TBAT催化羟基导向氢硅化反应高效构建氧杂硅杂环：一种替代贵金属催化的绿色合成策略

研究人员针对传统过渡金属催化氢硅化反应依赖贵金属、成本高的问题，开发了TBAT(四丁基铵二氟三苯基硅酸盐)催化的羟基导向氢硅化反应体系。该研究实现了烯丙醇和同烯丙醇与二苯基硅烷高效转化为5/6元氧杂硅杂环(oxasilolanes)，获得83-96%收率和最高11:1非对映选择性，并通过DFT计算和立体专一性实验揭示了涉及硅醚中间体和苄基阴离子的创新机理。这项工作为构建药用价值显著的硅杂环提供了绿色合成路径，发表于《The Journal of Organic Chemistry》。

　　

在有机硅化学领域，氢硅化反应（hydrosilylation）作为构建碳-硅键的核心策略，长期以来依赖铂、铑等贵金属催化剂。尽管1940年代发现的Speier催化剂（H₂PtCl₆）和1970年代开发的Karstedt催化剂（Pt⁰复合物）推动了工业化应用，但贵金属的高成本和环境负担始终是瓶颈。尤其对于氧杂硅杂环（oxasilolanes）这类具有药物开发潜力的杂环，现有合成方法多需Wilkinson催化剂（Rh(PPh₃)₃Cl）等昂贵试剂。如何发展非金属催化体系，同时实现高区域和立体选择性，成为亟待解决的科学难题。

针对这一挑战，Western Washington University的Tess Q. Billmire、Gregory W. O’Neil团队创新性地利用四丁基铵二氟三苯基硅酸盐（TBAT）催化体系，实现了羟基导向的分子内氢硅化反应。研究人员发现，烯丙醇和同烯丙醇类化合物在TBAT（0.2当量）和二苯基硅烷（Ph₂SiH₂）作用下，于甲苯溶剂中可高效构建5/6元氧杂硅杂环。该反应不仅避免了贵金属的使用，还通过底物结构优化获得了优异的非对映选择性（d.r.最高达11:1），为绿色合成硅杂环化合物提供了新思路。

研究团队采用核磁共振分析（¹H NMR）、密度泛函理论计算（DFT）和X射线晶体学等技术手段，结合Tamao氧化和质子脱硅等衍生化反应，系统阐明了反应机理和立体化学特征。通过设计顺反异构体对照实验和溶剂筛选等策略，揭示了温度、取代基电子效应和空间位阻对反应效率的影响规律。

结果与讨论

底物适用范围

研究首先考察了不同碳醇位取代基（R）的苯乙烯醇类底物（表1）。当R为正丁基（n-Bu）、异丙基（i-Pr）和叔丁基（t-Bu）时，5元氧杂硅杂环产物7-9的收率达83-96%，且立体选择性随位阻增大而提高（d.r. 3.4:1至5.6:1）。值得注意的是，甲基取代的底物1因易发生二聚副反应导致收率较低（48%），而苯基取代物6则因同时具有烯丙位和苄位羟基导致复杂产物。

芳环取代效应

对位取代苯环的底物研究表明（表2），给电子基团（如对甲氧基）和吸电子基团（如对溴）均能兼容，但邻位取代会因空间位阻显著降低收率。特别的是，对氟和对氯底物虽能发生氢硅化，但主要生成非环状产物，暗示阴离子中间体的稳定性对环化效率具有关键影响。

三取代烯烃的转化

在80℃优化条件下，三取代烯烃可高效转化为氧杂硅杂环10和11（图2），且通过Tamao氧化和质子脱硅等衍生反应确认了产物的绝对构型。例如，产物10经Tamao氧化后仅得到反,反-构型的二醇12，证实了氢硅化过程的高立体选择性。

机理探究

通过Z/E-烯烃对照实验（图1）发现，无论起始原料为E-1还是Z-1，均生成相同优势构型的产物2，但Z-1的收率更低（37% vs 55%）。结合DFT计算，团队提出分步机理（图4）：TBAT释放的氟离子促进硅醚Si-I形成，随后发生分子内氢负转移生成苄基阴离子Si-II，最终环化得到产物并再生催化剂。该机理成功解释了呋喃（19）和二烯（20）类底物同样能高效转化（图4），因为其生成的阴离子Si-III可通过共振稳定化。

六元环体系的构建

对于同烯丙醇类底物，研究实现了六元氧杂硅杂环23-25的合成（表3）。有趣的是，升高温度可使d.r.从1.8:1提升至9:1，DFT计算显示这是热力学控制的立体选择性（表4）。通过核磁耦合常数分析和单晶衍射（图2），确认六元环优势构型为反式椅式构象。

结论与展望

该研究发展了一种TBAT催化的羟基导向氢硅化反应，成功实现了5/6元氧杂硅杂环的高效构建。其创新性体现在：首次采用非金属催化体系替代传统贵金属催化剂；通过阴离子中间体调控实现优异的立体选择性；拓展了共轭二烯等挑战性底物的适用范围。这项工作不仅为有机硅化学提供了绿色合成工具，更为含硅药物的开发奠定了基础。未来通过优化底物结构和反应条件，有望进一步拓展该策略在复杂杂环合成中的应用。