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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

“有机硅”即硅和碳结合生成的化学品，这是现代化学的重要组成部分。但是“有机硅”在自然界中并不存在，现有的含硅商业化化学品可以通过“直接工艺”制备。

然而，有机硅的合成仍存在以下问题：

1、很难实现芳基取代和烷基取代硅化合物的选择性制备

从四氯硅烷或四烷氧基硅烷开始的烷基和芳基硅烷合成面临着化学选择性问题，亲核置换通常不会在所需阶段停止，因此选择性制备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离问题

氯硅烷如Me_4−nSiCl_n(n = 1-3)以及SiCl₄ (n = 4) 是合成含硅分子的常见原料，然而这些方法常常遇到具有挑战性的分离问题。

3、亟需能够实现化学选择性脱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，被认为是无法有效卤代烷基化的。因此，非常需要能够实现化学选择性脱烷基功能化的合成工具。

有鉴于此，柏林工业大学Hendrik F. T. Klare，Martin Oestreich等人利用芳烃离子催化卤代烷基化反应，实现了将Me₄Si和相关的季硅烷有效地转化为各种官能化衍生物。该反应使用烷基卤作为卤化物源，与芳烃进行Friedel–Crafts烷基化以再生催化剂，而芳烃离子充当强Brønsted酸，用于原脱烷基化步骤。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比已报道的自下而上程序更具优势。此外，与烷基链上相连的相当惰性的Me₃Si基团的化学选择性氯脱甲基化随后进行氧化降解被证明是Tamao-Fleming型醇形成的过程起始步骤。

技术方案：

1、阐明了硅原子取代过程

作者阐明了硅原子取代的发展历程，提出利用C(sp³)-Si键通过质子分解的裂解技术，在芳烃溶剂中添加低分子量卤代烷实现芳烃离子催化卤脱烷基化。

2、探究了四烷基硅烷的化学选择性卤脱烷基化

作者探究了四烷基硅烷的化学选择性卤脱烷基化，表明C(sp³)-Si质子分解的反应顺序为1°>2°和3°，及甲基和乙基 > 正丙基和正丁基。

3、研究了化学选择性氯脱烷基化

作者以Me₄Si为原料，进行了克级的氯脱甲基化，实现了具有四个不同烷基取代基的硅烷的制备，并开发了一锅式氯代脱甲基-氟代脱氯-氧化反应。

4、提出了卤代脱烷基化的引发和催化循环机制

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制，解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、开发了一种完全烷基化硅烷和乙硅烷官能化的有效卤代烷基化方案

作者利用芳烃离子催化卤代烷基化反应，实现了完全烷基化硅烷和乙硅烷的官能化的有效卤代烷基化，整个反应由原脱烷基化和卤化两个步骤组成。

2、证实了Brønsted酸催化的卤代脱烷基化可以自上而下合成

作者表明超级Brønsted酸催化下的卤代脱烷基化适用于迭代自上而下的顺序，可以将简单的四烷基化硅烷转化为否则难以制备的正交取代（杂配）硅烷。

技术细节

硅原子取代

C(sp³)-Si键通过质子分解的裂解可以追溯到一百多年前，通过使用强Brønsted酸促进亲电脱烷基化，释放相应的烷烃和抗衡阴离子，然后与硅原子结合。作者在芳烃溶剂中添加低分子量卤代烷，利用最初形成的硅鎓离子将卤化物夺取形成卤化硅，产生的碳鎓离子将被捕获芳烃分子变成芳烃离子催化剂。净反应将是季硅烷与烷烃和作为副产物的烷基芳烃衍生物的芳烃离子催化卤脱烷基化。

图  硅原子的取代反应

选择性卤脱烷基化

在室温下，通过在C₆D₆中存在1,2-二卤乙烷衍生物2a-c的情况下，探究了相当惰性的Et₄Si (1a)与[Me₃Si(HCB₁₁H₅Br₆)]的反应，结果表明该反应以优异的产率形成Et₃SiCl(3aa)及副产物1,2-二苯基乙烷 (4-d₁₀)和乙烷(5-d₁)。对 Et₃PhSi进行相同的程序，观察到快速化学选择性氟脱芳基化以产生Et₃SiF (3ad)。引发剂的筛选表明，不同的均配三烷基硅碳酸盐表现同样出色，与烷基取代基的空间需求无关。接着，作者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，表明C(sp³)-Si质子分解的反应顺序为1°>2°和3°，以及甲基和乙基>正丙基和正丁基。

图  四烷基硅烷的化学选择性卤脱烷基化

氯脱烷基化

以Me₄Si(1k)为原料，作者用少十倍的引发剂进行了克级的氯脱甲基化，以实现更好的效率。结果表明，该反应每个步骤都以中等至良好的收率进行，最终得到难以制备具有四个不同烷基取代基的硅烷1n。作者还表明合成有用的硅试剂可以通过氯硅烷3aa的中介作用以简单的方式获得，化学选择性氯脱甲基化也可应用于杂原子取代硅烷的合成。作者开发了一锅式氯代脱甲基-氟代脱氯-氧化反应并成功地用四烷基硅烷1q进行，以良好的产率合成了辛烷-1-醇(8q)。

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制。作者认为，该反应是通过类硅鎓离子[Me₃Si(HCB₁₁H₅Br₆)]与烷基卤的C(sp³)–X键配位引发，得到卤鎓离子。苯分子对该硅离子活化的烷基卤化物中的碳原子进行亲核攻击，释放出Me₃SiCl并产生实际的催化剂。强Brønsted酸性的芳烃离子使四烷基硅烷中的伯C(sp³)-Si键质子化，同时芳构化并完成Friedel–Crafts烷基化。添加的烷基卤化物作为卤化物源，通过亲电卤鎓离子的中介作用再次形成卤代三烷基取代的硅烷产物，然后烷基化芳烃离子维持催化循环。

图  季铵离子促进的全烷基化硅烷的卤代脱烷基化的引发和催化循环

总之，作者开发了一种用于完全烷基化硅烷和乙硅烷的官能化的有效卤代烷基化方案，整个反应由原脱烷基化和卤化两个步骤组成。该策略展示了“质子到硅离子”转变的力量。基于本工作所开发的方案，惰性且价值较低的硅烷可以转化为具有所需取代模式的杂化硅烷。

参考文献：

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