常晓勇老师在晶体解析上给予的帮助。