科研成果

目前，过渡金属催化的芳香化合物化学修饰方法主要是基于金属催化剂“直接”参与化学键的断裂与生成这一经典的催化方式。然而，受限于过渡金属自身及配体的特性、目标化学键性质、周遭“环境”等因素的影响，上述催化方法在多种情况下难以选择性切断目标化学键（可称之：限定条件下的惰性化学键）。

西湖大学化学系石航团队分别通过过渡金属π配位驱动的芳构化及碳硅键活化，分别实现了惰性碳碳键的切断及碳硅键的转化，为惰性键的活化提供了新的催化策略。相关研究成果于近期分别发表于《德国应用化学》和《美国化学会志》。

钌催化的碳碳键切断

得益于芳香稳定化能，芳构化作为热力学驱动力可被用于实现碳碳键断裂，在获得芳香化合物的同时，产生烷基片段。目前，该策略已广泛应用于氮杂预芳烃，如4-取代汉斯酯、二氢喹唑啉酮、二氢吡唑、二氢三唑和二氢哒嗪的烷基自由基转移反应。

相对于氮杂环，全碳骨架的芳构化切断碳碳键研究的历史更为久远，可追溯到1970年代。1976年，Eilbracht课题组利用低价过渡金属（如Fe、Mo）将环戊二烯通过非极性碳碳键活化生成具有芳香性的环戊二烯基金属配合物。此后，Crabtree和Maguire等人也进行了类似的研究，分别采用金属Ir和Re。1993年，Chaudret等人成功利用Cp*Ru实现了含环己二烯的甾体的芳构化去甲基反应，生成芳烃-钌复合物。

上述配合物反应性的研究成果极大地扩展了人们的视野，也有待进一步被发展应用于转化反应。近日，石航团队实现了钌催化的环己二烯醇硅醚（可由环己烯酮简单制备）去烷基/芳基化反应，在一个催化循环中连续切断烯丙位碳氢键和碳碳键。

通过广泛条件探索，作者建立了以钌/dppe（1,2-双(二苯基膦)乙烷）催化剂为关键反应参数的优化条件，并对环己二烯醇硅醚底物的普适性进行了考察。结果显示，在4-甲基-4-烷基底物中，该催化反应可实现高选择性的去甲基化反应。在4-烷基-4-芳基底物中，当芳基的对位、间位含有取代基时，主要生成去芳基化产物，而当芳基的邻位含有取代基时，则主要生成去甲基化产物。在其他类型的环己二烯醇硅醚底物中，如4,4-二乙基、4,4-二苯基，取代的4,4-二甲基、5,5-二甲基、6-甲基-6-烷基以及非共轭的底物，都能获得较好的反应结果。

重要的是，该方法还成功应用于cis-并环底物的去甲基化，例如：Cholestenone衍生物可以被去除角甲基而进行分子编辑。此外，螺环底物可发生开环反应。作者还进行了初步的机理研究。重要结果之一是从反应体系中分离得到具有[Ru-Me]结构的配合物，部分支持了催化历程的设想。

总的来说，石航团队利用π-配位作用促进分子内串联的烯丙位C(sp3)–H键断裂和C(sp3)–C(sp3/sp2)键断裂过程，实现了钌催化环己二烯醇硅醚的芳构化反应。这一研究为非极性碳碳键活化提供了新的思路。相关研究结果发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202307285），西湖大学博士研究生徐伦为第一作者。

铑催化的碳硅键转化

芳基硅烷是重要的合成原料，可通过过渡金属催化的偶联反应转化为结构多样的芳香化合物。通常情况下，具有三烷基硅结构的芳基硅烷，由于其碳硅键的极性小以及硅的亲氟离子性弱而难以生成更为亲核的ate配合物；因此，无法有效地通过转金属方式参与Hiyama偶联等反应。

近日，石航团队将过渡金属π-配位活化芳香环应用于芳基碳硅键的转化，提供了新的催化方法。利用[(indenyl)RhIII]2+催化剂与芳基硅烷形成π-配合物，可以极化芳基碳硅键使其异裂生成芳基负离子中间体，并被反应体系中的亲电试剂捕获。

基于初步的机理研究结果，作者推测碳硅键的断裂经历多步过程：首先氟离子进攻亲电的芳香环生成加成中间体，再通过1,2-氟迁移生成ate配合物，最后三烷基氟硅烷离去。该催化反应并没有经由具有σ键的芳基金属中间体，区别于已知的过渡金属催化的芳基硅烷偶联反应。

以对(三甲基硅基)甲苯为模板底物，环状N-磺酰亚胺酯为亲电试剂对π-配位活化惰性芳基碳硅键的策略进行了评价。通过反应条件及催化剂的筛选，富电子茚配体的催化效果最好，并确立了最优反应条件。进一步，作者对反应的底物兼容性进行了探索：该方法兼容不同取代的环状N-磺酰亚胺酯，同时1,1-双(苯磺酰基)乙烯也可以作为亲电试剂被兼容。

作者合成了η6-(三甲基硅基)二甲苯配合物，其在室温下即可与CsF发生脱硅反应；同时，水也可以作为亲核试剂脱除三甲基硅基。此外，作者进行了竞争反应（详见原文）：将配合物与(三甲基硅基)甲苯的混合物投入到脱硅反应中，只检测到η6-二甲苯配合物及游离的二甲苯，而(三甲基硅基)甲苯未发生脱硅。上述实验表明脱硅过程发生于配合物，而非配位的芳基硅烷难以脱硅。

首先，相比于未配位的芳基硅烷，η6-配位的(三甲基硅基)苯的芳基碳硅键偶极矩增大了近一倍。其次，LUMO轨道分析显示，配位的芳香环只在对位碳（Cpara）和原位碳（Cipso）有分布，其余芳环位点及硅原子均没有分布。最后，作者对亲核脱除硅烷基团的过程进行了评价：相比于负离子SN2取代机理，分步的脱硅历程更为有利。氟离子对π-配位活化的芳环进行亲核加成（与LUMO轨道的分析结果以及作者在此前工作中发现的η6-芳香环-铑(III)配合物表现出极强亲核性相符合）→氟离子1,2迁移→三甲基氟硅烷离去。

总的来说，石航团队利用π-配位作用促进芳基C–Si键的异裂，实现了一系列选择性加成反应，并提供了有趣的C–Si键断裂机制。相关研究结果发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2023, DOI:10.1021/jacs.3c08603），西湖大学博士研究生蔺云志为第一作者。

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来源：西湖大学理学院ScienceWestlake