3个人发一篇Nature：合成有机硅！
特别说明：本文由学研汇技术中心原创，用于分享相关科研知识，因学识有限，难免有疏漏和错误，敬请批评指正。
原创丨红心依旧（学研汇科技中心）
编辑丨风云
研究背景
“有机硅”是硅与碳结合而成的化学物质，是现代化学的重要组成部分。然而，“有机硅”在自然界中并不存在，现有的含硅商品化化学物质可通过“直接法”制备。
关键问题
但有机硅的合成还存在以下问题：
1. 难以实现芳基取代和烷基取代硅化合物的选择性制备
以四氯硅烷或四烷氧基硅烷为原料合成烷基和芳基硅烷面临化学选择性的问题，亲核取代反应通常不会在所希望的阶段停止，因此选择性制备芳基和烷基取代的硅化合物（即硅烷）并不容易。
2.氯硅烷合成含硅分子存在分离问题
氯硅烷例如 Me4−（n = 1-3）和 SiCl4（n = 4）是合成含硅分子的常见起始材料，然而这些方法经常会遇到具有挑战性的分离问题。
3. 迫切需要能够实现化学选择性脱烷基化功能化的合成工具
由于完全烷基化的硅烷和二硅烷具有脂肪族特性和惰性，因此被认为不适合卤代烷基化。因此，非常需要能够进行化学选择性脱烷基化的合成工具。
新主意
鉴于此，柏林工业大学的FT Klare等人利用芳香离子催化的卤代烷基化反应，实现了Me4Si及相关季铵硅烷高效转化为各种功能化衍生物。该反应以烷基卤化物为卤源，与芳香烃进行-烷基化反应使催化剂再生，而芳香离子则作为强布朗斯台德酸用于原始的脱烷基化步骤。作者通过硅药物前体的合成，证明了自上而下的卤代烷基化方法相较于已报道的自下而上的程序的优势。此外，还证明了对附着在烷基链上的相当惰性的Me3Si基团进行化学选择性氯脱甲基化，随后进行氧化降解是形成Tamao型醇的工艺起始步骤。
技术解决方案：
1.明确了硅原子取代过程
作者阐述了硅原子取代技术的发展历史，提出利用质子分解断裂C(sp3)-Si键的技术，将低分子量烷基卤化物加入到芳烃溶剂中，实现芳香离子催化卤素脱烷基化。
2. 研究了四烷基硅烷的化学选择性卤素脱烷基化反应
作者探索了四烷基硅烷的化学选择性卤脱烷基化反应，并表明C(sp3)-Si质子分解的反应顺序为1°>2°和3°，甲基和乙基>正丙基和正丁基。
3. 研究了化学选择性氯代脱烷基化反应
作者以Me4Si为起始原料，进行克级氯脱甲基反应，实现了具有四种不同烷基取代基的硅烷的制备，并开发了一步法氯脱甲基-氟脱氯-氧化反应。
4. 提出了卤代脱烷基化的引发和催化循环机理
提出了烷基取代硅烷芳香离子催化卤代烷基化反应机理，分析了卤代脱烷基化反应的引发和催化循环过程。
技术优势：
1. 开发了一种高效的卤代烷基化方法，用于完全烷基化的硅烷和二硅烷功能化
作者采用芳香烃离子催化卤烷基化反应，实现了全烷基化的硅烷和二硅烷的有效卤烷基化，整个反应由脱烷基化和卤化两步组成。
2. 证实了Brønsted酸催化卤代脱烷基化反应可自上而下进行合成
我们表明，超布朗斯台德酸催化卤化物脱烷基化可通过自上而下的迭代顺序将简单的四烷基化硅烷转化为正交取代（杂配位）硅烷，而这种硅烷通常是难以制备的。
技术细节
硅原子取代
质子分解断裂 C(sp3)-Si 键可追溯到一百多年前，当时使用强布朗斯台德酸促进亲电脱烷基化，释放相应的烷烃和反阴离子，然后与硅原子结合。作者将低分子量烷基卤化物添加到芳族溶剂中，利用最初形成的硅正离子捕获卤化物形成硅卤化物，产生的碳正离子将捕获的芳族分子转化为芳烃离子催化剂。净反应将是芳烃离子催化的季硅烷卤化物脱烷基化，副产物为烷烃和烷基芳族衍生物。
图 硅原子的取代反应
选择性卤化脱烷基化
在室温下，在 C6D6 中，在 1,2-二卤乙烷衍生物 2a-c 的存在下，研究了相当惰性的 Et4Si (1a) 与 [Me3Si()] 的反应，结果表明，该反应以极好的产率生成 (3aa)，同时还生成副产物 1,2-二苯基乙烷 (4-d10) 和乙烷 (5-d1)。按照相同的程序，观察到快速化学选择性氟脱芳基化生成 (3ad)。引发剂筛选表明，不同的均配位三烷基硅基碳酸酯表现同样出色，与烷基取代基的空间要求无关。接下来，研究了带有不同烷基的季硅烷的氯脱烷基化的化学选择性，结果表明，C(sp3)-Si 质子化的反应顺序为 1°>2° 和 3°，甲基和乙基>正丙基和正丁基。
图四烷基硅烷的化学选择性卤化脱烷基化
氯脱烷基化
作者从Me4Si(1k)出发，进行克级氯脱甲基反应，使用比原先少10倍的引发剂，获得了更高的效率。结果表明，反应每一步的产率都达到中等到良好的水平，最终得到难以制备的具有四种不同烷基取代基的硅烷1n。作者还表明，通过氯硅烷3aa的介导，可以以简单的方式获得可用于合成的硅试剂，并且化学选择性氯脱甲基也可以应用于杂原子取代硅烷的合成。作者开发了一种一锅法氯脱甲基-氟脱氯-氧化反应，并成功地用四烷基硅烷1q合成了辛烷-1-醇（8q），产率很高。
图化学选择性氯脱烷基化
卤代脱烷基化的引发和催化循环
作者提出了烷基取代硅烷芳烃离子催化卤代烷基化的反应机理。作者认为该反应是由硅正离子[Me3Si()]与烷基卤化物的C(sp3)–X键配位得到卤正离子引发的。苯分子在硅正离子的活化下对烷基卤化物中的碳原子进行亲核进攻，释放并生成实际的催化剂。强Brønsted酸性芳烃离子使四烷基硅烷中的主要C(sp3)–Si键质子化，同时芳香化并完成–烷基化。加入的烷基卤化物作为卤源，通过亲电卤正离子的介导，重新生成卤代三烷基取代硅烷产物，然后烷基化的芳烃离子维持催化循环。
图1 季铵离子促进全烷基化硅烷卤化脱烷基化的引发和催化循环
外表
总之，我们开发了一种高效的卤代烷基化方案，用于全烷基化硅烷和二硅烷的功能化，包括两个步骤：原脱烷基化和卤化。该策略展示了“质子到硅离子”转化的威力。基于本研究开发的方案，惰性和价值较低的硅烷可以转化为具有所需取代模式的混合硅烷。
参考：
他，T.，Klare，HFT 和，M. -ion- 完全。（2023 年）。
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