姜 嵐，李爭(zhēng)寧

（大連大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連116622）

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(duì)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(duì)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。

圖1 酮與硅氫試劑的硅氫化反應(yīng)通式

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(duì)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。

圖2 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(duì)稱性的Rh配合物5，首次報(bào)道了Rh－手性NHC催化的不對(duì)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］。

圖3 Rh－NHC化合物5和6催化的酮硅氫化反應(yīng)

2005年，Ma和Andrus［14］等人合成了具有平面手性的基于［2.2］環(huán)仿化合物的NHC前體咪唑鹽7，與RuCl2（PPh3）3可在室溫下高選擇性的催化芳酮的手性硅氫化反應(yīng)，產(chǎn)物光學(xué)活性93%～97%ee，產(chǎn)率80～98%，反應(yīng)式如圖4。同時(shí)作者還提出了硅氫化反應(yīng)可能的機(jī)理。

圖4 Rh－NHC化合物7催化的酮硅氫化反應(yīng)

自從 Nolan小組［15，16］開創(chuàng)了 Cu－NHC催化酮的硅氫化反應(yīng)的先河，以IProHBF4、IMes·HCl、SIMes·HBF4、ICy·HBF4等咪唑鹽為前體，催化芳香酮和脂肪酮的硅氫化反應(yīng)。2011年，Gawley［17］等人將具有C2對(duì)稱性、手性Cu－NHC配合物8引入到酮的硅氫化反應(yīng)中。催化劑表現(xiàn)出很高的活性，不同底物的收率均較高，尤其是類似2－丁酮等更具挑戰(zhàn)性的二烷基前手性酮底物，er（S/R）值最高達(dá)99∶1，是迄今該類底物硅氫化反應(yīng)或氫化反應(yīng)合成手性醇的最高結(jié)果，反應(yīng)式如圖5所示。甚至在較低的催化劑用量下（2mol%），仍然可以在室溫下1h內(nèi)完成反應(yīng)。

圖5 Cu－NHC化合物8催化的酮硅氫化反應(yīng)

2012年，Sakaguchi［18］小組合成了Ir－苯并咪唑型NHC配體9，用于催化芳酮的硅氫化反應(yīng)制備手性醇，反應(yīng)式如圖6。研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)可在THF中室溫條件下順利進(jìn)行，采用硅氧烷（EtO）2MeSiH作為硅氫試劑，ee%值僅為12%，而加入4mol%AgBF4后，反應(yīng)收率和ee%值有大幅度提升。當(dāng)改變反應(yīng)溶劑為2－甲基四氫呋喃后，ee%值達(dá)到了令人滿意的92%。反應(yīng)對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的底物具有較好的適用性，對(duì)映體選擇性達(dá)79%～91%。

圖6 Cu－NHC化合物9催化的酮硅氫化反應(yīng)

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(duì)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(duì)于烷基酮底物，對(duì)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(zhǎng)。

圖7 Rh－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(duì)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］。

圖8 Rh－NHC化合物12－14催化的酮硅氫化反應(yīng)

此外，還有如圖9所示 Bolm［22］等合成的15，F(xiàn)aller［23］的16以及 Crabtree［24］的17等催化劑，也可以在溫和的條件下高產(chǎn)率催化硅氫化反應(yīng)，但是只收到了低或中等的立體選擇性。

圖9 幾種催化酮硅氫化反應(yīng)的NHC前體及其配合物15－17

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(duì)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。

［1］Brunner H，Becker R，Riepl G.Asymmetric syntheses.20.Enantioselective hydrosilylation of ketones with［Rh（COD）Cl］2/thiazolidine catalysts［J］.Organometallics，1984（3）：1354～1359.

［2］Gade L H，César V，Bellemin－Laponnaz S.A modular assembly of chiral oxazolinylcarbene－rhodium complexes：efficient phosphane－free catalysts for the asymmetric hydrosilylation of dialkyl ketones［J］.Angew.Chem.Int.Ed，2004（43）：1014－1017.

［3］Ohta H，F(xiàn)ujihara T，Tsuji Y.N－Heterocyclic carbene ligands bearing hydrophilic and/or hydrophobic chains：Rh（I）and Pd（II）complexes and their catalytic activity［J］.Dalton Trans，2008（6）：379～385.

［4］Schneider N，Kruck M，Bellemin－Laponnaz S，et al.Chiral oxazoline－NHC ligands with and without CR2bridges：a comparative study in rhodium hydrosilylation catalysis ［J］.Eur.J.Inorg.Chem，2009（11）：493～500.

［5］Song C，Ma C，Ma Y，et al.Bis－paracyclophane N－h(huán)eterocyclic carbene－ruthenium catalyzed asymmetric ketone hydrosilylation［J］.Tetrahedron Lett，2005（46）：3241～3244.

［6］Zanardi A，Peris E，Mata J A.Alkenyl－functionalized NHC iridium－based catalysts for hydrosilylation ［J］.New J.Chem，2008（32）：120～126.

［7］Kaur H，Zinn F K，Stevens E D，et al.（NHC）CuI（NHC＝ N－h(huán)eterocyclic carbene）complexes as efficient catalysts for the reduction of carbonyl compounds［J］.Organometallics，2004（23）：1157～1160.

［8］Díez－gonzález S，Kaur H，Zinn F K，et al.A simple and efficient copper－catalyzed procedure for the hydrosilylation of hindered and functionalized ketones［J］.J.Org.Chem，2005（70）：4784～4796.

［9］Buchan Z A，Bader S J，Montgomery J.Ketone hydrosilylation with sugar silanes followed by intramolecular aglycone delivery：an orthogonal glycosylation strategy［J］.Angew.Chem.Int.Ed，2009（48）：4840～4844.

［10］Buchan Z A，Bader S J，Montgomery J.Ketone hydrosilylation with sugar silanes followed by intramolecular aglycone delivery：an orthogonal glycosylation strategy［J］.Angew.Chem.Int.Ed，2009（48）：4840～4844.

［11］Wile B M，Stradiotto M.Silver－catalyzed hydrosilylation of aldehydes［J］.Chem.Commun，2006（7）：4104～4106.

［12］Herrmann W A，Goossen L J，Kocher C，et al.Chiral heterocylic carbenes in asymmetric homogeneous catalysis ［J］.Angew.Chem.Int.Ed.Engl，1996，35（23～24）：2805～2807.

［13］Steinbeck M，F(xiàn)rey G D，Schoeller W W，et al.Synthesis and characterization of chiral mono N－h(huán)eterocyclic carbene－substituted rhodium complexes and their catalytic properties in hydrosilylation reactions ［J］.J.Organomet.Chem，2011（696）：3945～3954.

［14］Song C，Ma C，Ma Y，et al.Bis－paracyclophane N－h(huán)eterocyclic carbene－ruthenium catalyzed asymmetric ketone hydrosilylation［J］.Tetrahedron Lett，2005（46）：3241～3244.

［15］Kaur H，Zinn F K，Stevens E D，et al.（NHC）CuI（NHC＝ NHeterocyclic Carbene）complexes as efficient catalysts for the reduction of carbonyl compounds［J］.Organometallics，2004（23）：1157～1160.

［16］Díez－González S，Kaur H，Zinn F K，et al.A simple and efficient copper－catalyzed procedure for the hydrosilylation of hindered and functionalized ketones［J］.J.Org.Chem，2005（70）：4784～4796.

［17］Albright A，Gawley R E.Application of a C2－symmetric copper carbenoid in the enantioselective hydrosilylation of dialkyl and aryl－alkyl ketones［J］.J.Am.Chem.Soc，2011（133）：19680～19683.

［18］Kawabata S，Tokura H，Chiyojima H，et al.Asymmetric hydrosilane reduction of ketones catalyzed by aniridium complex bearing a hydroxyamide－functionalized NHC ligand.Adv.Synth.Catal，2012（354）：807～812.

［19］Duan W L，Shi M，Rong G B.Synthesis of novel axially chiral Rh－NHC complexes derived from BINAM and application in the enantioselective hydrosilylation of methyl ketones ［J］.Chem.Commun，2003（8）：2916～2917.

［20］Xu Q，Gu X，Liu S，et al.The use of chiral BINAM NHC－Rh（Ⅲ）complexes in enantioselective hydrosilylation of 3－oxo－3－arylpropionic acid methyl or ethyl esters［J］.J.Org.Chem，2007（72）：2240～2242.

［21］Liu L，Wang F，Shi M.Synthesis of chiral bis（N－h(huán)eterocyclic carbene）palladium and rhodium complexes with 1，10－biphenyl scaffold and their application in asymmetric catalysis［J］.Organometallics，2009（28）：4416～4420.

［22］Yuan Y，Raabe G，Bolm C.Novel rhodium complexes with ferrocene－based N－h(huán)eterocylic carbenes：synthesis，structure and catalysis［J］.J.Organomet.Chem，2005（690）：5747～5752.

［23］Faller J W，F(xiàn)ontaine P P.Stereodynamics and asymmetric hydrosilylation with chiral rhodium complexes containing a monodentate N－h(huán)eterocyclic carbene［J］.Organometallics，2006（25）：5887～5893.

［24］Chianese A R，Crabtree R H.Axially chiral bidentate N－h(huán)eterocyclic carbene ligands derived from BINAM：rhodium and iridium complexes in asymmetric ketone hydrosilylation［J］.Organometallics，2005（24）：4432～4436.