含硅分子具有重要的学术和工业意义，在许多领域有着广泛的应用。在过去的几十年里，人们对制备新型有机硅化合物的新方法进行了深入的研究，这使得它们在各种有机、有机金属和聚合物化学中得到了广泛的应用。特别是硅氧烷和烷氧基硅烷(硅醚)是基本的重要骨架，它们被广泛用作硅基材料中的特权单体，以及有机合成中有价值的保护基、试剂和中间体。尽管合成硅氧烷和烷氧基硅烷的方法很多，但这些以对映体富集形式含有硅立体中心的有机硅化合物获得途径的探索明显较少，这严重阻碍了它们在新型手性硅基材料的设计和开发中的应用。
历史上，硅立体生成烷氧基硅烷的合成依赖于手性醇助剂的光学拆分和动力学拆分，尽管这些拆分方法取得了成功，但它们的底物范围有限，效率低，原子经济性差。因此，发展基于不对称合成的新型硅烷立体生成烷氧基硅烷的合成方法更具吸引力，但也是非常具有挑战性的。在20世纪70年代，Corriu小组开展了一项开创性的工作，研究了在铑催化下二氢硅烷的不对称醇解反应。当手性醇(如(−)-薄荷醇)用于Si−O偶联反应时，硅立体中心获得了适度的对映选择性(48% ee，经立体特异性亲核置换后测定，方案1a)。后来，Leighton和他的同事实现了手性醇底物和手性铜催化剂诱导的变体，它产生了所需的硅立体生成的烷氧基硅烷，具有高的非对映选择性(90:10 dr，方案1a)。此外，通过化学计量手性试剂或手性助剂的控制，硅原子上两个氨基或烷氧基或氯原子中的一个的不对称取代也被证明用于生成硅立体生成烷氧基硅烷。除了化学计量手性底物诱导的方法外，不对称催化构建硅立体生成硅烷无疑更吸引人,徐组通过对二氢硅烷的对映选择性醇解(方案1b)，尝试了几种方法来获得硅立体生成的烷氧基硅烷。除了二氢硅烷的醇解外，一些过渡金属催化的酮对映体硅氢化和四有机硅烷通过Si−C键断裂的去对称化以及Si−O键的形成也可以生成硅立体结构的烷氧基硅烷。值得注意的是，到目前为止，对映体富硅立体硅氧烷的催化不对称合成仍然是未知的。鉴于人们对合成新型功能材料导向的手性有机硅化合物的需求日益增长，探索和开发高效、对映体选择性好、简便易行的硅立体生成硅氧烷和烷氧基硅烷的通用合成策略是非常有必要的。
近日，来自南方科技大学的何川教授课题组报道了铑催化的二氢硅烷与硅醇或醇的对映选择性分子间脱氢Si−O偶联反应的进展，该反应以良好到优异的产率和对映选择性获得了广泛的高官能化的手性硅氧烷和烷氧基硅烷(方案1c)。这种对映体选择性脱氢Si-O偶联的进一步应用通过构建CPL活性(圆偏振发光)硅-烷氧基硅烷立体生成的有机小分子来说明。含有两个硅立体中心和三个芘基团的光学纯双烷氧基硅烷表现出显著的glum值和高的荧光量子效率(glum=0.011，ΦF=0.55)，在手性有机光电材料中有很大的应用潜力。
首先，作者进行了条件筛选，首先考察了叔丁基(4-甲氧基苯基)硅烷1a与二甲基苯基硅醇2a在Rh催化剂存在下的分子间脱氢Si-−O偶联反应。在室温下，以甲苯为溶剂，对几种手性双膦配体进行了测试。以[Rh(Cod)Cl]2(1mol%)为催化剂，Josiphos L1(2.2mol%)为手性配体，2a与1a反应，以36%的产率合成了Si−O偶联硅立体硅氧烷产物3a，对映体控制率为74%。其他具有不同电子性质的Josiphos型配体(L2和L3)不增加产率和对映体选择性(表1，条目2和3)。有趣的是，当交换Josiphos配体(L4)的两个膦原子上的tBu-取代基和Ph-取代基时，产率和对映选择性都大大提高，产率为68%，ee为97%(表1，条目4)。进一步研究手性配体发现，BINAP L5和Segphos L6对于该反应也是有效的，尽管产率和ee相对较低。在L4存在下对其他常见溶剂的研究揭示，1，2-二氯乙烷和1，4-二氧六环也可以获得中等产率的具有良好对映体选择性的所需硅氧烷3a，而乙腈未能产生相应的产品(表1，条目7−9)。
确定了最佳反应条件后，进行了底物的拓展，首先，含有不同官能团的二氢硅烷底物的芳香环(黄色部分)，包括给电子的甲氧基(1a)、氨基(1b)、吸电子的氟基(1c)和苯基、萘基(1d，1e)，都与二甲基苯基硅醇2a反应顺利，以中等到良好的产率(54−98%)得到所需的硅立体硅氧烷产物3a−3e。其次，考察了标准条件下硅烷醇(蓝色部分)的含量范围。二甲基苯基硅烷醇芳环上的甲氧基、氯基和氟基(2f−2h)在反应中有很好的耐受性，生成了相应的硅氧烷3f−3h，产率为89−97%ee。此外，甲基二苯基硅醇(1i)、叔丁基二苯基硅醇(1j)和三甲基硅醇(1k)也是反应的活性底物，在不损失对映体选择性(92−97%ee)的情况下，以56−75%的产率得到了所需的产物3i−3k。
由于这种分子间脱氢Si−O偶联反应可以方便地获得具有高对映选择性的硅立体硅氧烷衍生物，作者设想是否可以将这一过程扩展到二氢硅烷和乙醇的偶联反应，挑战了二氢硅烷催化不对称醇解以构建结构复杂和功能多样的高效、不对称富硅立体硅烷的历史难题。根据建立的反应条件，在Rh催化的对映选择性脱氢Si−O偶联反应中，发现大量显示各种取代基的醇是合适的底物。含有甲基、甲氧基、溴和三氟甲基的苄醇底物都能很好地适应这一转化，以64−88%的产率和91−99%ee(5a−5e)的产率提供相应的硅立体构型烷氧基硅烷。这个过程对萘(5f)和杂环(如呋喃(5g)和噻吩(5h))也是有效的。空间受阻的仲醇和叔醇5l和5j的反应也进行得很顺利，没有任何困难，得到了具有良好的对映选择性(98−99%ee)的目标产物。随后检查了使用几个生物活性分子、药物或材料构建块的核心结构的反应，例如酚硫氨酸(4o),D-呋喃核苷(4p),β-雌二醇(4q)。最后，通过1，4-苯二甲醇与二氢硅烷的双重偶联反应，以52%的产率和良好的对映选择性(>99%ee)，合成了具有双硅立体结构的烷氧基硅烷5s。
近年来，人们对显示圆偏振发光的手性分子越来越感兴趣，它在三维显示、自旋信息通信、信息存储和处理、圆偏振发光激光器和生物探测等方面有着巨大的应用潜力。在各种手性发光系统中，具有硅立体中心的发色团由于其σ*−π*共轭而显示出潜在的强圆偏振发光性能。为了展示这些有趣的手性有机硅化合物的用途，作者合成了三个对映体富集型有机硅化合物。在紫外光(365 nm)照射下，6a和6b在CH2Cl2中的溶液呈现蓝色发光，而6c则呈现明亮的绿色发光(图1b)。这些化合物表现出相似的UV−Vis光谱，其最大吸收波长分别在317、332和349 nm左右(图1c)。发射极大值在396~508 nm之间变化。在6a和6b处均观察到单体(约400 nm)和准分子(约500 nm)的发射峰。值得一提的是，与6a和6b相比，6c具有更大的斯托克斯位移(159 nm)和更高的绝对荧光量子产率(0.55)，这是适合于手性材料的潜在应用的准分子发光峰(约500 nm)。然后，通过圆二色谱(CD)和圆偏振发光谱(CPL)进一步研究了这些π共轭硅立体生成烷氧基硅烷的手性。其中6a、6b及其对映体在330和348 nm处表现出明显的Cotton效应，而(R，R)-6c和(S，S)-6c在330和355 nm附近表现出较强的相反信号(图1e)。最后，进行了反映激发态手性的CPL实验，6a−6c都是CPL活性的，显示了每对对映体的清晰镜像(图1f)。值得注意的是，(R，R)-6c和(S，S)-6c包含两个硅立体中心和三个芘基团在470-675 nm范围内显示出强烈的CPL信号。在573 nm处测得(R，R)-6c和(S，S)-6c的发光不对称因子(glum)分别为−1.1×10−2和+1.1×10−2(图1g)。具有立体中心的小有机化合物显示出如此高的glum和高的荧光量子效率是相当罕见的。
综上所述，作者开发了铑催化的二氢硅烷与硅醇或醇的对映选择性分子间脱氢Si−O偶联反应，以良好的产率和对映选择性获得了广泛的高官能化的手性硅氧烷和烷氧基硅烷。通过构建CPL活性硅立体生成烷氧基硅烷有机小分子，显示出较大的发光效率，在手性有机光电材料中具有广阔的应用前景。
DOI:10.1021/jacs.1c01106
