钴催化重氮化合物同C-Si键的交叉偶联反应研究

Sila-heterocycles have found wide applications in functional materials and pharmaceuticals. Many works have shown that the carbon-to-silicon switch in heterocycles could lead to sila-congeners with significantly altered biological and physicochemical properties compared to their call-carbon analogues. However, the existing chemical transformations for introducing the element silicon into different cyclic molecules are very limited, and further constructing chiral silicon center in a molecule is more challenging. On the other hand, diazo compounds which possess diverse reactivities belong to very important C1 synthons in organic synthetic chemistry, and their cross-coupling with C-Si bonds would open a new window to assemble organosilicon compounds. This project will focus on developing cobalt-catalyzed cross-coupling between C-Si bonds and carbene precursors including diazo compounds, sulfur ylides and N-tosylhydrazones through C-Si bond activation process for making functionalized silicon skeleton compounds, especially for synchronously assembling chiral carbon and chiral silicon centers in a molecule through “One-Step” procedure. Moreover, the further mechanism studies involving the trapping of reactive intermediate and DFT calculations would be carried out to illuminate the possible reaction pathways, which could provide useful information for helping us to further explore new type of organic reactions in this field.

硅基杂环化合物在功能材料和药物化学领域具有广泛的应用前景。相对于全碳化合物而言，硅基杂环功能分子因C/Si转换后已显示出优异的生物和光物理特性。然而，目前将硅元素直接引入环烃分子的化学转换途径非常有限，而手性硅基杂环的化学构建则更是一挑战性强的研究课题。另一方面，重氮化合物属于有机化学中非常重要的一类C1合成子，将其多样性的反应模式与C-Si键活化相结合可为构建复杂硅杂环开辟独特的化学转换平台。本项目旨在利用廉价钴活化C-Si键，发展一系列基于钴催化C-Si键与重氮化合物交叉偶联的合成方法学，构建硅杂环骨架，特别是构建同时含有手性碳和手性硅中心的硅杂环分子；拓展钴催化C-Si键与其他卡宾前体诸如硫叶立德和N-Ts腙的交叉偶联环化反应性能，突破底物的局限性；通过捕捉中间体并结合DFT理论计算等手段深入研究反应历程，对反应规律进行总结和凝练，为今后发展此领域的新型有机反应提供研究基础和信息。

硅杂环化合物往往比相应的全碳化合物具有特异的生物活性和光电物理性能，同时也赋予这类化合物优良的环境友好性特点。为此，发展具有新颖结构的硅基杂环化合物的合成方法学研究倍受期待和关注。然而，目前将硅元素直接引入环状烃类分子的化学转换途径非常有限，大都通过Si-H键与烯烃或者炔烃的偶联反应来实现，且底物范围的局限性大。为此，申请人提出开展硅杂环化合物的合成方法学的研究具有重要的科学意义。在本项目资助下，申请人先后系统研究了原料易得的有机硅烷同金属卡宾或其他偶联试剂的偶联环化反应性能，成功实现了过渡金属和可见光催化烯基硅和炔基硅与芳磺酰基叠氮和炔醇的偶联环化反应，为结构新颖的苯并硅杂环化合物的构建提供了高效合成策略，部分化合物在光电材料领域已显示出优良的应用前景；此外，在本项目开展过程中，申请人还意外发现了过渡金属铑及光催化碳-碳sigma键的官能化反应，实现了碳-碳sigma键的直接胺化、烷氧化和烯基化反应，为直接高原子和高步骤经济性实现复杂分子的碳骨架重排开辟了高效的化学转换策略。相关工作已在化学类Nat. Commun. (2021, 12, 3304)、ACS Catal. (2020, 10, 8402)和Org. Lett. (2021, 23, 6724) 等国际刊物上发表。