南开大学赵东兵课题组Nat. Commun.：通过非张力C(sp3)-Si键断裂实现硅螺环化反应
有机硅化合物在有机合成、材料科学、生物医药研究中都有广泛的应用。通过C-Si键断裂实现有机硅化合物的合成是非常高效的策略。传统过渡金属催化的C-Si键活化主要有两种模式：一种是在碱的作用下，形成五价的硅中间体之后发生转金属化形成C-M中间体进行进一步转化 (图1A, Mode-A)，其中硅作为副产物离去；第二种是通过过渡金属氧化加成实现C-Si键断裂，实现新的有机硅化合物的构建 (图1A, Mode-B)。目前通过Mode-B实现的C-Si键活化主要局限在硅杂环等小环化合物中，反应利用热力学驱动的环张力释放来实现C-Si键的断裂；对于非张力C(sp3)-Si键断裂的报道很少，主要是通过形成M-C(sp2) 物种A（图 1B），对分子内的Si-C(sp3) 键插入，构建新的Si-C(sp2) 键。
近日，南开大学赵东兵课题组联合加州理工学院博士生李勃设计了邻位硅烷取代的烯烃与芳基碘化物相连的底物1，通过钯催化的分子内的串联反应，实现非张力C(sp3)-Si键的断裂，构建含硅螺环化合物 (图1C)。反应中底物1首先发生分子内5-exo-碳钯化形成σ-烷基钯中间体B，之后中间体B对分子内的非张力C(sp3)-Si氧化加成，还原消除得到目标产物。该反应存在两个挑战：1）反应可能发生6-endo选择性的Heck环化，形成副产物3；2）σ-烷基钯中间体B可能对芳环邻位的C-H键活化，形成副产物4。
图1. 过渡金属插入实现Si-C(sp3) 键断裂的研究现状及本文工作
作者首先对反应条件的进行了筛选，在[Pd]-1作为催化剂，LiOtBu (3.0 eq) 做碱，同时加入AgOAc (2.0 eq) 及CuTc (0.2 eq) 作为添加剂，在0.4 M的环己烷中125 ℃反应12 h，以90%的分离收率拿到目标产物。反应中的醋酸根离子对提高反应的转化率起到了关键的作用，同时CuTc可能促进了C(sp3)-Si键的活化，从而促进反应向5-exo环化路径转化的作用。随后作者对该反应进行了底物扩展，发现该催化体系具有良好的底物普适性（图2），且对于增长碳链的底物1ca，反应也以45%的收率获得5，6-螺环骨架产物2ca。
图2. 底物普适性考察
紧接着，作者对反应机理进行了详细研究，他们将[Pd]-1催化剂与醋酸银在甲苯中室温反应4h制备了[Pd]-OAc活性催化剂 (图3B)，并通过单晶进行了表征。以[Pd]-OAc作为催化剂，在标准条件下以80%的收率得到目标产物2aa，证实[Pd]-OAc是反应的活性催化剂。同时作者通过GC-MS对反应生成的副产物进行了跟踪，可以检测到碘甲烷和甲基叔丁基醚两种副产物 (图3C)，也解释了甲基断裂后的去向。
图3. 脱保护及机理实验
最后，作者通过DFT计算对反应机理进行了解释 (图4)：反应由零价钯启动，通过氧化加成及配体交换形成二价芳基钯中间体IM1II,之后发生分子内的5-exo环化形成C(sp3)-PdII物种IM2II，相比于6-endo环化，反应能垒低6.7 kcal/mol。之后IM2II经过TS2OA对C(sp3)-Si键进行氧化加成，形成四价的钯中间体IM3IV，之后还原消除得到目标产物及二价钯的IM4II中间体，再次对碘苯氧化加成配体交换，形成四价钯IM5IV，之后还原消除得到IM1II。
综上所述，赵东兵老师课题组报道了通过钯催化的Heck反应/Si-C(sp3)断裂/Si-C(sp3)形成的串联过程构建了含硅螺环分子，通过DFT计算证实反应经过Pd(II)/Pd(IV)催化循环，其中Si-C(sp3)键断裂是通过σ-烷基钯物种对其氧化加成形成Pd(IV)中间体实现，这也为Si-C(sp3)断裂及含硅螺环化合物的合成开辟了新的路径。
该成果近期发表在Nature Communications 上，南开大学赵东兵研究员为本文通讯作者，加州理工学院博士生李勃作为共同通讯作者完成了论文理论计算工作，南开大学博士生施宇峰为本文第一作者，南开大学研究生史晓楠、张晋瑜、秦鹰参与了该论文的实验工作。该项研究得到了国家自然科学基金面上项目及国家自然科学优秀青年基金的支持。
图4. 反应机理计算
Sila-spirocyclization involving unstrained C(sp3)−Si bond cleavage. Yufeng Shi, Xiaonan Shi, Jinyu Zhang, Ying Qin, Bo Li & Dongbing ZhaoNat. Commun., 2022, 13, 6697. DOI: 10.1038/s41467-022-34466-4
