on style="white-space: normal; text-indent: 2em;">有机硅化合物由于其独特的化学、物理和生物性质，在合成化学、药物化学、农业化学和材料科学等领域发挥着广泛的重要作用。因此，开发制备这些化合物的有效方法越来越受到合成化学家的关注。在各种已知的方法中，烯烃与氢硅烷的官能团化已成为组装含硅分子的有力工具。而绝大多数例子是过渡金属催化烯烃的氢硅化反应。或者，在单一次操作中通过C=C双键引入一个硅基和另一个官能团（非氢原子），可以为构建复杂的功能化有机硅化合物提供一条更有效、更直接的途径。然而，由于硅氢化、硅氢化-脱氢、硅基迁移等竞争反应，这种烯烃1，2-硅双官能团化是罕见和具有挑战性的。因此，研究通过选择性1，2-硅烷官能团化烯烃与氢硅烷的新策略，是非常有吸引力和可取的。随着自由基化学的快速发展，以硅基自由基作为关键中间体已成为各种自由基型反应的有效技术。烯烃与氢硅烷的1,2-硅基官能团自由基通过过渡金属催化氧化自由基过程 (Scheme 1 a, Path a and b)或支持光催化剂的氧化还原自由基过程 (Scheme 1 a, Path c)。尽管氧化自由基1,2-硅基官能团化的过程是成功的，由氢硅烷产生硅基自由基通常需要使用一定量的过氧化物与过渡金属催化剂。外，氢硅烷（硅基自由基的前体）的范围仅限于Et3SiH or (TMS)3SiH。因此，以更绿色和可持续的方式开发一种新的通用和实用的氧化自由基1，2-硅基双功能化方法将是令人着迷和具有挑战性的。
近年来，通过有机电化学发展化学转化提供了一种可持续和温和的替代传统化学方法。由于只有电子作为试剂，它提供了一种环境友好的方式，避免产生化学废物。值得注意的是，烯烃自由基双官能化的电催化方法已成为有机合成的研究焦点，为高效构建副官能化结构提供了强有力的途径。通过双电子还原Si-Cl键，然后通过单电子再氧化得到的硅氧阴离子，已知硅氧自由基产生的电化学策略(Scheme 1 b, upperleft)。最近，Lin课题组开发了一种更有效的电还原策略，通过在深还原电位下激活氯硅烷来获得硅基自由基，并证明了它在C-Si键形成反应中的应用 (Scheme 1 b, lower left)。随着对有机硅化学和电合成的持续兴趣，作者质疑烯烃的电化学氧化自由基1，2-硅基双官能团化是否可行 (Scheme 1 b, right)，它可以被一个烯烃捕获，从而形成一个α-硅烷基自由基。这个自由基可能会进一步与另一个持久的自由基耦合，从而产生目标1,2-硅基双官能化产物。
为了实现这种电化学方法，必须至少要解决三个问题。首先，由于Si-H键的氧化还原电位相对较高，氢硅烷直接阳极氧化生成硅基自由基是较难的。第二，在电化学条件下产生的硅自由基的自耦合通常是容易的。第三，很难确定一个合适的持久性自由基物种，它可以选择性地与形成的α-硅烷基自由基偶联，而不是在烯烃中加入竞争自由基。为了应对这些挑战，我们认为使用特定的氧化还原介质可能允许间接电解过程通过氢原子转移引发硅基自由基的形成 (HAT)。在硅自由基加入烯烃后，这种氧化还原介质也可能作为持久性自由基物种的前驱体与α-硅烷基自由基偶联，提供所需的1，2-硅双官能团产物 (Scheme 1 c)。Ishii课题组提出了一种类似的途径，用于钴催化缺电子烯烃与Et3SiH和氧气的羟基化反应。在此，南方科技大学化学系何川教授课题组报道了烯烃的电化学硅-氧双官能化反应，它以良好的产率合成了一系列包括β-硅基-氰醇衍生物在内的多官能化的含硅分子，具有良好的化学和区域选择性(Scheme 1 d)，第一作者是柯杰博士和刘文坛博士。该反应条件温和，不需要任何过渡金属催化剂和化学氧化剂，并且具有很高的官能团耐受性，底物适用范围广泛。
氮-氧基物种代表了电合成中的一类氧化还原介质，它通常可以在提供氮-氧自由基的阳极上进行质子耦合氧化以介导HAT过程。在设计的基础上，作者开始在邻羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)3a的存在下，使用三苯基硅烷1a和丙烯腈2a对烯烃进行电化学自由基硅基官能化的研究。经过对电化学条件的仔细研究发现，以LiClO4为电解质，丙酮/CH3CN为混合溶剂，在3Aa常流，30oC下，6h内，以87%的产率得到目标产物1，2-硅双官能团化的β-硅基-氰醇4a (Table 1, entry2)。条件筛选过程中，当丙酮或CH3CN仅用作溶剂时，产率较低 (entries 2 and 3)。电解质对这种反应影响较大，当电解质更改为nBu4NBF4时，4a的产率急剧降低(entry 4)。用镍板代替铂阴极对4a的产率影响不大，而用石墨作为阴极则将产率降低到12%(entries 5 and 6)。将电解时间减少一半，使产率降低到54% (entry 7)。当保持电量恒定时，电流的减少或增加所导致的产量会略低 (entries 8 and 9)。当断电进行反应时，根本没有得到任何产物(entry 10)。
在优化的反应条件下，接下来评估了这个氢硅烷底物方面范围 (Table 2)。发现一系列不同的三芳基硅烷在电化学反应中，芳香环上的电子和空间变化的取代基均与丙烯腈2a和N-羟基苯二甲酰亚胺3a反应顺利，生成相应的β-硅基-氰醇产物4b-4k，产率61-81%。在反应中，甲基(4b)、甲氧基(4c，4h，4i)和三甲基硅基(4g)等给电子基团以及三氟甲基(4d)和氯(4f)等吸电子基团都具有良好的耐受性。延伸的芳香基团(4e，4j)也可转化为b-硅基氰醇支架。噻吩（4k）等杂环也参与了毫无问题地提供相应的产品。此外，甲基二苯基硅烷、叔丁基二苯基硅烷、二甲基苯基硅烷、三（三甲基硅基）硅烷，三乙基硅烷被发现是合格的底物，获得产物产率为51-70%。除了单氢硅烷之外，该反应的底物范围还可以扩展到二氢硅烷，尽管产量稍低(4q)。Monohydrogermane和dihydrogermane也是进行这种电化学自由基转化的合适底物，分别得到了产物4r和4s。对于烯烃的范围，缺乏选择性的烯烃，包括2-氯丙烯腈、丙烯酸酯、乙烯基苯砜和乙烯基自由基亲核性质匹配，提供中好产率（4t-4y）相应的1,2-硅氧产物。对于氮-氧物质的范围，结构内的各种取代基，如甲氧基4z、氯4aa、自由羧酸4ab、吡啶4ac在当前反应条件下耐受性良好。在没有芳香环的情况下，氮氧物质也可以进行转化（4ad）。
为了证明该方法的实用性，进行了克级反应，得到了4a，产率仅略有损失 (Scheme 2 a)。此外，还对这种电化学的β-硅基-氰醇产物进行了衍生化(Scheme 2b)。叔酰硅烷4q与甲基三氧钌和尿素/过氧化氢加成物(UHP)一起氧化，成功以70%产率获得硅醇产物5。此外，采用改进的Wittenbergers法，通过腈官能团的环加成反应，可以方便地从4a中获得相应的四唑6，产率很高。此外，4a和4v与水合肼的水解有效地产生相应的β-硅基-α-基-氨基硝腈7和β-硅基-α-氨基酯8，其可以作为α-氨基酸的前体，用作一类新型含肽的叶酸剂。
为了深入了解反应机理，作者进行了循环伏安分析、自由基抑制实验和自由基“clock”实验。当反应中采用3.0当量的2、2、6、6-四聚甲基-1-哌啶酰氧基 (TEMPO)时，该反应被完全抑制，无法检测到产物4a (Scheme 3a)。此外，利用乙烯基环丙烷9作为烷烃基质，进行了自由基“clock”实验，发现环开口产物10可以得到28%的产量，这显然表明Int-1自由基的中间体的存在(Scheme 3b)。CV结果清楚地表明，NHPI的氧化电位低于Ph3SiH，表明NHPI在阳极表面更容易氧化为邻苯二甲酰亚胺-N-氧基自由基(PINO)。一种新的氧化电位 NHPI和Ph3SiH的混合物达到峰值，表明PINO和Ph3SiH之间存在相互作用。基于这些结果，方案3c描述了烯烃电化学自由基硅基氧的合理反应机理，认为反应路径与最初的设计基本类似，即1、阳极氧化生成的PINO与氢硅烷进行氢原子转移（HAT）生成硅自由基；2、硅自由基对烯烃进行加成生成α-硅基碳自由基；3、α-硅基碳自由基与PINO发生自由基偶联生成产物。
综上所述，作者开发了一种有效的方法，通过巧妙地利用氮-氧自由基作为氢原子转移（HAT）介质和自由基偶合子，实现了烯烃的电化学硅-氧双官能化反应，合成了一系列包括β-硅基-氰醇衍生物在内的多官能化的含硅分子。该反应条件温和，不需要任何过渡金属催化剂和化学氧化剂，并且具有很高的官能团耐受性，底物适用范围广泛。使用电化学硅激活获得硅基自由基的能力为以可持续和绿色的方式合成有价值的有机硅化合物提供了新的前景。
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202016620
