J. Org. Chem. 苏州大学汪顺义团队 | 铜催化硅环丁烷和二硫代磺酸酯合成含S-S键的有机硅醇化合物

图1. 有机硅醇化合物的传统制备反应

1）开发了以硅环丁烷作为制备有机硅醇的反应原料。

2）使用了廉价的金属铜催化原料开环水解得到产物。

3）一步将S-S键也引入到有机硅醇化合物当中，反应条件温和，不需要额外的添加剂，成功构建了一系列功能性的有机硅醇化合物。

作者在经过前期大量的条件筛选工作之后，发现当以1,1-二苯基硅烷，叔丁基二硫代磺酸酯为模板底物，当CuCl为铜催化剂，DMA 作为反应溶剂，在40 °C下反应12 h能够得到最优的产率。随后作者首先对二硫代磺酸酯的底物适用范围进行了探索。当二硫代磺酸酯的S-S键与烷基相连时，各种烷基取代的底物都可以顺利进行反应，并且都获得了较高收率(76-78%)的目标产物 3a-3c 。当S-S键连苯基取代基作为底物时，反应也可以进行，并且得到了84%的目标产物 3d 。随后作者还考察了苯环上带有各种取代基的底物的反应效果。发现当苯环上为对甲基，对氯取代时，反应底物同样也可以参与反应，分别获得了80%、77%的目标产物 3e ,  3f 。另外该反应策略对于苯环上为对氨基取代的底物也可以顺利反应，得到了40%的产物（图2）。

随后，作者对不同取代的SCB底物也进行了考察（图3）。发现该策略能够很好适用于对称二芳基化的 SCBs 底物。供电子取代和吸电子取代的底物都具有良好的耐受性。作者发现芳基不只限于苯基，对于2-萘基的反应底物 1h 也可以顺利反应，并且获得了55%的目标产物 4h 。此外，对于带有芳基和甲基的不对称SCBs底物，芳基对位与间位为不同取代基的所有底物都反应良好，并且得到了良好收率(69-79%)的目标产物 4j-4m 。但发现五元环硅 IV1n 和六元环硅 IV1o 类的底物都不适用于该反应，可能是环比较稳定，不易发生开环反应。

为了阐明该反应的机理，作者进行了控制实验（图 4）。首先，作者在标准条件下向反应体系中加入TEMPO（2 equiv），得到了液相收率为74%目标产物 3a （图 4, a），表明该反应可能没有经历自由基的过程。随后作者想研究产物中羟基氧的来源。作者发现，在氮气氛围下，目标产物 3a 的产率为76%，但在氧气和空气下反应时，都没有检测到目标产物 3a （图 4, b）。随后，向反应体系中加入重氧水（10 equiv），只检测到一小部分 O ¹⁸ 标记的产物 3a’ （图 4, c）。由以上结果推测，羟基中的氧并不是来自于氧气和水。参考了相关文献，作者推测氧可能来自于 2a 中的砜基。随后作者想探究产物中羟基氢的来源，他们将溶剂换成DMSO- d ₆ 时，得到了49%的氘代产物 3a’’ ，表明氢可能是来自于反应溶剂（图 4, d）。最后，他们想检测反应的中间体，遗憾的是，并没有检测到（图 4, f）。

基于上述实验结果和相关文献，他们提出了可能的反应机理（图 5）。首先，Cu(I)物种 A 和叔丁基二硫代磺酸酯 2a 的氧化加成得到Cu(III)中间体 B 。 B 的异构化提供Cu(III)中间体 C 。随后，  C 和 1a 的反应，可能通过σ键复分解或分子内金属化，提供中间体 D 。这一步可能是该反应的关键点：它涉及到硅环丁烷的环应变的释放和Cu(III)中间体 C 的氧原子与硅原子的配位过程。然后，对中间体 D 进行还原消除，得到 E 物种并释放催化剂 A 。最后，将中间体 E 进一步水解，得到目标产物 3a 。

作者开发了一种铜催化硅环丁烷（SCBs）与二硫代磺酸酯合成含有S-S键的有机硅烷醇的方法。该反应具有反应条件温和，操作简单，底物普适性高等优点。这项工作不仅提供了铜催化SCBs断裂Si-C键的新方法，同时也为硅和硫的交叉化学及合成应用做出一定的补充。希望未来这个方案能在生物分子、药物和材料的改性中得到广泛应用。

汪顺义 ，教授，有机化学专业博士生导师。2002年本科毕业于苏州大学，2002-2007年于苏州大学获得博士学位，师从纪顺俊教授；2007年8月-2011年2月，在新加坡南洋理工大学从事博士后研究（Research Fellow），师从新加坡科学院院士、马来西亚科学院院士Teck-Peng Loh（罗德平）教授；2011年2月-2011年12月，在德国慕尼黑大学从事博士后研究（Research Fellow），师从德国、法国、巴伐利亚科学院院士Paul Knochel教授。2012年1月回国加入纪顺俊教授课题组并担任副教授，2015年晋升为教授，2018年任博士生导师。2012年以来， Nature Commun., Chem. Sci.， ACS Catal., Green Chem., Org. Lett., Chem. Commun. 等期刊发表论文100余篇。主要开展基于C-S/C-Se键构建新反应、异腈化学、自由基反应等方面的研究工作。