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元素有机化学国家重点实验室(南开大学)

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研究成果

朱守非教授、彭谦研究员:铁催化烯烃硅氢化

发布单位:元素有机化学国家重点实验室   发布时间:2018/03/19    浏览次数:960次

 


      过渡金属催化的烯烃硅氢化是合成有机硅的重要途径,是最重要的均相催化反应之一,在工业上广泛应用。据统计,每年通过烯烃催化硅氢化生产的有机硅产品达数百万吨。目前,用于烯烃硅氢化的催化剂主要是基于铂、铑、铱等稀有金属的络合物,消耗量巨大,例如,全球每年消耗于该反应的铂催化剂达5.6吨,而且绝大多数不可回收。铁是地壳中含量最丰富的过渡金属,价格低廉,生物兼容性好,发展铁催化的烯烃硅氢化符合绿色化学和可持续化学发展的要求,近年来引起了广泛关注,已经成为均相催化的研究前沿和热点。虽然人们在铁催化烯烃的硅氢化反应上做了大量研究,但是迄今有效的铁络合物催化剂还很少,而且其配体绝大多数都是三齿钳形配体,还要含有亚胺或吡啶基团。在反应性方面,已知的铁催化剂只能实现端烯的硅氢化,而且只能给出反马氏加成的选择性。此外,已知的铁催化剂在稳定性、反应活性、官能团耐受性等方面和稀有金属催化剂依然有很大的差距,还很难用于实际生产。发展基于新型骨架配体的铁络合物催化剂是铁催化硅氢化研究的关键,也是突破上述局限的必经之路。
      最近,朱守非课题组首次将邻菲罗啉结构用于硅氢化反应配体的设计中,发展了一类2,9-二芳基取代邻菲罗啉配体修饰的铁络合物催化剂,高效地实现了烯烃的硅氢化反应,表现出如下不同于已有铁催化剂的特点:对苯乙烯给出了马氏加成的选择性;对共轭二烯给出了1,2-加成的产物和马氏加成的选择性;对内烯的硅氢化表现出很好的活性和未见报道的苄位选择性。此外,该催化剂在脂肪烯烃的硅氢化反应中也表现出很高的活性(转化数高达10000)和反马氏选择性。控制实验表明,邻菲罗啉骨架能够稳定低价铁物种,对其选择性起到了关键作用。彭谦课题组运用DFT计算对该反应的机理进行了研究,认为该反应中活性催化剂是高自旋的Fe(I)-H物种;反应经历了铁氢键对烯烃的迁移插入和铁碳键-硅氢键复分解的过程完成催化循环,整个催化循环中铁催化剂不变价;反应的苄位选择性来源于烯烃苯环和配体的邻菲罗啉环的π-π堆积作用以及在铁碳键-硅氢键复分解中烯烃苯环对铁的配位稳定作用。该研究首次将邻菲罗啉结构引入烯烃硅氢化配体的设计中,带来了全新的选择性和反应性,进一步揭示了低价铁氢物种的性质和反应性,为后续发展出高效、实用的铁催化剂提供了良好的基础。相关成果发表在Nature Commun. 2018, 9, 221.


论文信息:

Meng-Yang Hu, Qiao He, Song-Jie Fan, Zi-Chen Wang, Luo-Yan Liu, Yi-Jiang Mu, Qian Peng*, Shou-Fei Zhu*, Ligands with 1,10-phenanthroline scaffold for highly regioselective iron-catalyzed alkene hydrosilylation, Nature Commun. 2018,9, 221.

https://www.nature.com/articles/s41467-017-02472-6