综述：催化立体选择性硅基和硼甲酰化反应：规划充满挑战的前进之路

这篇前瞻性综述聚焦于硅甲酰化（silylformylation）和硼甲酰化（boraformylation）反应的最新进展，系统梳理了CHO与硅基/硼基团对不饱和C─C键（烯烃、二烯、炔烃、联烯衍生物）的加成反应。文章指出，尽管硅甲酰化已较为成熟，但硼甲酰化仍处于早期阶段，而对映选择性变体（enantioselective variants）仍是空白，这为开发新型催化剂以构建立体化学复杂分子提供了关键机遇。

　　

催化立体选择性硅基和硼甲酰化反应：规划充满挑战的前进之路

这篇前瞻性综述系统性地总结了在（立体选择性）硅甲酰化和硼甲酰化反应中的关键里程碑发现——这些反应是甲酰基（CHO）与硅基或硼基团对不饱和C─C键（如烯烃、二烯、炔烃或联烯衍生物中的键）的形式加成。尽管这些转化尚未达到母体氢甲酰化反应（CHO和H对不饱和C─C键的加成）的成熟水平，但已经取得了显著进展。

引言

氢甲酰化是化学工业中的基石过程，能够将不饱和烃高效转化为有价值的醛和其他含氧中间体。它通常被称为“氧化过程”，涉及从合成气（CO和H₂）衍生的氢（H）和甲酰基（CHO）基团对不饱和C─C键的形式加成。该反应在生产塑料、聚合物、溶剂、精细化学品和生命科学产品的关键构建块中起着至关重要的作用。氢甲酰化依赖于氢化羰基金属配合物，其中钴和铑历史上并继续发挥着关键作用。该机制的深入研究揭示了几个关键的有机金属基元步骤。研究者很快认识到，其他含有G─H键的试剂也能够与CO结合参与类似的转化，这为扩展通过这些化学可获得的醛的结构多样性铺平了道路。迄今为止，文献中仅报道了硅甲酰化（G = SiR₃）和硼甲酰化（G = BR₂）。

开创性进展

炔烃的分子间硅甲酰化

对烯烃、CO和氢硅烷在过渡金属基催化剂（特别是[Co₂(CO)₈]）存在下反应的最早研究可追溯到1977年Sonoda等人的工作。这些研究表明形成了包含烯烃、来自CO的额外碳和硅基的产物。几年后，Matsuda和Ojima分别独立报道了使用单或双金属羰基催化剂（无额外配体）从炔烃获得预期C─Si硅甲酰化产物的方法。在这些开创性贡献中，乙炔和各种带有烷基、芳基、烯丙基和硅基取代基的单取代炔烃的硅甲酰化产物被高效获得。氢硅烷的结构显著影响反应的化学选择性，决定了硅甲酰化和炔烃氢硅化之间的平衡。二甲基（苯基）硅烷被证明是最有效的试剂。尽管催化剂和反应条件不同，但两个研究组的结果基本一致。反应结果始终导致硅甲酰化产物，其中硅基连接到炔烃的未取代末端。在立体化学方面，硅甲酰化产物主要采用Z构型。Matsuda报道使用三乙胺（相对于底物1当量）增强了多数炔烃的Z选择性。Matsuda还研究了二取代炔烃的硅甲酰化。当炔烃被Me或Ph基团对称取代时，反应高效进行，得到Z构型的硅甲酰化产物。对于末端位置带有COOR基团的炔烃，硅基优先连接到带有COOR基团的碳上。对于含有烷基或芳基的不对称二取代炔烃，硅基优先连接到空间要求较小的取代基所在的炔烃碳上。

炔烃的分子内硅甲酰化

直到1995年，Matsuda、Ojima和Alper同时报道了这类化学的优雅例子，底物中同时含有炔烃和氢硅烷部分的分子的分子内硅甲酰化才被探索。这些研究后来得到了Salvadori工作的补充。使用了与相应分子间反应类似的催化剂和条件。通常，硅甲酰化通过exo-dig环闭合机制以高区域选择性进行。该方法适用于单和二取代炔烃（底物中R¹ = H、烷基或Ph）。炔烃和氢硅烷部分之间具有两到四个原子（包括C和O）的连接链是耐受良好的，导致形成具有环外4元、5元或6元含硅环的醛。当炔烃和氢硅烷基团连接到环状骨架上时，可以高效获得具有含硅环的双环体系。关于这些硅甲酰化反应的立体化学方面，该过程是非对映选择性的，因为硅和甲酰基位于环外双键的同一侧。

烯烃的分子内硅甲酰化

烯烃硅甲酰化的第一个例子，定义为氢硅烷和CO衍生的R₃Si和CHO基团对C═C双键的加成，由Leighton等人在1997年报道。在此之前，烯烃的硅甲酰化一直难以实现，因为应用于炔烃的相同反应条件导致形成氢甲酰化衍生的硅醚，而不是所需的β-硅基醛。尽管Leighton的方法使用了类似的催化剂和条件，但它利用了硅甲酰化的一个关键特征：其对硅基团取代模式的强烈依赖性。具体来说，他们发现高烯丙醇衍生的硅醚在标准硅甲酰化条件下的分子内反应导致形成1,2-氧杂硅杂环戊烷衍生物，其中醛定位在距离硅原子两个碳的位置。尽管所得醛表现出良好的稳定性，但以纯形式分离它们通常具有挑战性。为了解决这个问题，通过还原随后酯化，将醛原位转化为相应的乙酸酯衍生物。该反应表现出高化学选择性，始终提供分子内产物作为主要反应产物。该转化表现出高非对映选择性，有效产生产物，其非对映异构体比率范围从4:1到10:1，有利于顺式非对映异构体。

Leighton等人设想，在硅上带有烯丙基取代基的高烯丙醇衍生硅醚可以经历串联分子内硅甲酰化-烯丙基硅化过程，产生有价值且多用途的手性合成子，用于合成复杂分子。这些作者进一步提出，将这种串联转化与Tamao–Kumada–Fleming氧化耦合可以提供一条通往1,3,5-三醇的有效途径。为了证明这种方法的可行性，作者在模型底物上应用了硅甲酰化条件。中间体产物被有效生成并随后进行氧化，以59%的产率提供了相应的syn,syn-三醇以及18%的其他非对映异构体。基于这些结果，作者将底物范围扩展到包括氧α位的官能化烷基取代基，以及C═C键α位的烷基基团。该过程始终提供良好的总产率和高非对映选择性。总之，Leighton的贡献确立了串联硅甲酰化-烯丙基化（以及本迷你综述未涵盖的相关过程）作为通往多元醇的有效、立体选择性路线，使得能够合成几种天然产物。

联烯和二烯的硼甲酰化

烯烃和炔烃的硼甲酰化——定义为硼基和甲酰基同时并入C═C或C≡C键——至今仍是一种未被发现的转化。文献对烯烃或炔烃与一氧化碳（或其他羰基源）和硼基供体在过渡金属催化剂存在下的潜在反应性（或缺乏 thereof）提供的见解非常有限。相比之下，联烯是通过将两个不同的官能团选择性加成到单个双键上来构建复杂分子结构的通用构建块。为了探索联烯对硼甲酰化的反应性，Tsuji、Fujihara等人在2017年报道了涉及联烯的硼甲酰化的第一个例子。在该转化中，使用次硼酸衍生物和甲酸酯作为硼基和羰基的来源，分别在带有膦配体的铜(I)催化下，对1,1′-二取代联烯的内部双键进行了官能化。使用铜(I)前体与1,2-双(二芳基膦基)苯（L1）作为配体组合实现了有效的催化条件。最有效的硼基和羰基供体分别是双(频哪醇合)二硼和己基甲酸酯。一系列对照实验使作者得出结论，一氧化碳没有参与这类化学。在这些条件下，1,1′-取代联烯的硼甲酰化以良好的产率进行，并具有高区域选择性朝向产物。甲酰基被引入到联烯的取代末端碳上，而硼基被安装在内侧位置。值得注意的是，单取代联烯在报道的条件下未能进行硼甲酰化。虽然底物范围包括带有纯的和官能化的烷基（具有O-、O-酰基或N-酰基取代基）的1,1′-二取代联烯，但未探索含有芳基取代基的共轭联烯。Fujihara等人进一步将该方法扩展到共轭二烯。在类似条件下，这次使用单膦配体L2而不是二膦，四个2-和2,3-取代的二烯被转化。所需的β-(频哪醇合)硼基醛以高收率和高区域选择性获得，甲酰基优先安装在取代位置。尽管潜在的对映选择性催化硼甲酰化策略将在第5节讨论，但值得注意的是，这种化学应用于许多前手性联烯和二烯时，产生了立体生成中心，但由于使用非手性催化剂而提供了外消旋体。

用于过渡金属催化硅基和硼甲酰化反应的模块化配体策略

过渡金属催化提供了从简单前体构建复杂分子的高选择性路线，其中配体在调节几何结构、电子学和反应性方面发挥着积极作用。模块化配体设计——围绕中心支架组装定制片段——已经彻底改变了许多转化中的催化剂发现。尽管取得了成功，但这种方法在硅甲酰化化学中仍然 largely 未被探索。具体来说，使用过渡金属催化剂的配体介导的炔烃硅甲酰化仅在三个实例中被报道，所有这些都涉及铑催化剂。这些例子专门使用己-1-炔作为底物，始终以高产率和优异的非对映选择性（Z非对映异构体）提供目标产物，使用低催化剂负载量（0.1 mol% Rh）。最早的报道由Espinet等人在2001年完成，利用了他们在合成N–P–N铑螯合物方面的专业知识，这些螯合物在温和条件下（室温，1 bar CO）有效催化了己-1-炔的硅甲酰化。反应在黑暗中进行以防止Z/E异构化，这种异构化在光照下发生。2004年，Basato等人报道，带有氧代硫醚配体的阳离子羧酸根二铑(II)配合物作为己-1-炔硅甲酰化的有效催化剂。具体来说，阳离子配合物使用仅0.1 mol%的催化剂几乎使反应完成，在室温下实现了73%的Z非对映异构体产率。主要副产物是相应的氢硅化产物（25%产率）。值得注意的是，中性配合物在该转化中没有显示催化活性，强调了氧代硫醚配体和配合物的阳离子性质对于硅甲酰化催化性能的重要性。同一作者后来开发了一种带有1,8-萘啶配体的阳离子二铑(II)催化剂，该催化剂应用于使用二甲基苯基硅烷的己-1-炔硅甲酰化。反应以优异的化学、区域和立体选择性进行，几乎完全转化并以出色的选择性（99%）提供Z异构体。

迄今为止，报道的高效、配体调节的硼甲酰化和硅甲酰化反应的催化系统仅涉及联烯和二烯。这类化学由Tsuji、Fujihara等人开发，基于铜(I)催化。催化联烯和二烯硼甲酰化的细节在第2.4节中讨论。

关于铜催化的联烯和二烯上的硅甲酰化，作者使用Cu(I)前体与二膦配体L1组合，以及硅基硼酸酯和甲酸酯分别作为硅基和羰基来源，确定了有效的反应条件。在这些条件下，一系列结构多样的联烯被成功转化为相应的β-硅基-β,γ-不饱和醛，收率良好至高。该反应表现出广泛的官能团耐受性，容纳末端烯烃、芳基取代基、缩酮和酯。Fujihara等人进一步将该方法扩展到共轭二烯。在使用配体L3和L4的修改条件下，四个2-和2,3-取代的二烯例子被成功转化为相应的β-硅基醛。反应以高收率进行并表现出良好水平的区域选择性。对于2-单取代二烯，区域异构体比率范围从75:25到98:2，甲酰基优选并入取代碳上。重要的是，这些转化产生了立体生成中心；然而，由于催化系统的非手性性质，产物是作为外消旋混合物获得的。

机制见解

与氢甲酰化相比，关于硅基和硼甲酰化的此类研究很少。据我们所知，仅存在两个计算工作：Nakamura等人关于[Co₂Rh₂(CO)₁₂]催化的己-1-炔硅甲酰化的研究，以及de Lima Batista、Braga等人关于Tsuji、Fujihara等人提出的丙-1,2-二烯硼甲酰化催化循环的研究。在金属簇催化的硅甲酰化中，Nakamura和Matsuda等人的计算和机理研究得出结论，铑是关键金属，无论簇中是否存在钴。已经提出了两个Rh催化的循环，两者都涉及相同的四个步骤——(A) 氢硅烷对Rh的氧化加成，(B) 炔烃插入到Rh─Si键中，(C) CO插入到Rh─乙烯基键中，和(D) 醛形成的还原消除——仅在这些步骤发生的顺序和它们发生的铑氧化态上有所不同。在循环I中，炔烃和CO插入发生在Rh(III)，而在循环II中发生在Rh(I)。这些步骤和氧化态与Rh介导的氢甲酰化和氢硅化中的一致。炔烃插入到Rh─Si键中的高化学和区域选择性解释了硅甲酰化中报道的优异区域选择性。该步骤将硅基和铑彼此放置为顺式，主要导致(Z)-β-硅基醛。对于某些底物观察到的E异构体的形成可以合理地归因于硅甲酰化后的异构化，而不是Rh催化过程中的低立体选择性。对于烯烃的分子内硅甲酰化知之甚少。Leighton的Rh催化变体是否适合方案9中的任一循环或替代途径尚不清楚。

Tsuji、Fujihara等人为联烯的硅基和硼甲酰化提出了方案10中所示的Cu(I)催化循环，使用甲酸酯作为羰基来源，硅基硼酸酯或次硼酸酯分别作为Si或B来源。该机制包括：(A) C═C插入到Si─Cu或B─Cu键中，得到烯丙基─Cu(I)配合物，(B) 该配合物与甲酸酯通过六元过渡态反应，(C) RO基团的β-消除，和(D) 通过σ键复分解再生活性铜物种。该提案基于实验观察和与其他含C=O和C=N化合物的相关Cu(I)化学，后来得到de Lima Batista和Braga对联烯硼甲酰化计算研究的支持。值得注意的是，该过程创建了一个立体生成中心，这表明用对映体富集的配体替换非手性配体可以实现对映选择性变体。

立体选择性催化的机遇

如前所述，炔烃的催化硅甲酰化具有高非对映选择性，始终产生Z构型的烯醛，其中硅基和甲酰基位于双键的同一侧。由于在标准过程中没有形成立体生成中心，对映选择性变体的机会 inherently 有限。然而，已经报道了一些显著的策略来在源自炔烃的硅甲酰化产物中创建立体生成中心。例如，Salvadori等人开发了氟化物促进的与硅键合的芳基取代基在β-硅基烯醛中的重排。这种重排导致芳基迁移到相对于甲酰基的β-碳，形成一个新的立体生成中心。应用于带有离去基团的末端炔烃，这种化学提供了具有醛α位立体生成中心的环状醛。该阴离子促进重排的其他应用已由同一作者综述。将对映选择性催化重排方法应用于硅甲酰化产物，为生产用于合成结构复杂目标分子的光学富集中间体提供了潜力。对映体富集的硅基衍生物是用于构建复杂、光学活性分子的通用中间体和立体控制单元。现有的对映选择性氢化催化剂应该能够将硅甲酰化产物转化为其对映体富集形式的饱和类似物。另一种通过硅甲酰化获得对映体富集产物的有前途的策略涉及非手性对称二炔的去对称化。在这种方法中，底物中两个C≡C单元中只有一个经历硅甲酰化。该方法已在其非手性变体中在对称1,6-庚二炔上成功证明。为该转化开发对映选择性催化剂可以通过硅甲酰化化学建立一条通往对映体富集化合物的强大路线。

烯烃硅甲酰化化学的艺术水平现在接近于实现催化和对映选择性控制。Leighton在高烯丙醇衍生硅醚的分子内硅甲酰化方面的工作是完善的，使用[Rh₄(CO)₁₂]作为催化剂。从形式上讲，反应是在已经带有立体生成中心的外消旋底物上进行的。引入尚未开发的对映选择性催化剂可以区分起始材料的两种对映体，选择性地仅将一种转化为硅甲酰化产物，同时理想地以高度对映体富集的形式回收另一种对映体。这种策略，通常称为动力学拆分，是有机合成中广泛使用且具有合成价值的方法，通常允许以高产率和对映选择性分离产物和未反应的底物。硅甲酰化产物的结构和回收的底物的结构如图所示。值得注意的是，环化过程也产生了一个新的立体生成中心，它通过与底物中预先存在的立体中心通过1,3-立体诱导过程采用syn关系。Leighton化学的一个可持续扩展将涉及具有可变链长和取代基的前手性烯烃在烯烃和反应性硅基团之间的分子内硅甲酰化。在催化剂发现之后，这种策略可以以优雅的方式提供对映体富集的含硅杂环。

关于联烯和二烯的类似化学，Tsuji和Fujihara的贡献显著推进了催化硅甲酰化和硼甲酰化领域，使它们达到对映选择性催化的门槛。剩下的关键挑战是用合适的对映体富集对应物替换非手性单和二膦配体。从联烯和二烯获得的产物结合了新形成的立体生成中心，它们的有效和对映选择性合成关键取决于发现最佳的对映选择性催化剂以赋予必要的手性偏向。尽管这些产物的结构基于报道的联烯和二烯的转化，但未描绘来自烯烃的类似例子。然而，没有根本理由排除取代烯烃也可以经历对映选择性硅基或硼甲酰化生成具有源自本文所述化学演化的催化剂的产物的可能性。其他配体和催化剂，例如C1–C3，仍然远未实现有效的对映选择性催化硅基和硼甲酰化过程。尽管如此，它们仍然可以作为追求更通用和高效的对映选择性催化方法的更广泛催化界的宝贵灵感。

结论

在烯烃、炔烃、联烯和二烯的催化硅基和硼甲酰化方面取得的显著进展强调了这些转化的合成多功能性和潜力。开创性的贡献已将这些反应确立为构建结构多样和功能丰富的醛的有效方法。值得注意的是，在底物范围、催化剂开发和反应效率方面取得了重大进展。尽管取得了这些成就，但这些转化的对映选择性变体仍然 largely 未被探索。开发硅甲酰化和硼甲酰化的催化对映选择性方法代表了一个关键前沿，提供了获得具有高合成和实用价值的立体化学复杂分子的机会。这一努力的核心是发现和优化对映体富集的配体平台，特别是能够诱导高水平对映选择性的对映体富集的膦和二膦。在这种情况下，现有的配体和催化剂系统，即使尚未针对对映选择性版本进行优化，仍然可以作为更广泛催化界的有价值的起点或灵感来源。推进这些方法朝向通用、高效和立体选择性过程不仅将丰富合成工具箱，而且还将有助于为复杂分子的合成提供更可持续和步骤经济的策略，包括用于制药、农用化学品和先进材料的宝贵中间体。