金屬—N—雜環(huán)卡賓催化前手性酮的硅氫化反應(yīng)研究

姜嵐　李爭寧

摘要：指出了前手性酮和硅氫試劑的硅氫化反應(yīng)是一種重要的合成手性醇化合物的方法。綜述了在過渡金屬-手性N-雜環(huán)卡賓配合物催化劑的催化下的硅氫化反應(yīng)，這類催化劑的配體N-雜環(huán)卡賓配體結(jié)構(gòu)多變，給電子能力強(qiáng)，方法具有操作簡便，反應(yīng)條件溫和的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：前手性酮；硅氫化反應(yīng)；過渡金屬-N-雜環(huán)卡賓；催化反應(yīng)

1引言

硅氫化反應(yīng)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(dǎo)下進(jìn)行加成反應(yīng)，生成有機(jī)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(yīng)，是一類重要的合成手性醇的方法，反應(yīng)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(jī)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(yīng)相比，硅氫化反應(yīng)條件溫和，無需高壓條件，而且硅氫化合物化學(xué)性質(zhì)相對比較穩(wěn)定，易于使用和貯存。因此，從20世紀(jì)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(yīng)高效、高選擇性的催化劑的合成與研究，至今方興未艾。

20世紀(jì)80年代，Brunner[1]研究小組首先報(bào)道合成了手性噻唑啉類配體1，其催化的硅氫化反應(yīng)ee值首次達(dá)到了90%以上，對不同酮底物有很強(qiáng)的適應(yīng)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(jì)、合成出來，表現(xiàn)出很強(qiáng)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(yīng)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(yīng)用到多種均相催化反應(yīng)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(yīng)和空間效應(yīng)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(yīng)，其中金屬Rh應(yīng)用最廣泛。許多手性NHC-金屬催化劑的底物范圍適應(yīng)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(yīng)，日益成為一類不可替代的手性催化劑。鑒于硅氫化反應(yīng)合成手性醇反應(yīng)的重要性，本文將根據(jù)NHC的結(jié)構(gòu)分類綜述此類反應(yīng)在近幾年的應(yīng)用。

2金屬-單齒NHC催化的硅氫化反應(yīng)

1996年，Herrmann[12]小組合成了具有C2對稱性的Rh配合物5，首次報(bào)道了Rh-手性NHC催化的不對稱硅氫化反應(yīng)，反應(yīng)式如圖3。該反應(yīng)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(rèn)為原因可能是因?yàn)榕潴w咪唑環(huán)的手性側(cè)鏈會(huì)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(yīng)，轉(zhuǎn)化率最高達(dá)98%，ee值最高可達(dá)74%[13]。

3金屬-雙齒NHC催化的硅氫化反應(yīng)

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(yīng)時(shí)，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(yīng)得到了產(chǎn)率90%～99%，光學(xué)純度91%的結(jié)果，反應(yīng)式如圖7。對于烷基酮底物，對映體選擇性達(dá)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(yīng)時(shí)間延長。

2014年7月綠色科技第7期圖7Rh-NHC化合物11催化的酮硅氫化反應(yīng)

上海有機(jī)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(yīng)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(yīng)。反應(yīng)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(yīng)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(yīng)，反應(yīng)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(yīng)[20]。產(chǎn)物的收率和光學(xué)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(yīng)用于催化此類反應(yīng)，室溫下反應(yīng)48h，收到了良好的催化效果，3-氯苯乙酮硅氫化反應(yīng)的手性醇產(chǎn)物ee值達(dá)到了98%[21]。

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(yīng)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(huì)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(xiàn)報(bào)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(yīng)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(dǎo)單元都取得了相當(dāng)不錯(cuò)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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