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来源：研之成理收集编辑：LHSRYY
▲第一作者：Xuanzi Fan、Muliang Zhang
https://doi.org/10.1038/s41557-023-01155-8
有机硅烷在功能材料、有机合成、药物开发和生命科学等领域有着广泛的应用，对现代人类社会有着重要的意义。然而，它们的制备并不简单，杂原子取代硅试剂的按需合成是一个巨大的挑战。通过直接氢原子转移(HAT)光催化从硅氢化合物产生硅自由基是活化硅氢化合物最经济的途径。1.鉴于中性曙红Y（例如它的丰度,低成本,无金属性质,对可见光的吸收和优异的选择性）的特性，本工作表明使用它作为直接的HAT光催化剂可以实现多氢硅烷的逐步定制功能化，从而获得全取代的硅化合物。2.通过该策略，本工作实现了在活性C-H键存在的情况下Si-H键的优先夺氢，硅氢化合物(例如烷基化、烯基化、烯丙基化、芳基化、氘代、氧化和卤代等)的多样化官能化，以及di-和tri-硅氢化合物的显著选择性单功能化。1、开发更统一的催化平台用于多氢硅烷的逐步和可编程功能化仍有很大的需求，因为这将有助于合理设计具有可预测功能的有机硅烷，其中需要定制硅烷分子。2、为了实现这样的催化平台，必须同时满足三个要求(图1a)：(1)在各种活化的C-H键存在的情况下，选择性地、较好地提取Si-H键的氢原子；(2)能够适应广泛的构建块模式以访问各种不同的功能；(3)选择性可控单功能化或多氢硅烷双官能化。3、密度泛函理论(DFT)计算表明，光激发的曙红Y与硅烷之间的HAT在动力学上是有利的，过渡态具有明显的电荷转移特性。此外，本工作设想在连续流微管反应器的辅助下，可以实现二氢和三氢硅烷的可控逐步功能化(图1c)，最终实现多氢硅烷中硅原子的按需连续修饰。1、在蓝光照射下，含有不同官能团的硅烷和迈克尔受体以良好至优异的产率得到相应的硅氢加成产物(1~11)。2、Michael受体，包括亚甲基丙二腈、不饱和砜、酮、酯和酰胺都是可行的底物。在没有任何添加剂的情况下，在EtOAc中80°C下，通过曙红Y光催化还可以有效地实现苯乙烯类底物的硅氢加成反应，且具有优异的官能团耐受性(12~21)。3、值得注意的是，三氢硅烷也可以顺利地、选择性地参与曙红Y的光催化(16)。当未活化的烯烃被用作硅自由基清除剂时，反应变得缓慢，因为原位形成的烷基自由基加合物不能将曙红Y-H转化回曙红Y。这个障碍通过包括一个硫醇氢原子供体(三异丙基硅烷硫醇)的催化量来淬灭自由基加合物并关闭催化循环来解决。▲图3. 通过中性曙红Y促进的HAT光催化对硅氢化合物进行多种功能化1、在优化曙红Y催化苯乙烯的硅氢加成反应过程中，本工作发现简单地将反应溶剂改为tBuOH就可以在不生成硅氢加成产物的情况下生成乙烯基硅烷产物。检测到副产物为氢气。2、在不添加任何添加剂的情况下，多种单氢硅烷(35,37,38)和苯乙烯(既贫电子又富电子,41-44)可以在曙红Y光催化下以中等到良好的产率得到乙烯基硅烷，为乙烯基硅烷的合成提供了一种操作简单、环境友好的方法。然而，二氢和三氢硅烷在该脱氢硅烷化(39、40)中的效率较低。3、基于曙红Y的光介导产氢CDC策略代表了一种可持续合成的替代催化模式。为了阐明反应机理，进行了一系列对照实验，包括自由基捕获实验、循环伏安法测量、气相色谱质谱(GC-MS)分析确定氢源、动力学同位素效应研究和瞬态吸收光谱测量。本工作表明，曙红Y不仅作为HAT催化剂用于自由基生成，而且触发光氧化还原催化循环还原质子用于H2生成。▲图5. 曙红Y促进HAT光催化产生的功能性硅烷的合成应用1、在2 mol%中性曙红Y存在下，硅氢化合物在二溴甲烷中蓝光照射处理确实有效地生成了硅基溴化物，由于其吸湿性，在分离过程中不稳定。通过简单地淬灭与醇的反应混合物，以良好的产率生成硅醚(86-89)。2、更重要的是，二烷氧基和三烷氧基硅烷是聚合物和材料科学中的重要原料，可以通过这种简单的(90、91)方案从二氢和三氢硅烷直接获得。在制备过程中加入少量过量的格氏试剂可以形成Si-C偶联产物。乙烯基、炔基和烯丙基格氏试剂在没有任何其他添加剂的情况下分别得到乙烯基硅烷、炔基硅烷和烯丙基硅烷(92-99)。3、值得注意的是，二烷氧基硅烷、三烷氧基硅烷、甲基取代硅烷和富电子位点上带有硅基取代的芳基硅烷等难以或无法通过硅基自由基化学直接获得的硅产物可以通过这种无添加剂的级联溴化/亲核取代方案获得，从而显著扩大了曙红Y HAT光催化制备硅试剂的范围。4、为了进一步证明官能团兼容性和合成利用，各种复杂的天然产物和药物分子被引入到硅烷产物中，如布洛芬、香茅酸、薄荷醇、维生素E、吲哚美辛和雌酮(140-146)。另一官能团，如硅烷(140)，酮(142、144)，硼酸盐(143)，酯(145、146)或半乳糖衍生物(141)，可以很容易地通过硅键与生物活性分子结合(图2a)。这表明该策略在抗体-药物偶联物和生物分子标记方面具有巨大的应用潜力。https://www.nature.com/articles/s41557-023-01155-8通讯作者吴杰，新加坡国立大学化学系副教授，2002年至2006年就读于北京师范大学，2006年至2012年于波斯顿大学取得博士学位，2012年至2015年在麻省理工从事博士后研究，2015年受聘新加坡国立大学助理教授，2021年晋升为tenured副教授，研究方向是连续流合成、绿色化学、光反应、自动化合成。https://www.wujiegroupnus.com/更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。