金屬－N－雜環(huán)卡賓催化前手性酮的硅氫化反應研究

姜 嵐，李爭寧

（大連大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 大連116622）

1 引言

硅氫化反應是硅氫化合物與不飽和鍵包括碳氧雙鍵，碳氮雙鍵，碳碳雙鍵以及碳碳叁鍵等，在催化劑的誘導下進行加成反應，生成有機硅化合物。產(chǎn)物水解后，可生成醇、胺等化合物。利用手性催化劑催化前手性酮的硅氫化反應，是一類重要的合成手性醇的方法，反應通式如圖1。其中手性醇是合成許多手性藥物或手性化合物的重要有機中間體。如抗抑郁藥物R－托莫西汀、S－氟西汀，抗哮喘藥物R－沙丁胺醇、L－氯丙那林等。與催化加氫合成手性醇反應相比，硅氫化反應條件溫和，無需高壓條件，而且硅氫化合物化學性質(zhì)相對比較穩(wěn)定，易于使用和貯存。因此，從20世紀的60、70年代至今，一直受到研究者的關(guān)注。研究者對硅氫化反應高效、高選擇性的催化劑的合成與研究，至今方興未艾。

圖1 酮與硅氫試劑的硅氫化反應通式

20世紀80年代，Brunner［1］研究小組首先報道合成了手性噻唑啉類配體1，其催化的硅氫化反應ee值首次達到了90%以上，對不同酮底物有很強的適應性。由此，結(jié)構(gòu)不同的手性配體尤其是一些雙齒膦配體等被不斷被設(shè)計、合成出來，表現(xiàn)出很強的催化活性和立體選擇性。如圖2中化合物1－4為典型的硅氫化反應雙齒配體。

圖2 典型的硅氫化反應雙齒配體

近年來，N－雜環(huán)卡賓（NHC）配體作為一種新型仿膦配體應用到多種均相催化反應中。NHC配體具有更高的穩(wěn)定性和更好的給電子能力。結(jié)構(gòu)多變，電子效應和空間效應易調(diào)控。目前已有研究發(fā)現(xiàn)多種金屬如Rh［2，3，4］，Ru［5］，Ir［6］，Cu［7，8］，Pt［9］，Ni［10］，Ag［11］等均 可 參與催化硅氫化反應，其中金屬Rh應用最廣泛。許多手性NHC－金屬催化劑的底物范圍適應性廣泛，能高效催化芳香酮和脂肪酮以及雜環(huán)芳香酮的硅氫化反應，日益成為一類不可替代的手性催化劑。鑒于硅氫化反應合成手性醇反應的重要性，本文將根據(jù)NHC的結(jié)構(gòu)分類綜述此類反應在近幾年的應用。

2 金屬－單齒NHC催化的硅氫化反應

1996年，Herrmann［12］小組合成了具有 C2對稱性的Rh配合物5，首次報道了Rh－手性NHC催化的不對稱硅氫化反應，反應式如圖3。該反應具有高度的催化性能，但是產(chǎn)物的立體選擇性不高，ee值最高為32%。作者認為原因可能是因為配體咪唑環(huán)的手性側(cè)鏈會繞著C－N鍵快速的旋轉(zhuǎn)，造成配位金屬周圍的手性環(huán)境難以固定。最近，該小組采用位阻更大的Rh－配合物6，在－20℃下催化丙酮酸丙酯的硅氫化反應，轉(zhuǎn)化率最高達98%，ee值最高可達74%［13］。

圖3 Rh－NHC化合物5和6催化的酮硅氫化反應

2005年，Ma和Andrus［14］等人合成了具有平面手性的基于［2.2］環(huán)仿化合物的NHC前體咪唑鹽7，與RuCl2（PPh3）3可在室溫下高選擇性的催化芳酮的手性硅氫化反應，產(chǎn)物光學活性93%～97%ee，產(chǎn)率80～98%，反應式如圖4。同時作者還提出了硅氫化反應可能的機理。

圖4 Rh－NHC化合物7催化的酮硅氫化反應

自從 Nolan小組［15，16］開創(chuàng)了 Cu－NHC催化酮的硅氫化反應的先河，以IProHBF4、IMes·HCl、SIMes·HBF4、ICy·HBF4等咪唑鹽為前體，催化芳香酮和脂肪酮的硅氫化反應。2011年，Gawley［17］等人將具有C2對稱性、手性Cu－NHC配合物8引入到酮的硅氫化反應中。催化劑表現(xiàn)出很高的活性，不同底物的收率均較高，尤其是類似2－丁酮等更具挑戰(zhàn)性的二烷基前手性酮底物，er（S/R）值最高達99∶1，是迄今該類底物硅氫化反應或氫化反應合成手性醇的最高結(jié)果，反應式如圖5所示。甚至在較低的催化劑用量下（2mol%），仍然可以在室溫下1h內(nèi)完成反應。

圖5 Cu－NHC化合物8催化的酮硅氫化反應

2012年，Sakaguchi［18］小組合成了Ir－苯并咪唑型NHC配體9，用于催化芳酮的硅氫化反應制備手性醇，反應式如圖6。研究發(fā)現(xiàn)反應可在THF中室溫條件下順利進行，采用硅氧烷（EtO）2MeSiH作為硅氫試劑，ee%值僅為12%，而加入4mol%AgBF4后，反應收率和ee%值有大幅度提升。當改變反應溶劑為2－甲基四氫呋喃后，ee%值達到了令人滿意的92%。反應對于不同結(jié)構(gòu)的底物具有較好的適用性，對映體選擇性達79%～91%。

圖6 Cu－NHC化合物9催化的酮硅氫化反應

3 金屬－雙齒NHC催化的硅氫化反應

在雙齒NHC配體的結(jié)構(gòu)中，除了NHC與金屬配位以外，一般還具有O、N等其他含有孤對電子的原子與金屬配位，這一類金屬配合物在催化反應時，一般能得到更高的立體選擇性的結(jié)果。

Gade等人［2］合成的氮雜環(huán)聯(lián)有噁唑啉取代基的咪唑鹽10合成其Rh配合物11，該催化劑催化芳基甲基酮的硅氫化反應得到了產(chǎn)率90%～99%，光學純度91%的結(jié)果，反應式如圖7。對于烷基酮底物，對映體選擇性達到79%～95%。研究發(fā)現(xiàn)，從20℃降低溫度至－60℃，可將ee值由65%提高至90%，但是反應時間延長。

圖7 Rh－NHC化合物11催化的酮硅氫化反應

上海有機所施敏的研究小組一直致力于研究NHC在均相催化方面的應用。2003年，該小組從（S）－BINAM出發(fā)，合成了具有軸手性聯(lián)萘骨架的苯并咪唑型NHC－銠的金屬配合物12，用以催化前手性酮與還原劑Ph2SiH2的硅氫化反應。反應有較好的收率（82～96%）和令人滿意的對映體選擇性（67%～98%ee），反應式如圖8［19］。將該催化劑和具有軸手性的H8－聯(lián)萘骨架化合物13催化芳基β－酮酸酯的硅氫化反應，反應可以選擇性還原底物中的酮羰基，而酯羰基的不發(fā)生硅氫化反應［20］。產(chǎn)物的收率和光學活性均很高。與該類催化劑結(jié)構(gòu)相似的聯(lián)苯型Rh配合物14也被應用于催化此類反應，室溫下反應48h，收到了良好的催化效果，3－氯苯乙酮硅氫化反應的手性醇產(chǎn)物ee值達到了98%［21］。

圖8 Rh－NHC化合物12－14催化的酮硅氫化反應

此外，還有如圖9所示 Bolm［22］等合成的15，F(xiàn)aller［23］的16以及 Crabtree［24］的17等催化劑，也可以在溫和的條件下高產(chǎn)率催化硅氫化反應，但是只收到了低或中等的立體選擇性。

圖9 幾種催化酮硅氫化反應的NHC前體及其配合物15－17

4 結(jié)語

眾多的研究結(jié)果表明，NHC－金屬配合物催化前手性酮的不對稱硅氫化反應是一種越來越重要的合成手性醇類化合物的方法。隨著研究的深入，將會有更多結(jié)構(gòu)更加新穎的高效催化劑被合成出來。從文獻報道內(nèi)容中可大致歸納今后主要研究方向，包括：①由貴金屬Rh催化的硅氫化反應逐漸變?yōu)镃u、Ni、Fe等非貴金屬催化；②雙齒或多齒的NHC配體能夠與金屬形成更穩(wěn)定的金屬配合物，如許多與NHC配體聯(lián)接噁唑啉等手性誘導單元都取得了相當不錯的結(jié)果，因此，開發(fā)新型的雙齒或多齒配體是今后的研究工作的重要內(nèi)容；③催化劑的回收和再利用問題。

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