东北大学王丁意课题组Org. Lett.: 可见光诱导氮自由基介导下生成硅基自由基的新策略

导语

含硅化合物在合成化学、材料科学以及农业等多个领域发挥着重要作用。因此开发各种方法合成含硅化合物引起了人们的关注。以往人们通过硅烷作为硅基自由基前体实现对有机分子的C−Si键构筑是一类重要方法。但此类方法通常需要过量的过氧化物作为氢受体前驱体，这使得其官能团的兼容性较差。为了解决这一局限，多个课题组开发出各种温和的光、电以及过渡金属催化策略实现了C−Si键的构建（方案1a）。其中，通过路易斯碱活化硅基频哪醇硼酸酯（SPEs）进而在光催化剂介导下实现硅基转移构建C−Si键格外引人注意。该方法操作简便，易于放大，同时避免了有毒金属试剂的使用。虽然如此，该策略依然有着一定的缺陷，如昂贵的光催化剂以及大量的强路易斯碱的使用，这会大大提高合成的经济成本以及导致反应的原子利用率低。因此开发温和、高效、便捷的新型策略实现有机硅化合物的合成尤为重要。

前沿科研成果

可见光诱导氮自由基介导下生成硅基自由基的新策略

2023年，Studer课题组报道了在光催化下使N-亚硝基胺生成胺基自由基，随后与烷基频哪醇酯中的硼发生亲核均裂取代形成碳自由基。他们利用该策略实现了烯烃的烷基-肟化反应（方案1b）。受到上述启发，作者设想运用该策略，以稳定、低毒、易得的硅基硼酸酯为底物实现C−Si键的构筑，进而合成各种不同的硅基化合物（方案1c）。

方案1（图片来源：Org. Lett.）

首先，作者选用三乙基硅基硼酸酯1a作为硅基自由基源，N-亚硝基吗啉3作为胺基和NO自由基前体，丙烯酸甲酯1a作为自由基受体进行了反应探索。最终发现在氮气氛围下，三乙基硅基硼酸酯（3.0 equiv.）N-亚硝基吗啉（3.0 equiv.）以及丙烯酸甲酯（1.0 equiv.）在二甲亚砜（1.0 mL）中，425 nm LED灯照射下室温反应12小时，可以83%的分离产率得到目标产物4a。

在得到最优反应条件后，作者分别对硅基频哪醇硼酯和烯烃的底物范围进行了探索（方案2）。结果表明，含不同电性和位阻取代基的硅基硼酸酯，如二甲基苯基、二甲基丁基、以及三异丙基等均可以兼容此体系，以32-83% 的产率得到相应的产物4a-4f。此外，不同种类的烯烃，如丙烯酸酯，芳基烯基酮、烯基磷酸酯以及苯乙烯衍生物均可以较高收率得到目标化合物（5a-5r）。值得注意的是，对于一系列生物活性分子骨架，如L-menthol-，fenchol-，citronellol-以及estrone-衍生的丙烯酸酯也可参与反应，以31-63%的产率得到相应的产物（6a-6d）。此外，使用含烯基的苯并咪唑作为自由基受体时，也可以顺利得到关环产物8a。

方案2（图片来源：Org. Lett.）

为了证明该策略的普适性，作者选用乙炔基苯基砜（EPSs）替代丙烯酸甲酯作为自由基受体，进行C−Si键构筑的尝试。结果表明仅需要改变投料比和溶剂即可以50-92%的收率得到硅基炔类化合物（10a-10o）（方案3）。

方案3（图片来源：Org. Lett.）

接下来，作者通过对上述产物进行化学转化来证明其实用价值（方案4）。首先，通过对产物4a的肟官能团进行还原，随后进行N-乙酰化，可以66%的收率得到N-保护的氨基酸酯11a。值得注意的是，将硅基引入到胺基酸中可以有效改变其生物活性，在医药领域有良好的应用前景。此外，炔基硅化合物10a通过钯催化可与2-碘苯胺进行环化-脱保护得到吲哚类衍生物12a。

方案4（图片来源：Org. Lett.）

最后，作者进行了机理研究（方案5）。当在三乙基硅基硼酸酯（1a）和丙烯酸甲酯（3a）的反应中加入3当量的TEMPO时，反应被完全抑制。取而代之的是，通过气相-质谱联用仪（GCMS）可以检测到TEMPO捕捉产物13a。通过自由基环化实验，作者同样通过高分辨质谱检测到环化产物15a。以上结果表明反应中涉及到硅基自由基物种。

方案5（图片来源：Org. Lett.）

在方案6中作者提出了烯烃1,2-硅肟化的反应机理。N-亚硝基吗啉在可见光照射下均裂产生吗啉自由基物种和持久性NO自由基。随后胺基自由基与SPEs中的硼发生亲核均裂取代形成硅基自由基，进而进攻活化烯烃末端生成碳中间体。之后碳中间体被NO捕获，生成亚硝基烯烃最终通过互变异构为相应的产物肟。

方案6（图片来源：Org. Lett.）

总而言之，作者开发了一种形成硅基自由基的光催化新策略，在温和反应条件下，无需金属催化剂条件下，实现了硅基硼酸酯、N-亚硝基吗啉与烯烃的自由基硅基-肟化反应，构建了一系列具有重要应用价值的肟类化合物。此外，该策略还可以拓展到硅基炔衍生物以及硅基苯并咪唑衍生物的合成。这些例子为今后人们合成硅基化合物提供了一个新的视角。

教授简介

王丁意，教授，博士生导师。2020年获得南京大学化学博士学位，师从史壮志教授。毕业后任南京大学特聘副研究员。2021年受德国洪堡基金会资助在哥廷根大学化学系从事博士后研究工作，合作导师为Lutz Ackermann教授。2023年入职东北大学理学院化学系。主要从事有机合成方法学方面的研究工作。研究内容包括金属催化、可见光催化以及电有机合成。曾在Nature Communications，Angewandte Chemie International Edition，Chemical Science等期刊上发表论文。曾获德国“洪堡学者”称号、江苏省优秀博士学位论文等奖项或荣誉。受邀担任Molecules的特刊编辑。主持国家自然科学基金青年项目，东北大学高层次人才引进科研启动经费等。

邀稿

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