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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
“有機硅”即硅和碳結合生成的化學品，這是現代化學的重要組成部分。但是“有機硅”在自然界中并不存在，現有的含硅商業化化學品可以通過“直接工藝”制備。
然而，有機硅的合成仍存在以下問題：
1、很難實現芳基取代和烷基取代硅化合物的選擇性制備
從四氯硅烷或四烷氧基硅烷開始的烷基和芳基硅烷合成面臨著化學選擇性問題，親核置換通常不會在所需階段停止，因此選擇性制備芳基和烷基取代硅化合物（即硅烷）并非易事。
2、氯硅烷合成含硅分子存在分離問題
氯硅烷如Me4?nSiCln(n?=?1-3)以及SiCl4 (n?=?4) 是合成含硅分子的常見原料，然而這些方法常常遇到具有挑戰性的分離問題。
3、亟需能夠實現化學選擇性脫烷基功能化的合成工具
由于完全烷基化的硅烷以及乙硅烷的其脂肪族特性和惰性，被認為是無法有效鹵代烷基化的。因此，非常需要能夠實現化學選擇性脫烷基功能化的合成工具。
有鑒于此，柏林工業大學Hendrik F. T. Klare，Martin Oestreich等人利用芳烴離子催化鹵代烷基化反應，實現了將Me4Si和相關的季硅烷有效地轉化為各種官能化衍生物。該反應使用烷基鹵作為鹵化物源，與芳烴進行Friedel–Crafts烷基化以再生催化劑，而芳烴離子充當強Br?nsted酸，用于原脫烷基化步驟。作者通過硅藥物前體的合成證明了自上而下的鹵代烷基化方法比已報道的自下而上程序更具優勢。此外，與烷基鏈上相連的相當惰性的Me3Si基團的化學選擇性氯脫甲基化隨后進行氧化降解被證明是Tamao-Fleming型醇形成的過程起始步驟。
技術方案：
1、闡明了硅原子取代過程
作者闡明了硅原子取代的發展歷程，提出利用C(sp3)-Si鍵通過質子分解的裂解技術，在芳烴溶劑中添加低分子量鹵代烷實現芳烴離子催化鹵脫烷基化。
2、探究了四烷基硅烷的化學選擇性鹵脫烷基化
作者探究了四烷基硅烷的化學選擇性鹵脫烷基化，表明C(sp3)-Si質子分解的反應順序為1°>2°和3°，及甲基和乙基?>?正丙基和正丁基。
3、研究了化學選擇性氯脫烷基化
作者以Me4Si為原料，進行了克級的氯脫甲基化，實現了具有四個不同烷基取代基的硅烷的制備，并開發了一鍋式氯代脫甲基-氟代脫氯-氧化反應。
4、提出了鹵代脫烷基化的引發和催化循環機制
作者提出了烷基取代硅烷芳烴離子催化鹵代烷基化的反應機制，解析了鹵代脫烷基化反應的引發和催化循環過程。
技術優勢：
1、開發了一種完全烷基化硅烷和乙硅烷官能化的有效鹵代烷基化方案
作者利用芳烴離子催化鹵代烷基化反應，實現了完全烷基化硅烷和乙硅烷的官能化的有效鹵代烷基化，整個反應由原脫烷基化和鹵化兩個步驟組成。
2、證實了Br?nsted酸催化的鹵代脫烷基化可以自上而下合成
作者表明超級Br?nsted酸催化下的鹵代脫烷基化適用于迭代自上而下的順序，可以將簡單的四烷基化硅烷轉化為否則難以制備的正交取代（雜配）硅烷。
技術細節
硅原子取代
C(sp3)-Si鍵通過質子分解的裂解可以追溯到一百多年前，通過使用強Br?nsted酸促進親電脫烷基化，釋放相應的烷烴和抗衡陰離子，然后與硅原子結合。作者在芳烴溶劑中添加低分子量鹵代烷，利用最初形成的硅鎓離子將鹵化物奪取形成鹵化硅，產生的碳鎓離子將被捕獲芳烴分子變成芳烴離子催化劑。凈反應將是季硅烷與烷烴和作為副產物的烷基芳烴衍生物的芳烴離子催化鹵脫烷基化。
圖 硅原子的取代反應
選擇性鹵脫烷基化
在室溫下，通過在C6D6中存在1,2-二鹵乙烷衍生物2a-c的情況下，探究了相當惰性的Et4Si (1a)與[Me3Si(HCB11H5Br6)]的反應，結果表明該反應以優異的產率形成Et3SiCl(3aa)及副產物1,2-二苯基乙烷 (4-d10)和乙烷(5-d1)。對 Et3PhSi進行相同的程序，觀察到快速化學選擇性氟脫芳基化以產生Et3SiF (3ad)。引發劑的篩選表明，不同的均配三烷基硅碳酸鹽表現同樣出色，與烷基取代基的空間需求無關。接著，作者研究了帶有不同烷基的季硅烷的氯脫烷基化的化學選擇性，表明C(sp3)-Si質子分解的反應順序為1°>2°和3°，以及甲基和乙基>正丙基和正丁基。
圖 四烷基硅烷的化學選擇性鹵脫烷基化
氯脫烷基化
以Me4Si(1k)為原料，作者用少十倍的引發劑進行了克級的氯脫甲基化，以實現更好的效率。結果表明，該反應每個步驟都以中等至良好的收率進行，最終得到難以制備具有四個不同烷基取代基的硅烷1n。作者還表明合成有用的硅試劑可以通過氯硅烷3aa的中介作用以簡單的方式獲得，化學選擇性氯脫甲基化也可應用于雜原子取代硅烷的合成。作者開發了一鍋式氯代脫甲基-氟代脫氯-氧化反應并成功地用四烷基硅烷1q進行，以良好的產率合成了辛烷-1-醇(8q)。
圖 化學選擇性氯脫烷基化
鹵代脫烷基化的引發和催化循環
作者提出了烷基取代硅烷芳烴離子催化鹵代烷基化的反應機制。作者認為，該反應是通過類硅鎓離子[Me3Si(HCB11H5Br6)]與烷基鹵的C(sp3)–X鍵配位引發，得到鹵鎓離子。苯分子對該硅離子活化的烷基鹵化物中的碳原子進行親核攻擊，釋放出Me3SiCl并產生實際的催化劑。強Br?nsted酸性的芳烴離子使四烷基硅烷中的伯C(sp3)-Si鍵質子化，同時芳構化并完成Friedel–Crafts烷基化。添加的烷基鹵化物作為鹵化物源，通過親電鹵鎓離子的中介作用再次形成鹵代三烷基取代的硅烷產物，然后烷基化芳烴離子維持催化循環。
圖 季銨離子促進的全烷基化硅烷的鹵代脫烷基化的引發和催化循環
總之，作者開發了一種用于完全烷基化硅烷和乙硅烷的官能化的有效鹵代烷基化方案，整個反應由原脫烷基化和鹵化兩個步驟組成。該策略展示了“質子到硅離子”轉變的力量。基于本工作所開發的方案，惰性且價值較低的硅烷可以轉化為具有所需取代模式的雜化硅烷。
參考文獻：
He, T., Klare, H.F.T. & Oestreich, M. Arenium-ion-catalysed halodealkylation of fully alkylated silanes. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06646-9
