Nickel(0)

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3392 (2022) Citer cet article

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Les réactions catalysées par les métaux de transition des silacyclobutanes avec une variété d'unités π ont attiré beaucoup d'attention et sont devenues l'une des approches les plus simples et les plus efficaces pour accéder rapidement à des composés organosiliciés structurellement divers. Cependant, la réaction des silacyclobutanes avec les alcynes souffre encore de certaines limitations : (1) les alcynes internes restent des substrats difficiles ; (2) des catalyseurs coûteux à base de Pd ou de Rh ont été utilisés dans tous les systèmes existants ; (3) le contrôle de la chimiodivergence n'a pas encore été réalisé. Ici, nous réalisons des réactions chimiodivergentes catalysées par Ni de silacyclobutanes avec des alcynes. En comparaison avec les systèmes catalytiques Pd ou Rh précédents, notre système catalytique au Ni présente : 1) une portée de substrat complémentaire ; 2) chimiodivergence contrôlée par le ligand ; 3) à faible coût. Le ligand dicte précisément la sélectivité de la voie, conduisant à la formation divergente de (benzo)silacyclohexènes et d'allyl vinylsilanes. De plus, nous démontrons que l'emploi d'un ligand phosphine chiral est capable de former des allyl vinylsilanes stéréogéniques au silicium avec des rendements et des énantiosélectivités élevés. De plus, un calcul DFT est effectué pour élucider l'origine des sélectivités commutables, qui est principalement attribuée à différents effets stériques du ligand.

La découverte de méthodologies générales et efficaces pour approcher les composés organiques contenant du silicium1, y compris les siliciums chiraux2,3,4,5,6,7,8,9,10, a suscité un grand intérêt. Parce que ces molécules sont d'une importance fondamentale avec une multitude d'applications allant de la synthèse organique, la science des matériaux à la chimie médicinale11,12,13,14,15,16. La substitution de sila conduit souvent à l'amélioration de la puissance et des propriétés ADMET des candidats de type médicament17,18.

Les silacyclobutanes (SCB), qui ont été synthétisés pour la première fois par Kipping19,20,21, se sont avérés posséder une réactivité unique et ont servi de pivot synthétique pour accéder rapidement à une variété de composés organosiliciés, y compris le silicium chiral résultant de leur souche de cycle élevée et de l'acidité de Lewis améliorée22,23 ,24,25,26. Par exemple, les métaux de transition à faible valence peuvent facilement s'insérer dans les SCB pour former des silamétallacycles à 5 chaînons, qui sont capables de subir l'insertion migratoire d'une variété d'unités π dans les liaisons M-Si, cultivées dans diverses réactions fascinantes catalysées par des métaux de transition. . Dans ce contexte, en 1975, Sakurai et Imai ont réalisé la première cycloaddition des SCB avec des carboxylates d'alcynyle ou du phénylacétylène en utilisant un système catalytique au Pd, mais en donnant le mélange de silacyclohexènes et d'allyl vinylsilanes27,28, ce qui entrave gravement leurs applications pratiques. En 2012, Shintani et al. a fait une percée importante dans la cycloaddition des SCB avec des carboxylates d'alcynyle (Fig. 1a, à droite)29. Ils ont révélé qu'un catalyseur au palladium coordonné avec un ligand phosphoramidite chiral stériquement exigeant pourrait faciliter l'étape d'élimination réductrice jusqu'à la formation hautement chimiosélective et énantiosélective des silacyclohexènes stéréogéniques énantioenrichis en silicium. Malheureusement, les alcynes moins déficients en électrons tels que les phénylacétylènes et les diphénylacétylènes sont clairement incompatibles. Jusqu'à récemment, Song et Xu ont réalisé indépendamment la première cycloaddition hautement efficace et chimiosélective des SCB avec des alcynes pour produire les silacyclohexènes en utilisant la condition catalysée par Rh (Fig. 1a, à gauche) 25,30. De plus, Song et al. a en outre prouvé que l'utilisation d'un ligand phosphoramidite chiral au cours de la réaction est capable d'induire une énantiosélectivité modérée à bonne au centre de silicium stéréogénique. Malgré des progrès significatifs, la réaction souffre encore de certaines limitations à ce jour : (1) il n'a pas été démontré que les SCB réagissent avec des alcynes internes non activés tels que les diarylacétylènes de manière intermoléculaire ; (2) des catalyseurs coûteux à base de Pd ou de Rh ont été utilisés dans tous les systèmes existants ; (3) l'orientation de la voie de réaction exclusivement vers la formation chimiosélective et énantiosélective d'allyl vinylsilanes n'a pas encore été réalisée. Comme Ni est plus petit et plus nucléophile que Pd et Rh, les catalyseurs à base de nickel sont généralement plus actifs que les complexes correspondants de palladium et de rhodium pour activer les alcynes internes31,32,33,34,35 et cliver la liaison C−Si sur les SCB36, 37,38,39. Dans le même temps, l'élimination de β-H est souvent plus facile au centre Ni par rapport aux centres Pd ou Rh. Nous nous sommes demandé si le catalyseur Ni (0) était capable de faciliter la réaction des SCB avec des alcynes internes non activés et de contrôler simultanément la sélectivité de la voie en combinaison de ligands appropriés pour la formation sélective du produit d'élimination réductrice ou d'élimination β-H (Fig. 1b) , élargissant ainsi davantage l'utilité de ce procédé dans l'assemblage modulaire de divers échafaudages contenant du silicium, tels qu'un réseau de silacyclohexènes à substitution vicinal-diaryle et de vinylsilanes à liaison allyle, qui sont difficiles à synthétiser par les autres méthodes. Il convient de noter que les structures vicinales-diaryles avec / sans centres chiraux sont un échafaudage commun dans de nombreux médicaments commercialisés, comme le montre la Fig. 1c. Compte tenu de l'importance du "commutateur C/Si" pour le développement de nouveaux matériaux, médicaments et pesticides11,12,13,14,15,16,17,18, l'introduction de fragments silyle dans les structures 1,2-diaryle est d'une grande importance et très recherché.

une réaction catalysée par Pd ou Rh des SCB avec des alcynes dans la littérature. b Ce travail pour les réactions divergentes catalysées par Ni des SCB avec des alcynes. c Molécules d'intérêt médical possédant des structures vicinales-diaryles. Le site potentiel "C/Si switch" dans ces structures vicinales-diaryles a été mis en évidence par une boule rose.

Nous divulguons ici des réactions chimiodivergentes contrôlées par un ligand catalysées au Ni de SCB avec des alcynes. En comparaison avec les systèmes catalytiques Pd ou Rh précédents, notre système catalytique au Ni présente : (1) une portée de substrat complémentaire ; (2) chimiodivergence contrôlée par le ligand ; (3) faible coût. Dans notre système, en utilisant un ligand NHC à encombrement stérique pour supprimer très efficacement l'élimination de β-H, les SCB subissent une expansion du cycle pour fournir exclusivement des silacycles. En revanche, les ligands phosphine permettent l'étape d'élimination du β-H pour donner des allyl vinylsilanes. De plus, nous démontrons en outre que l'utilisation d'un ligand phosphine chiral est capable d'induire asymétriquement la réaction d'ouverture de cycle des SCB et des alcynes internes, formant des allyl vinylsilanes stéréogéniques au silicium avec des rendements et des énantiosélectivités élevés. De plus, nous constatons que l'annulation [4 + 2] des benzosilacyclobutanes avec des alcynes internes se déroule également de manière régiosélective par clivage de la liaison Si-C(sp2) pour produire un réseau de dihydrobenzo[c]silines en choisissant les ligands appropriés.

Nous avons commencé nos recherches en utilisant le SCB 1a et le diphénylacétylène 2a comme substrats modèles dans les méthodes catalysées par Pd ou Rh développées pour la cycloaddition de SCB avec des alcynes terminaux, mais ces conditions se sont révélées non réactives (tableau 1, entrées 1– 2). Pour notre plus grand plaisir, la réaction de 1a et 2a s'est déroulée en douceur en présence de Ni(cod)2 (10 mol%) et de PCy3 (20 mol%), donnant un mélange de silacyclohexène 3aa et d'allyl vinylsilane 4aa dans un rapport 6:61 (Entrée 3). Un large panel de ligands a ensuite été criblé (voir tableau supplémentaire 1). Enfin, nous avons constaté que le produit d'élimination β-H 4aa était exclusivement obtenu avec un rendement de 83% en utilisant de la petite phosphine PMe3 comme ligand (Entrée 5). En revanche, la réaction effectuée avec le ligand NHC disponible dans le commerce IMes·HCl (chlorure de 1,3-dimésity-4,5-diméthyl-1H-imidazol-3-ium) a entraîné la formation exclusive de silacycle 3aa dans des conditions de réaction identiques (Entrée 8 ). Les meilleurs résultats pour la production de 3aa (84 % de rendement isolé) ont été trouvés en présence de 20 % en moles d'IPr·HCl (chlorure de 1,3-bis(2,6-diisopropylphényl)imidazolium) avec incorporation de 20 % en moles de LiOtBu à 120 ° C (Entrée 10).

Avec ce protocole optimisé, nous avons d'abord étudié la portée du substrat et la tolérance du groupe fonctionnel de l'expansion de l'anneau catalysée par Ni des SCB avec des alcynes internes (tableau 2). Il est heureux que la réaction de SCB 1a et d'une grande variété de diarylalcynes symétriques monosubstitués ou multisubstitués ait donné les produits souhaités avec de bons rendements avec des effets électroniques et stériques presque négligeables des substituants (3ab – an). L'alcyne à substitution hétéroaryle a également été bien toléré (3ao). Il est important de noter que ce système catalytique est remarquablement tolérant vis-à-vis de divers groupes fonctionnels sur le cycle phényle des diarylalcynes, tels que les groupes F, CF3, COOEt et OMe. De plus, divers alcynes internes aliphatiques sont également bien compatibles avec la condition établie, permettant une approche des produits silacycliques à six chaînons (3bp-br). En plus des alcynes symétriques, nous avons également appliqué cette procédure Ni-catalytique aux alcynes internes asymétriques pour élargir encore l'applicabilité de cette réaction. Heureusement, la réaction du 1-phénylpropyne 2s avec le SCB 1b s'est déroulée sans heurts dans des conditions standard catalysées au Ni pour produire le produit 3bs avec un rendement de 60 %. Cependant, seul un rapport régioisomérique modéré (rr) a été observé (rr = 3:1). Les autres expériences ont prouvé que l'utilisation de 1-phényl-1-pentyne (2t) comme partenaire alcyne augmenterait le rapport régioisomérique à 6: 1 avec un rendement de 70% (3bt). Ces résultats indiquent que l'augmentation de l'encombrement stérique du substituant peut assurer une étape de carbométallation hautement sélective au cours de la réaction, entraînant ainsi une amélioration de la régiosélectivité. Ensuite, nous avons examiné l'effet de la différence stérique accrue entre R1 et R2 avec 2u et 2v contenant du i-propyle ou du cyclopropyle. La réaction de cycloaddition s'est avérée moins efficace (rendement de 35 % pour 3bu et rendement de 45 % pour 3bv), mais la régiosélectivité a été significativement améliorée (rr > 20:1 pour 3bu et 3bv). Ensuite, nous avons examiné la réactivité des alcynes 2w et 2x protégés par TMS. Dans nos conditions de réaction, la cycloaddition des arylacétylènes 2w et 2x protégés par TMS avec SCB 1b a conduit exclusivement aux silacycles correspondants 3bw et 3bx avec des rendements modérés (rendement de 63 % pour 3bw et 55 % de rendement pour 3bx) et une régiosélectivité complète (rr > 20 :1 pour 3bw et 3bx). Cependant, les alcynes terminaux, tels que le phénylacétylène ou le 1-hexyne, qui fonctionnaient bien avec les SCB dans les conditions précédentes catalysées par Rh, n'ont pas participé à la réaction en raison de l'auto-oligomérisation rapide des alcynes dans les conditions catalysées par Ni. Ensuite, la portée des SCB avec divers substituants sur le silicium a été examinée. Le silicium peut être mono- ou diaryl-substitué, conduisant à 3ba-ga et 3la avec des rendements élevés. Les groupes donneurs et attracteurs d'électrons en position méta ou para du cycle phényle ont été bien tolérés (3da-fa). Un groupe méthyle en position ortho était stériquement défavorisé, de sorte que le produit d'expansion de cycle 3ca était généré avec un rendement de seulement 25 %. Le passage des substituants du silicium aux groupes éthyle, n-butyle et benzyle n'a pas affecté de manière significative les performances. De bons rendements ont également été observés (3ha−ka).

Encouragés par la grande efficacité et la sélectivité pour la réaction d'ouverture de cycle des SCB avec des alcynes internes obtenus qui utilise la catalyse Ni en combinaison avec un ligand phosphine pour la formation d'allyl vinylsilanes 4, nous tentons de développer une version asymétrique pour la construction énantiosélective de silicium hautement énantioenrichi -allylsilanes stéréogéniques. Nous avons effectué l'évaluation d'une variété de ligands P chiraux différents en utilisant SCB 1b et diphénylacétylène 2a comme substrats modèles en présence de Ni(cod)2 (10 mol%) dans du toluène à 100 °C pendant 24 h ( Tableau 3, entrées 1 à 20). Les résultats ont montré que seule la phosphonite L20 dérivée de TADDOL pouvait induire efficacement une bonne énantiosélectivité avec un bon rendement (Entrée 11 ; rendement de 90 % et 85:15 er). L'énantiosélectivité a été encore améliorée (89, 5: 11, 5 er) sans perte de rendement significative (rendement de 88%) en abaissant la température de réaction à 60 ° C (tableau 3, entrée 21). Cependant, le rendement de 4ba a diminué de manière significative (rendement de 40 %) tout en abaissant davantage la température à 40 °C (tableau 3, entrée 22). D'autres investigations ont prouvé que le remplacement du groupe phényle sur le silicium de SCB 1b par le groupe o-tolyle a conduit à une amélioration significative de l'énantiosélectivité (Entrée 23, 95,5: 4,5 er pour 4ca). De plus, une amélioration supplémentaire de l'énantiosélectivité et du rendement a été observée en utilisant du 2-MeTHF comme solvant, générant le produit 4ca avec un rendement de 92% et 96: 4 er (Entrée 24).

Dans les conditions optimisées pour que la version asymétrique accède aux allylsilanes stéréogéniques en silicium énantioenrichis 4, la portée du substrat a ensuite été examinée (tableau 4). Nous avons d'abord exploré divers diarylalcynes 2 dans la réaction d'ouverture de cycle avec le 1-méthyl-1-(o-tolyl)siletane 1c. Les résultats indiquent que les diarylalkynes portant des substituants électroneutres, déficients en électrons et riches en électrons sur différentes positions du cycle phényle étaient compatibles avec la réaction actuelle, permettant l'accès aux allyl vinylsilanes stéréogéniques de silicium avec un rendement de 40 à 92% et 91: 9 er à 96:4 er (4ca-co). L'alcyne aliphatique symétrique a réagi avec SCB 1q pour fournir le produit souhaité 4cp avec un rendement de 85% avec un rapport énantiomérique modéré (74:26 er pour 4cp). De plus, les alcynes internes asymétriques tels que le 1-phénylpropyne étaient inertes. Ensuite, un certain nombre de SCB portant divers substituants sur le silicium ont été testés en utilisant 2a comme partenaire alcyne dans les conditions optimisées. Les SCB 1d-e portant différents substituants en position ortho du groupe phényle sur le silicium ont réagi en douceur avec 2a pour donner les produits 4da et 4ea avec de bonnes énantiosélectivités (92: 8 er pour 4da et 91: 9 er pour 4ea). Le faible rendement du produit 4da est attribué à l'encombrement stérique plus élevé. L'effet des substituants aux positions méta et para et la π-conjugaison du cycle phényle sur le silicium ont également été illustrés par les produits 4fa-ia. Le remplacement du groupe méthyle sur le silicium des SCB par d'autres groupes alkyles tels que l'éthyle, l'i-propyle et le cyclopropyle n'a pas affecté de manière significative l'efficacité de la réaction et l'énantiosélectivité, offrant une gamme d'allyl vinylsilanes stéréogéniques chiraux au silicium (4ja – oa) dans un Rendement de 35 à 85 % et 90:10 er à 92,5:7,5 er. Notamment, les produits 4 étant liquides, une méthode chiroptique a été employée pour déterminer la configuration absolue du produit 4cb40,41. Les spectres de dichroïsme circulaire électronique (ECD) computationnel pour 4cb calculés par la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (DFT) correspondent bien aux spectres ECD expérimentaux (voir les figures supplémentaires 1 à 3). Ainsi, 4cb a été affecté à la configuration S.

Suite au succès de la réaction divergente contrôlée par un ligand catalysé par Ni de SCB avec des alcynes internes, nous avons procédé à la réaction du benzosilacyclobutène 5a avec du diphénylacétylène 2a pour essayer d'étendre davantage l'application pratique de ce système catalytique Ni dans la synthèse de silacycle même la réaction de benzosilacyclobutènes avec des alcynes internes non activés n'a également jamais été présenté (Fig. 2a). Malheureusement, la réaction a donné un mélange de deux composants, 6aa et 6aaʹ, dans un rapport de 55:45 avec une conversion complète dans les conditions de réaction d'expansion de cycle optimisées en raison de la liaison compétitive Si-C(sp3) et Si-C(sp2) clivage de 5a. La formation de 6aaʹʹ est probablement attribuée à l'insertion migratoire compétitive d'alcyne dans la liaison Ni–C, suivie d'une isomérisation d'alcène et d'une élimination réductrice séquentielle42,43. Pour améliorer la régiosélectivité dans le clivage de la liaison Si-C du benzosilacyclobutène 5a, nous avons en outre criblé un large ensemble de paramètres de réaction, tels que les ligands, les solvants et les températures (tableau supplémentaire 2). Enfin, nous avons constaté que l'utilisation de PMe3 comme ligand et de 1,4-dixoane comme solvant entraînait une forte préférence pour le clivage de la liaison Si-C(sp2) pour donner 6aa avec un rendement de 86 %. Nous avons ensuite examiné la portée du substrat pour la cycloaddition de benzosilacyclobutènes 5 avec des alcynes internes 2 pour approcher diverses dihydrobenzo [c] silines 6 dans les conditions modifiées (Fig. 2, panneau inférieur). Divers diarylalcynes portant des substituants en position méta ou para du cycle phényle se sont déroulés en douceur pour donner les silacycles souhaités avec des rendements satisfaisants (6ab-ai). Encore une fois, notre méthode pourrait également être appliquée aux dialkyl alcynes sans aucune baisse des rendements (6bj-bk). Des régiosélectivités modérées de 1, 9: 1 à 6: 1 ont été observées pour les alcynes internes asymétriques (6bl-bn). De plus, nous avons étudié les benzosilacyclobutènes 5 pour cette réaction. Pour notre plus grand plaisir, des benzosilacyclobutènes contenant différents groupes sur le silicium pourraient être utilisés pour réagir avec 1a en utilisant PAd3 comme ligand, fournissant des produits cycliques 6bj-bm et 6ba-ca avec de bons rendements et sélectivités. Enfin, nous avons prouvé que le rendement élevé et la sélectivité n'étaient pas affectés par l'installation de divers substituants à différentes positions du cycle phényle sur les benzosilacyclobutènes (6da-ha).

a Optimisation des conditions pour la réaction du benzosilacyclobutène 5a avec l'alcyne interne 2a. b Portée du substrat pour la cycloaddition catalysée par Ni de benzosilacyclobutènes avec des alcynes internes dans des conditions optimisées. Condition réactionnelle : alcynes 2 (0,2 mmol) et benzosilacyclobutènes 5 (0,3 mmol, 1,5 équiv.), Ni(cod)2 (5,8 mg, 0,02 mmol), PMe3 (40 μl, 1,0 M dans THF, 0,04 mmol) et 1, 4-dioxane (1,0 ml) à 100 °C pendant 24 h.

Pour démontrer l'aspect pratique de notre méthode, nous avons d'abord intensifié la réaction de cycloaddition catalysée par Ni de SCB 1a avec 2a ainsi que la réaction d'ouverture de cycle énantiosélective de SCB 1c avec 2a pour obtenir 0,6 g de 3aa avec un rendement de 73 % et ~ 1 g de 4ca avec un rendement de 85 % avec un ee de 92 %, respectivement (Fig. 3a, b). De plus, nous avons démontré l'utilité synthétique du silacycle à 6 chaînons 3aa et de l'allylsilane stéréogénique énantioenrichi en silicium 4ca en effectuant plusieurs transformations supplémentaires en aval. La liaison C=C de 3aa peut être facilement réduite par l'hydrogène en présence d'un catalyseur Pd/C pour délivrer le composé 7 avec un rendement de 85 %. De plus, 3aa pourrait également subir la réaction d'époxydation à température ambiante en présence d'oxydant m-CPBA pour donner l'époxyde 8 avec un rendement de 77 %. De plus, le produit 4ca a été traité avec le réactif de Schwartz, suivi par de l'iode moléculaire pour délivrer l'iodure primaire correspondant 9 avec un rendement de 90 % avec maintien de l'énantiosélectivité. Nous avons en outre démontré que le produit 4ca peut être converti en diol vicinal 10 avec un dr 1:1 via une séquence de diboration/oxydation. L'hydroboration de la liaison C = C terminale sur 4ca s'est également déroulée sans heurts pour donner du vinylsilane borylé 11 avec un rendement de 85% en présence d'AlEt3. Le 4ca pourrait également subir en douceur une hydrogénation ainsi qu'une hydroboration-oxydation pour produire et produire 12 avec un rendement de 90% avec 92% ee et 1,2: 1 dr et un vinylsilane 13 à fonction hydroxyle stéréogénique énantioenrichi avec un rendement de 73% et 92% ee.

a Synthèse à l'échelle du Gramme et utilité synthétique de 3aa. b Synthèse à l'échelle du Gramme et utilité synthétique de vinylsilanes stéréogéniques énantioenrichis en silicium 4ca. Les détails des expériences ont été fournis dans les informations supplémentaires (SI).

Pour sonder le mécanisme de réaction, plusieurs expériences perspicaces sur le plan mécaniste ont été réalisées (Fig. 4a). Lorsque nous avons mélangé du 1,2-bis(3-fluorophényl)éthyne avec 1,0 équiv. de Ni(cod)2 en présence de 2,0 équiv. IMes · HCl et LiOtBu dans du toluène-d8 pendant 1 h à 60 ° C, une division du signal de l'atome F s'est produite (voir Fig. 4 supplémentaire). L'ajout de diphénylacétylène à Ni(PPh3)4 a entraîné l'apparition d'un nouveau pic RMN 31P à δ = 39,84 ppm (voir Fig. 5 supplémentaire). Ces résultats confirment l'existence d'un complexe nickel(0)-alcyne. De plus, il n'y a pas eu d'incorporation de deutérium de 4aa dans la réaction d'ouverture de cycle catalysée par Ni de 1a et 2a en présence de 5,0 équiv. de CD3OD. Cela implique fortement que la réaction d'ouverture de cycle dans les conditions optimisées impliquait très probablement un processus de déplacement d'hydrogène intramoléculaire. Suite à notre observation expérimentale et aux études précédentes, nous avons proposé un mécanisme plausible pour rationaliser la divergence de structure contrôlée par le ligand dans la réaction catalysée par Ni des SCB avec des alcynes internes non activés (Fig. 4b). Il commence par la coordination de Ni0 aux alcynes internes, formant ainsi le complexe nickel(0)-alcyne A, qui est suivi d'un clivage oxydatif assisté par coordination de Si-C(sp3) sur les SCB, produisant ainsi Ni-silacycloheptène B. Ni-silacycloheptène B pourrait subir en douceur soit une élimination réductrice pour donner des produits cycliques 3 ou une élimination de β-hydrure pour fournir des allyl vinylsilanes 4. Pour dévoiler les origines de la divergence de structure contrôlée par le ligand dans la réaction catalysée par Ni des SCB avec des alcynes internes non activés, des études informatiques la réaction de 1a et 2a ont été réalisées par DFT44,45. Comme le montrent la figure 4c et la figure supplémentaire 6, les profils calculés ont révélé que l'élimination réductrice de l'intermédiaire B conduit au produit d'expansion de cycle 3aa via un état de transition de cycle à trois chaînons TSRE et l'élimination de β-H de l'intermédiaire B pour former le produit d'ouverture de cycle 4aa subit un processus de transfert de ligand à ligand H (LLHT) via l'état de transition TSLLHT. En bon accord avec les expériences, les états de transition calculés prédisent clairement que IPr et PMe3 en tant que ligands favorisent la génération de 3aa et 4aa respectivement avec une différenciation cinétique significative (7,1 kcal/mol pour IPr-TSRE vs IPr-TSLLHT et 2,7 kcal/ mol pour P2-TSRE vs P-TSLLHT)46. Il est important de noter que les calculs impliquent qu'une différence majeure entre les TS concurrents réside dans l'environnement stérique autour du centre Ni. Les ligatures supplémentaires d'un groupe hydrure et d'une unité C = C partiellement formée dans TSLLHT rendent la première sphère de coordination plus encombrée que celle de TSRE. Ce dernier n'implique qu'un réseau Ni – C – C à trois chaînons relativement petit qui est largement compatible avec même le plus grand ligand IPr. Ces observations nous amènent à nous demander si un contrôle stérique de la réactivité est opérationnel.

a Expériences de contrôle. b Mécanisme plausible. c Enquête DFT sur l'origine mécaniste de la divergence de structure contrôlée par le ligand dans la réaction catalysée par Ni de SCB 1a avec 2a. Les énergies libres sont indiquées en kcal/mol, les distances en Å. L'espèce Ni-silacycloheptène a été utilisée comme énergie zéro.

Pour clarifier notre hypothèse sur le contrôle stérique de la réactivité, une analyse visuelle des interactions non covalentes pour l'état de transition IPr-TSRE et IPr-TSLLHT a été réalisée. Il révèle que l'IPr-TSLLHT contient des répulsions stériques ligand-substrat appréciables, tandis que l'IPr-TSRE concurrent présente principalement des dispersions attractives (Fig. 5a). L'évaluation des énergies de distorsion du ligand suggère également des déformations plus élevées du ligand dans la voie LLHT plus encombrée si vous utilisez IPr comme ligand (Fig. 5b; Edist, L pour IPr-TSLLHT = 5,2 kcal / mol, Edist, L pour IPr-TSRE = 3,5 kcal /mol). En revanche, les répulsions peuvent être contournées en utilisant un petit ligand PMe3, comme en témoignent les énergies de distorsion du ligand presque ignorables (≤ 0, 5 kcal / mol dans P2-TSRE et P-TSLLHT) et l'absence de distances atomiques répulsives. Nous postulons que la voie LLHT est vraisemblablement intrinsèquement préférée à l'élimination réductrice pour former le produit d'ouverture de cycle dans cette réaction catalysée par Ni des SCB avec des alcynes, qui devient une réalité lorsque le petit ligand PMe3 a été utilisé. Cependant, l'utilisation d'un grand ligand IPr à encombrement stérique dans la réaction conduirait à des distorsions déstabilisantes significatives de TSLLHT. Il orientera la voie de réaction vers l'élimination réductrice via un TSRE moins encombré pour permettre le produit de cycloaddition. Pour étayer expérimentalement notre point de vue, la réaction de SCB 1a avec 2a a été réalisée en présence d'un précurseur de NHC beaucoup moins stériquement encombré, l'iodure de 1,3-diméthyl-3-imidazolium (IMe·HI; Fig. 5c). Sans surprise, la réaction favorise à son tour la voie LLHT pour obtenir un rapport élevé entre le produit d'ouverture de cycle 4aa et le produit d'expansion de cycle 3aa (86:14). Notamment, nous avons également effectué des études informatiques pour étudier la voie de réaction de la cycloaddition catalysée par Ni des benzosilacyclobutènes 5 avec des alcynes internes 2 (voir les figures supplémentaires 7 et 8). Ces résultats sont cohérents avec les observations expérimentales.

a Analyse visuelle des interactions non covalentes47. b Énergies de distorsion du ligand. c La réaction de SCB 1a avec 2a en utilisant un ligand NHC beaucoup moins stériquement encombré. Les énergies libres sont indiquées en kcal/mol, les distances en Å.

En résumé, nous avons décrit la réaction catalysée par le nickel de (benzo)silacyclobutanes avec des alcynes. Le choix de différents ligands dicte si la voie implique une cycloaddition ou une ouverture de cycle. De plus, en utilisant un ligand phosphonite chiral dérivé de TADDOL, nous avons obtenu la réaction d'ouverture de cycle hautement énantiosélective des SCB avec des alcynes, constituant ainsi une voie efficace et générale pour la synthèse asymétrique d'allyl vinylsilanes stéréogéniques au silicium. Les origines des sélectivités commutables ont été élucidées par le calcul DFT. Les résultats indiquent que les deux voies partagent un intermédiaire Ni-silacycloheptène. Le ligand IPr favorise l'élimination réductrice directe via un état de transition du cycle à trois chaînons de cet intermédiaire pour donner un ensemble de (benzo) silacyclohexènes. Alternativement, le petit ligand PMe3 permet l'ouverture du cycle via un procédé LLHT à partir de Ni-silacycloheptène pour générer divers allyl vinylsilanes.

Dans une boîte à gants, un flacon en verre de 8 ml à bouchon vissé séché au four et équipé d'un barreau magnétique a été chargé avec Ni(cod)2 (5,8 mg, 0,02 mmol), IPr·HCl (10,2 mg, 0,024 mmol), LiOtBu ( 3,2 mg, 0,04 mmol) et toluène (1,0 ml). Le mélange a été agité à température ambiante pendant 15 min. Ensuite, SCB 1 (0,6 mmol, 3,0 équiv.) et l'alcyne 2 (0,2 mmol) ont été ajoutés au mélange réactionnel. Le flacon a été scellé avec un bouchon en PTFE et retiré de la boîte à gants. La réaction a été laissée sous agitation à 120°C pendant 24 h. Après avoir été refroidi à température ambiante, le solvant a été éliminé sous vide et le résidu a été purifié par chromatographie flash pour donner les produits correspondants.

Dans une boîte à gants remplie d'azote, à un flacon de 8 ml chargé de Ni(cod)2 (5,8 mg, 0,02 mmol) et (R,R)-L20 (27,0 mg, 0,04 mmol) a été ajouté 1,0 ml de 2-MeTHF , et le mélange a été agité à température ambiante pendant 1 h. Ensuite, les alcynes 2 (0,2 mmol) et les SCB 1 (0,4 mmol) ont été ajoutés. Le flacon a ensuite été scellé avec un bouchon en PTFE, retiré de la boîte à gants. Le mélange est agité en continu à 60°C pendant 24h. Une fois la réaction terminée, le solvant a été éliminé par évaporation rotative et le résidu a été soumis à une Chromatographie sur colonne de gel de silice pour donner les produits correspondants.

Dans une boîte à gants remplie d'azote, à un flacon à bouchon à vis de 8 ml séché au four équipé d'un barreau d'agitation magnétique, on a ajouté Ni(cod)2 (5,8 mg, 0,02 mmol), PMe3 (40 μl, 1,0 M dans du THF, 0,04 mmol) et 1,4-dioxane (1,0 ml). Le mélange a été agité pendant 15 min à température ambiante, moment auquel les alcynes 2 (0,2 mmol) et les benzosilacyclobutènes 5 (0,3 mmol, 1,5 équiv.) ont été ajoutés au mélange résultant dans cet ordre. Le flacon a été scellé avec un bouchon en PTFE, retiré de la boîte à gants et la réaction a été agitée à 100 ° C pendant 24 h. Après avoir été refroidi à température ambiante, le solvant a été éliminé sous vide et le résidu a été purifié sur une colonne C18 (ODS) (5 μm, 21,2 × 250 mm) avec de l'acétonitrile par RP-HPLC préparative avec une série Bonna-Agela CHEETAH HP.

Les auteurs déclarent que les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles dans l'article et ses fichiers d'informations supplémentaires, et sont également disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande.

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Toutes les études mécanistiques DFT ont été réalisées au niveau de (SMD-)PBE0-D3(BJ)/def2-TZVP//M06-L/def2-SV(P) avec des corrections quasi-harmoniques. Les références et la procédure de calcul complète sont fournies dans le SI.

Les calculs DFT indiquent que l'état de transition d'élimination réductrice monocoordonnée PMe3 (P-TSRE) possède une énergie supérieure de 21,3 kcal / mol à celle de l'état de transition d'élimination réductrice biscoordonnée PMe3 P2-TSRE (voir Fig. 6 supplémentaire).

L'analyse visuelle des interactions non covalentes a été réalisée à l'aide du modèle de gradient indépendant mis en œuvre dans le programme Multiwfn (voir les informations supplémentaires pour les références).

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Nous sommes reconnaissants du soutien financier de la National Natural Science Foundation of China (22071114, 22022103, 21871146), du Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations, du National Key Research and Development Program of China (2019YFA0210500), du "Frontiers Science Center for New Matière organique", Université de Nankai (numéro de subvention 63181206) et les fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales et l'université de Nankai.

State Key Laboratory and Institute of Elemento-Organic Chemistry, Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin, 300071, Chine

Xi-Chao Wang, Bo Li, Cheng-Wei Ju et Dongbing Zhao

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X.-CW et C.-WJ ont réalisé les expériences. BL a effectué le calcul DFT. DZ a conçu le concept, dirigé le projet et rédigé l'article.

Correspondance à Dongbing Zhao.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie Chuan He, Peng Wang et les autres évaluateurs anonymes pour leur contribution à l'évaluation par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

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Réimpressions et autorisations

Wang, XC., Li, B., Ju, CW. et coll. Réactions divergentes catalysées au nickel (0) de silacyclobutanes avec des alcynes internes. Nat Commun 13, 3392 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31006-y

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Reçu : 09 janvier 2022

Accepté : 23 mai 2022

Publié: 13 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-022-31006-y

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