通过芳烃的间位选择性C-H活化实现钌/铁协同催化烯烃的芳基硅烷基化反应

有机硅化合物在各类科学学科中发挥着举足轻重的作用。药物分子的硅类似物表现出优越的药理作用。鉴于此，科学家正努力寻求有效的方法来合成复杂的有机硅骨架。烯烃的碳硅烷化跨过烯烃主链，同时进行硅烷化和烷基化/芳基化，以高度原子经济的方式将简单原材料转化成复杂的有机硅衍生物（Scheme 1a）。目前烯烃的双官能团化取得了实质性进展，但实现不饱和烃的碳硅烷化仍然是一个很大的挑战。化学家在前期实现了二茂钛催化的烯烃和二烯烃的碳硅烷化，或使用各种卤化物或三氟甲磺酸与硅烷基-M（M = B，Zn）试剂成功实现碳硅烷化（Scheme 1b）。然而硅烷基-M试剂固有的水分和空气敏感性使其合成和处理具有挑战性。近期，印度国际大学Alakananda Hajra课题组通过芳烃的间位C-H活化，借助Ru(II)/Fe(II)协同催化实现烯烃的三组分碳硅烷化（Scheme 1d）。这种简单、经济的方法消除了对芳基三氟甲磺酸酯或芳基卤化物的需求，并且不涉及硅烷化前体的额外合成步骤。此外，这种碳硅烷化方案有助于拓宽化学空间并促进药物衍生物的合成修饰。

Scheme 1. Carbosilylation of Alkenes

（图片来源：ACS Catal.）

初始，作者使用2-苯基吡啶（1a）、苯乙烯（2b）和(TMS) 3 SiH（3a）作为模型底物来探索烯烃的碳硅烷化反应（Table 1）。最优反应条件为：以[RuCl 2 (p-cymene)] 2 为催化剂，FeCl 2 ·4H 2 O为助催化剂，P(4-C 6 H 4 CF 3 ) 3 为配体，K 2 CO 3 为碱，MesCO 2 H为添加剂，DTBP为氧化剂，反应温度为100°C，反应溶剂为1,4-二氧六环，反应时间为24小时，可得到预期产物4aba（产率为61%）。

（图片来源：ACS Catal.）

接下来，作者研究了烯烃底物的适用范围（Scheme 2）。苯乙烯可在最优反应条件下成功转化。此外，含有各种供电子取代基的苯乙烯及卤素（-F、-Cl和-Br）取代的苯乙烯均能以良好的收率得到相应芳基硅烷化产物。从布洛芬、萘普生和吉非罗齐等药物中提取的乙烯基芳烃分子也可以顺利地转化成所需的复杂有机硅化合物。

Scheme 2. Scope of Alkenes

（图片来源：ACS Catal.）

进一步的实验表明，几种杂芳烃与铁/钌的协同催化碳硅烷化方案也是可行的（Scheme 3）。在吡啶环上带有−Me和−OMe基团的杂环芳烃及嘧啶均是碳硅烷化反应的可行底物。

Scheme 3. Scope of Arenes and Silanes

（图片来源：ACS Catal.）

值得注意的是，在克级反应中，作者以52%的收率得到了预期产物（4aba）。4aba衍生化实验结果进一步说明了碳硅烷化反应的实用性。氧化4aba可得到醇产物5ab，收率为46%（Scheme 4）。

Scheme 4. Scale-up Synthesis of4abaand Postsynthetic Modification

（图片来源：ACS Catal.）

接下来，为了更深入地了解反应机理，作者进行了对照实验（Scheme 4）。反应过程中加入自由基清除剂TEMPO，只有微量的产物生成。此外，BHT和BQ的加入阻止了反应产物的生成。这些结果表明反应可能通过自由基途径进行。

Scheme 5. Radical Process Experiments

（图片来源：ACS Catal.）

当使用预先合成的环状络合物C1代替[RuCl2(p-cymene)] 2 作为催化剂时，反应可以顺利进行（Scheme 6）。当C2和C3作为催化剂时，反应同样得到了目标产物。此外，没有P(4-C 6 H 4 CF 3 ) 3 ，反应无法进行。缺少MesCO 2 H会导致反应产率的降低。这些结果表明，磷配体在烯烃的碳硅烷化中起着关键作用。羧酸盐的加入加速了反应转化过程。

Scheme 6. Control Experiment

（图片来源：ACS Catal.）

由于该反应具有高度的间位选择性，芳烃的邻位C-H键可能会参与环金属化。接下来，作者通过同位素标记实验来验证这一猜测（Scheme 7）。当D 2 O存在于反应体系中时，芳烃的邻位发现了H/D交换。同位素标记的底物[D5]-1a得到的产物也显示出H/D交换。分子间动力学同位素效应实验说明芳烃邻位的C(sp 2 )–H键断裂与动力学因素无关。

Scheme 7. Mechanistic Study by Isotopic Labeling Experiments

（图片来源：ACS Catal.）

为了更深一步了解烯烃碳硅烷化的机理，作者使用了色散校正密度泛函理论（DFT）进行计算（Figure 1）。理论计算表明，DTBP将Fe(II)氧化为Fe(III)，Fe(III)络合物活化Si-H键形成Fe(II)络合物和TMS自由基。随后，TMS自由基加成到烯烃中。在Fe(II)/Fe(III)催化过程中，DTBP转化为 t BuOH，TMSH在烯烃16存在下转化为17。

Figure 1. Relative free energy profile

（图片来源：ACS Catal.）

此外，作者发现，与反式同系物19相比，配体交换后形成的顺式二膦单核复合物18在能量上更合适（Figure 2）。18的(杂)芳烃C-H活化是通过Ts4的 MesCO 2– 配体的辅助发生的，自由能活化势垒为23.3 kcal/mol（Figure 3）。随后，作者研究了自由基加成产物的芳构化过程。结果发现，Ts5的C(4)–H活化能比Ts5′的C(5)–H活化能低6.2 kcal/mol，说明邻近的C-H活化步骤控制了反应的间位选择性。因此，作者预测间位选择性产物在动力学上是有利的。OH-H转移过渡态Ts7具有34.1 kcal/mol的自由能活化势垒，是整个催化循环中的决速步骤。随后释放取代的芳烃以再生中间体22（Scheme 8，Figure 4）。

Figure 2. Optimized structure of the cis-diphosphine monomeric Ru-complex (18) and trans-diphosphine monomeric Ru-complex (19).

（图片来源：ACS Catal.）

Figure 3. Relative free energy profile

（图片来源：ACS Catal.）

Scheme 8. Schematic Representation for Obtaining a Selective C4-Substituted Product

（图片来源：ACS Catal.）

Figure 4. Relative free energy profile

（图片来源：ACS Catal.）

综上所述，作者首次引入了Ru(II)/Fe(II)协同催化体系，通过间位选择性C-H活化实现了烯烃的三组分芳基硅烷化。该策略为结构复杂的有机硅框架的高效合成提供了一个灵活的平台。此外，理论分析展示了机理的复杂性，并理解了未被全面探索的3d/4d过渡金属协同催化。

文章信息

Silylarylation of Alkenes via meta-Selective C–H Activation of Arenes under Ruthenium/Iron Cooperative Catalysis: Mechanistic Insights from Combined Experimental and Computational Studies

Sukanya Neogi, Sourav Bhunya, Asim Kumar Ghosh, Biswajit Sarkar, Lisa Roy, Alakananda Hajra

ACS Catal. DOI: 10.1021/acscatal.4c00034

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