邻菲啰啉-亚胺配体和铁催化烯烃的硅氢化反应
南开大学化学学院朱守非课题组发展了一类新型的邻菲啰啉-亚胺配体与铁络合物催化剂，不仅实现了简单烯烃反马氏加成选择性的硅氢化反应，而且还能催化多种共轭二烯发生1,2-反马氏加成选择性的硅氢化反应，特别是首次实现了芳基取代和1,1-二烷基取代的共轭二烯高1,2-反马氏加成选择性的硅氢化反应（图1）。机理研究表明，该反应可能经历了Fe(0)-Fe(II)的催化循环，配体在铁中心构成的极度拥挤的微环境阻碍了共轭二烯和铁中心的螯合配位，促进了硅烷的负氢向共轭二烯中位阻较小的端烯迁移，最终表现出独特的1,2-反马氏加成选择性。该研究拓展了用于硅氢化反应的铁催化剂类型，深化了铁催化剂工作机制的认知，对发展铁催化剂和铁催化的反应都有启发意义。该成果近期发表于Chem. Sci. (2022, DOI: 10.1039/d1sc06727c)，博士生孙伟是文章的第一作者。
图1 铁催化共轭二烯和烯烃高区域选择性硅氢化反应
铁是地壳中含量最丰富的过渡金属，其大部分氧化物和盐类价格低廉、易获得且具有很好的生物相容性。铁具有多种氧化态和自旋态，能够进行多种化学转化，并能与大多数有机配体形成配合物，这些特性赋予了铁作为催化剂的巨大潜力，因此铁催化剂和铁催化的有机反应吸引了越来越多的研究兴趣。然而，尽管在这一领域取得了重大突破，但与贵金属催化剂相比，目前大多数可用的铁催化剂的活性、选择性、官能团耐受性和稳定性等方面还有很多局限。因此，铁催化剂在有机合成中的工业应用很少。发现能够赋予铁催化剂新反应性的新配体和阐明铁催化机理是推动铁催化有机合成领域进展的关键。
过渡金属催化烯烃硅氢化反应已成为最重要、最基础的均相催化反应之一，为工业合成有机硅化合物提供了一种高效的方法。目前该类反应的工业应用中主要使用铂催化剂，不仅消耗量巨大，而且也带来资源枯竭和环境污染等问题。因此，发展铁催化烯烃硅氢化反应具有重要价值，已成为热点研究领域。发展基于新配体的铁催化剂，使用铁催化剂实现其它金属催化剂无法实现的硅氢化反应，理解铁催化剂的转化规律，是推动本领域发展的关键。
1,3-二烯作为一类重要的烯烃，由于具有共轭的两个碳碳双键，过渡金属催化其硅氢化反应时存在多种配位和插入方式，导致区域、立体和化学选择性多样，难以调控。目前已经发展出多种基于Fe、Co、Ni等金属催化剂，均较好地实现了1,3-二烯的1,4-加成和1,2-马氏加成硅氢化反应。相对而言，催化1,3-二烯1,2-反马氏加成选择性硅氢化反应成功的例子很少（图2a），且对于芳基取代的1,3-二烯这类选择性控制一直无法获得理想的结果（最高50:50 r.r.）。朱守非课题组长期致力于铁催化有机合成反应研究(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 515; ACS Catal. 2022, 12, 2581; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16894; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4579; Nat. Commun. 2018, 9, 221; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7697; Org. Chem. Front. 2015, 2, 692; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 13188; Synthesis 2022, 54, 49; Chin. J. Chem. 2021, 39, 3211; Prog. Chem. 2020, 32, 1766; Nat. Sci. Rev. 2014, 1, 580)，在上述研究基础上，该课题组发展了2-亚胺-9-芳基-1,10-邻菲啰啉配体与铁的配合物催化剂，实现了多种烷基和芳基取代的1,3-二烯以及端烯的反马氏加成的硅氢化反应，特别是首次实现了芳基取代的1,3-二烯和1,1-二烷基-1,3-二烯的高选择性1,2-反马氏硅氢化反应（图2b）。
图2 过渡金属催化的共轭二烯和烯烃硅氢化反应
2-亚胺-9-芳基-1,10-邻菲啰啉配体是一类新型配体，从商业可得的2,9-二氯邻菲啰啉出发，经Suzuki偶联、Stille偶联、水解、缩合这四步简单操作即可制得，而且很容易通过N-芳基和9-芳基的改造调控配体的电性和位阻。相应的铁配合物通过上述邻菲啰啉-亚胺配体和氯化亚铁络合可以方便地制得（图3）。
图3 邻菲罗啉-亚胺配体及其铁络合物的合成
配体评价实验表明，2-亚胺-9-芳基-1,10-邻菲啰啉配体对调控1-苯基共轭二烯的1,2-反马氏硅氢化选择性起到了至关重要的作用，配体中9-芳基取代基必不可少，而2-亚胺上的芳基取代基对实现高区域选择性起到了决定作用。催化剂C1d给出了最优结果（99% yield，99:1 r.r.）。文献中已报道的铁催化剂C2-C4在该反应中的活性和选择性都不理想（图4）。
[a] Reaction conditions, unless otherwise noted: 1a (0.5 mmol), 2a (0.55 mmol), [Fe] (1 mol%), EtMgBr (2 mol%), THF (1 mL), rt, 2 h. Conversions and product yields and ratios were determined by 1H NMR spectroscopy with 1,3,5-trimethoxybenzene as an internal standard. ND, not detected; NA, not applicable. [b] Reaction time, 24 h.
图 4 配体评价
在获得最优反应反应条件后，作者首先对硅烷进行底物拓展工作，发现该催化体系可适用于多种一级硅烷，而由于位阻效应，对于二级和三级硅烷则不适用（图5）。随后，作者评价了共轭二烯底物适用范围，发现无论是单取代的芳基和烷基共轭二烯，还是多取代共轭二烯，都适用于该催化体系，均以高收率和高区域选择性获得硅氢化产物（图6）。最后，作者还对简单烯烃进行了评价，对于烷基、芳基以及官能团化的烯烃底物都获得了优异的收率和专一的反马氏加成选择性（图7）。
[a] Reaction conditions, unless otherwise noted: 1a (0.7 mmol), 2 (0.77 mmol), C1d (1 mol%), EtMgBr (2 mol%), THF (1 mL), rt, 2 h. [b] Isolated yields are given. [c] The r.r. values (1,2-anti-Markovnikov/1,2-Markovnikov product ratios) were determined by 1H NMR spectroscopy. [d] Reaction time, 24 h.
图5 硅烷底物评价
图6 共轭二烯底物评价
图7 简单烯烃底物评价
克级规模实验在0.2 mol%催化剂用量条件下顺利完成（图8a）。硅氢化产物可进行多种官能团转化（图8b）。由于产物中有两个Si-H键，也可通过聚合反应转化成多种聚硅氧烷，这表明该反应在材料合成中具有应用潜力。
图8 克级实验与产物转化
为研究上述铁催化硅氢化反应机理，作者开展了一系列控制实验（图9）。立体化学控制实验结果可以排除经历烯丙基铁中间体的机理（图9a）。氘代标记实验结果表明该反应中氢转移步骤很可能是可逆的（图9b）。混合硅烷实验表明该反应产物中的硅基和氢来自同一分子的硅烷（图9c）。因此，可以排除由Fe(I)-H或Fe(I)-Si启动催化循环的可能性，而支持由Fe(0)物种启动催化循环（图9d）。KIE实验获得了一个逆向的KIE效应（kH/kD = 0.46，图9e），表明氢转移步骤可能是一个快速且可逆的过程，这与氘带标记实验的结论是一致的。
图 9 控制实验
基于以上机理实验结果，作者提出了一个基于Chalk-Harrod类型的催化循环（图10）。首先，铁催化剂与共轭二烯中的端烯和硅烷配位形成中间体A，随后发生配体到配体的氢转移过程（通过TS-1），产生中间体B。这一步氢转移过程决定了区域选择性。在TS-1b中，共轭二烯与配体上的9-芳基和N-芳基取代基之间都有显著的位阻排斥作用，而在TS-1a中这种排斥作用则不明显。由于配体在铁中心构成的极度拥挤的反应空腔可以精确识别共轭二烯中两个烯基片段的空间位阻差异，进而通过动力学控制实现了优异的区域选择性控制。最后，中间体B通过还原消除（TS-2）释放产物，再生活性催化剂。氘代实验和KIE实验均表明由A到B的过程是可逆的。
图10 可能的催化循环
总之，朱守非课题组发展了一类新型邻菲罗啉-亚胺和铁的配合物催化剂，将其成功应用于多种烯烃和1,3-二烯硅氢化反应，表现出很高的活性和反马氏加成选择性，特别是首次实现了芳基取代的1,3-二烯和1,1-二烷基-1,3-二烯的高1,2-反马氏硅氢化反应。机理研究表明，零价铁可能是该反应的活性催化物种，配体在铁中心构成的极度拥挤的微环境阻碍了共轭二烯和铁中心的螯合配位，促进了硅烷的负氢向共轭二烯中位阻较小端烯的迁移，最终表现出独特的1,2-反马氏加成选择性。与4d或5d金属相比，铁原子体积相对较小，使得配体的立体效应更加显著，这也是实现独特的1,2-反马氏加成选择性原因。该研究不仅拓展了用于硅氢化反应的铁催化剂类型，深化了铁催化剂工作机制的认知，而且对发展新的铁催化剂和铁催化的反应都有启发意义。
