二氨基环己烷/锌配合物催化的酮类不对称氢硅化反应：比较研究及机理探讨

《European Journal of Organic Chemistry》：Asymmetric Hydrosilylation of Ketones Catalyzed by Diaminocyclohexane/Zinc Complexes: A Comparative Study and Mechanistic Insight

锌催化不对称硅氢化反应中，DACH配体1与笼形配体2的催化性能研究表明，配体1的转化率和ee（94%）优于配体2（91%）。DFT计算显示，配体1与ZnEt2形成复合物3，经脱烷基生成活性物种4，后者与硅烷结合形成Zn-H中间体，通过手性配体空间位阻实现选择性氢转移，最终生成高ee产物。动力学同位素效应证实单电子转移路径，且配体手性直接决定产物ee

　　锌催化不对称水合硅烷反应的机理研究及两种配体的性能对比
在有机合成领域，不对称催化反应因其能够高效生成具有特定立体化学结构的产物而受到广泛关注。其中，锌作为催化剂在不对称还原反应中展现出独特的性能，尤其是在对酮类化合物进行水合硅烷反应时，能够生成具有高对映选择性的二级醇类化合物。本研究围绕两种基于环己烷-1,2-二胺（cyclohexane-1,2-diamine）衍生的配体展开，分别为N,N′-二苯基环己烷-1,2-二胺（1）以及由六个环己烷-1,2-二胺单元组成的笼状结构（2）。通过实验和理论计算相结合的方式，研究人员探讨了这两种配体在锌催化体系中的作用机制及其对反应性能的影响。

在实验部分，研究团队首先对配体（1）和（2）的催化性能进行了系统比较。他们发现，使用配体（1）进行反应时，即使在标准条件下，也能在短时间内实现高转化率（高达99%）和较高的对映过剩（e.e.）值（高达81%）。而使用配体（2）时，虽然反应同样高效，但并未表现出显著的性能优势。此外，研究还表明，配体（2）虽然在结构上具有独特的笼状特征，但其对反应的促进作用并未超越配体（1）。这可能是因为笼状结构虽然提供了更多的空间位阻，但其在反应过程中未能有效增强催化剂的活性或选择性。实验数据显示，使用配体（1）和（2）进行反应时，无论是对映选择性还是反应速率均相近，说明配体（2）的复杂结构并未带来额外的催化优势。

为了进一步理解反应的机理，研究团队对配体（1）进行了详细的机制研究。他们首先通过核磁共振（NMR）和X射线晶体学技术确定了锌与配体（1）形成的配合物的结构。结果表明，锌与配体之间的配位结构呈现扭曲的四面体构型，其中锌与两个氮原子之间的键长为2.245(4) ?，锌与碳原子之间的键长为1.998(6) ?。这一结构特征为后续的反应路径分析提供了基础。此外，NMR分析还揭示了在反应过程中存在一定的副产物，如乙烷的生成，这表明锌配合物可能经历了某种脱附过程，从而影响了其催化活性。

通过扩散有序NMR（DOSY）实验，研究人员进一步探讨了反应体系中不同物种的扩散行为及其分子量。结果表明，配体（1）与锌形成的配合物（3）和（4）的分子量相近，导致难以通过DOSY技术区分两者。然而，当加入二苯基硅烷（Ph?SiH?）后，反应体系中出现了更重的分子信号，这可能与配合物（4）的二聚体有关。这一发现为理解反应过程中配合物的动态变化提供了线索，同时也暗示了反应路径中可能存在一定的结构转化。

为了探究反应的速率和选择性是否受到氢同位素（H/D）的影响，研究团队设计了相应的实验。他们使用了不同比例的硅烷（Ph?SiH?和Ph?SiD?）进行反应，并通过产物的H/D比值分析了反应的动力学行为。结果表明，反应的对映选择性并未受到硅烷中氢同位素比例的影响，这说明反应的关键步骤可能不涉及氢转移过程，或者其动力学行为与氢同位素的差异无关。此外，实验还显示，反应的转化率与硅烷的当量数之间存在一定的关系，但对映选择性保持不变，进一步支持了硅烷可能仅作为氢源而非直接参与对映选择性步骤的假设。

为了更深入地理解反应的机制，研究团队还进行了密度泛函理论（DFT）计算。计算结果表明，配体（1）与锌形成的配合物（3）可能通过某种方式转化为锌的另一形式（4），但这一转化过程的能垒较高，导致其在实验中表现出较高的动力学稳定性。进一步的计算显示，配合物（4）与硅烷之间的相互作用可能形成了一个硅烷配位的锌氢化物物种（I?），该物种可能是反应中的真正活性中心。DFT计算还揭示了这一活性物种在反应中的作用路径，包括硅烷与酮类底物的相互作用、氢转移过程以及最终产物的形成。计算结果表明，整个反应过程的能垒较低（低于15 kcal/mol），使得反应能够在较短时间内完成，这也与实验中观察到的快速反应速率相吻合。

此外，研究团队还分析了反应过程中不同反应物的参与情况，发现硅烷的当量数对反应的对映选择性没有显著影响，但对转化率有一定作用。例如，当使用少量的硅烷时，反应的转化率较低，但对映选择性依然保持较高水平。这一现象表明，硅烷可能在反应中主要作为氢源，而非直接参与对映选择性步骤。因此，反应的对映选择性可能主要由配体的立体结构和锌的配位环境决定。

研究还探讨了配体对反应产物立体构型的影响。通过计算，研究人员发现，反应的对映选择性与配体的对映过剩之间存在严格的线性关系，这表明反应过程中可能仅存在一个活性中心。同时，计算结果还显示，反应的关键步骤——即氢转移至酮类底物的过程——具有较低的能垒，这解释了为什么反应能够在短时间内完成。然而，由于该活性物种的浓度较低，其直接检测在实验中存在一定的挑战。

综上所述，本研究不仅验证了配体（1）和（2）在锌催化不对称水合硅烷反应中的性能，还通过实验和理论计算相结合的方式揭示了反应的机理。研究结果表明，尽管配体（2）在结构上具有独特的笼状特征，但其在催化性能上并未显著优于配体（1）。因此，配体（1）可能是一个更为实用的催化剂选择。此外，研究还表明，锌的活性物种可能是通过配体与锌的相互作用形成的硅烷配位锌氢化物，这一物种在反应中起到了关键作用。这些发现为今后设计更高效的锌催化体系提供了理论依据和实验指导。