无催化剂、无溶剂下硅醚的绿色合成新方法

New method for the catalyst⁃and solvent⁃free green synthesis of silyl ether

摘要

以六甲基二硅氮烷（HMDS）为硅基化试剂，发展了一种无催化剂、无溶剂条件下硅醚的绿色合成新方法。该方法可以适用于一级苄醇、杂芳基甲醇、烯丙醇和脂肪醇，甚至位阻较大的二级醇以及三级醇，也可以进一步拓展到酚类化合物，在室温下反应即可以高达99%收率的硅醚化产物，具有反应条件简单、易于操作、副产物少、绿色环保等优点，展现出较好的实用价值。

Abstract

Using hexamethyldisilazane （HMDS） as the silylation reagent for the green synthesis of silyl ether in the absence of catalyst and solvent was developed. The method can be applied for a variety of primary benzyl alcohols， heteroaryl methanols， allylic alcohols， aliphatic alcohols and even the more sterically hindered secondary alcohols and tertiary alcohols， affording the target silyl ether products only at room temperature with a yield of up to 99%. Moreover， the method can be easily extend to phenols. This new method has the advantages of simple reaction conditions， easy operation， less by⁃products and environmental protection， showing good practical value.

Graphical abstract

关键词

硅醚 / 醇和酚 / 无催化剂 / 无溶剂

Key words

silyl ether / alcohol and phenol / catalyst⁃free / solvent⁃free

0 引言

硅醚是一类重要的有机化合物，广泛被应用于建材、石油化工、高端仪器、有机合成等诸多领域^［1-5］。如：硅醚类化合物被广泛用作气相色谱的填料，用于化合物的分离分析^［1］。硅醚也是重要的合成中间体，广泛用作羟基、氨基等活泼基团的保护基^［2］。此外，近年来研究表明硅醚也可以用于过渡金属催化的偶联反应，进而实现官能团的转化^［3-5］。因此，发展硅醚的绿色合成新方法具有重要的意义。

目前，常用的硅基化试剂有三甲基氯硅烷、三甲基硅基叠氮、乙炔基三甲基硅烷、六甲基二硅氮烷（HMDS）等^{［2， 6-11］}。其中，HMDS具有廉价易得、低毒稳定、沸点低且易于从反应体系中除去等优点，近年来受到了广泛的关注。JEREB、AGHAPOUR、GARCIA、LUO等诸多课题组先后报道了碘、N-氯邻磺酰苯甲酰亚胺、金属有机框架材料以及离子液体等催化下醇、酚与HMDS的硅醚化反应，实现了硅醚类化合物的高效合成^［6-11］。

本项目组一直致力于硅醚合成及醇的化学转化研究^［12-14］。2022年，本课题组研究发现氯仿类溶剂可以促进醇、酚与HMDS的硅醚化反应，实现了无催化剂条件下硅醚类化合物的高效合成^［12］。在此研究过程中，意外地发现了醇、酚与HMDS在无催化剂、无溶剂条件下也可以发生硅醚化反应。本文将进一步报道这些研究成果。与已有方法相比，新方法无需催化剂、无需溶剂、室温下即可反应，更加绿色环保。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

所用化学试剂和溶剂均为商业可得，没有经过处理，直接使用。使用薄层色谱（TLC）和气质色谱（GC⁃MS）技术跟踪反应（HSGF254） 高效板， 紫外灯检测波长254、365 nm。 产物的¹H NMR， ¹³C NMR 用JNM‑ECZ600R/S3 （Jeol， Japan） （600 MHz 和 150 MHz）型核磁共振仪测定，使用CDCl₃作为氘代溶剂。低分辨质谱MS（EI）用Agient GC‑MS‑5890A/5975C Plus spectrometer （EI）测定。柱层析使用黄海300~400 目硅胶。所有试剂均购于试剂公司，未经进一步纯化。

1.2 实验方法

1.2.1 无催化剂、无溶剂下苄基三甲基硅醚合成的反应步骤

向10 mL的反应管内依次加入苯甲醇（1a） （54.0 mg， 0.50 mmol），HMDS（80.5 mg， 0.50 mmol），然后室温下搅拌反应12 h。待反应完全，柱层析分离（V_乙酸乙酯/V_石油醚=0/100~1/10），得产物2a。

（苄氧基）三甲基硅烷 （2a）：无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=7.29~7.36（m， 4H）、7.23~7.27（m， 1H）、4.71（s， 2H）、0.16（s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=141.2、128.4、127.4、126.8、64.7、-0.3。

（（4⁃甲氧基）苄氧基）三甲基硅烷（2b）：无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=7.24 （d， J=8.4 Hz， 2H）、6.88 （d， J=8.4 Hz， 2H）、4.62 （s， 2H）、3.79 （s， 3H）、0.14 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=158.8、133.1、128.1、113.8、64.4、55.2、-0.2。

（（4⁃氟）苄氧基）三甲基硅烷（2c）：无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=7.31~7.27 （m， 2H）、7.08~ 6.92 （m， 2H）、4.64 （s， 2H）、0.16 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=162.2 （d， J=244.5 Hz）、136.9（d， J=2.5 Hz）、128.4（d， J=7.6 Hz）、115.3 （d， J=21.5 Hz）、64.1、-0.3。

（（2⁃甲氧基）苄氧基）三甲基硅烷 （2d）： 无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ= 7.45 （d， J=7.2 Hz， 1H）、7.28~7.22 （m， 1H）、7.01~6.95 （m， 1H）、6.84 （d， J=7.2 Hz， 1H）、4.73 （s， 2H）、3.82 （s， 3H）、0.18 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=156.5、129.6、128.0、127.6、120.5、109.9、59.8、55.1、-0.3。

（2⁃吡啶甲氧基）三甲基硅烷（2e）：无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=8.47 （d， J=4.2 Hz， 1H）、7.66~7.63 （m， 1H）、7.46 （d， J=8.4 Hz， 1H）、7.14~7.09 （m， 1H）、4.77 （s， 2H）、0.15 （s， 9H）。 ¹³C NMR （150 M， CDCl₃） ：δ= 161.0、148.8、136.7、122.1、1206、65.7、-0.4。

（2⁃噻吩甲氧基）三甲基硅烷 （2f）： 无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ= 7.25~7.20（m， 1H）、6.96~ 6.92 （m， 2H）、4.82（s， 2H）、0.15（s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=144.8、126.6、125.2、124.7、60.2、-0.3。

（正戊氧基）三甲基硅烷 （2g）： 无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=3.55 （t， J=6.6 Hz， 2H）、1.54~1.44 （m， 2H）、1.36~1.24 （m， 4H）、0.88 （t， J=7.2 Hz， 3H）、0.09 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=62.8、32.5、28.1、22.6、14.2、-0.4。

（正辛氧基）三甲基硅烷 （2h）： 无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=3.55 （t， J=6.6 Hz， 2H）、1.55~1.44 （m， 2H）、1.33~1.25 （m， 10H）、0.86 （t， J=7.2 Hz， 3H）、0.09 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=62.9、32.6、31.9、29.5、29.4、25.7、22.6、14.2、-0.4。

（2⁃甲基）烯丙氧基三甲基硅烷（2i）：无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ= 4.97 （s， 1H）、4.81 （s， 1H）、4.00 （s， 2H）、1.70 （s， 3H）、0.12 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=144.8、109.8、66.7、19.3、-0.4。

（环己基）三甲基硅醚 （2j）：无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=3.55~3.44 （m， 1H）、1.77 （d， J = 10.3 Hz， 2H）、1.74~1.67 （m， 2H）、1.57~1.46 （m， 1H）、1.26~1.16 （m， 4H）、1.13~1.01 （m， 1H）、0.09 （s， 9H）。 ¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=71.2、36.1、25.5、24.6、0.3。

（1‑金刚烷基）三甲基硅醚 （2k）： 无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=2.08 （s， 3H）、1.80~1.72 （m， 6H）、1.60~1.53 （m， 6H）、0.10 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=71.5、46.3、36.5、31.2、3.1。

（苯氧基）三甲基硅 （2l）：无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ= 7.22 （d， J=7.6 Hz， 2H）、7.01~6.95 （m， 1H）、6.89~6.80 （m， 2H）、0.26 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=155.2、129.5、121.5、120.2、0.3。

（1⁃萘氧基）三甲基硅 （2m）： 无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=8.17~8.13 （m， 1H）、7.89~7.79 （m， 1H）、7.55~7.47 （m， 3H）、7.39~7.30 （m， 1H）、6.89 （d， J=7.2 Hz， 1H）、0.37 （s， 9H）。¹³C NMR （150 M， CDCl₃）：δ=151.4、135.1、128.2、127.6、126.3、126.1、125.2、122.8、121.3、113.0、0.5。

（2⁃萘氧基）三甲基硅（2n）：无色液体。¹H NMR （600 M， CDCl₃）：δ=7.79（d， J=7.8 Hz， 1H）、7.75 （d， J=8.4 Hz， 1H）、7.71 （d， J=7.8 Hz， 1H）、7.46~7.40 （m， 1H）、7.38~7.32 （m， 1H）、7.21 （d， J = 2.4 Hz， 1H）、7.08 （dd， J=7.8， 2.4 Hz， 1H）、0.32（s， 9H）。¹³C NMR（150 M， CDCl₃）：δ=153.3、134.5、129.5、129.4、127.8、126.8、126.6、123.8、122.2、115.0、0.4。

2 结果与讨论

以苯甲醇（1a）与HMDS作为反应底物，在无催化剂、无溶剂条件下室温搅拌反应12 h，可以以98%收率得到预期硅醚产物2a（表1，序号1）。然后，对反应溶剂进行了筛选，结果发现在常用的有机溶剂中，如：甲醇、甲苯、环己烷、乙腈、N，N⁃二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）等，只能以较低的收率得到预期产物2a（表1，序号2—7）。这说明反应溶剂有可能稀释了反应物的浓度，造成反应效率下降。因此，仍选用无溶剂反应。最后，对反应的物料配比进行了考察，发现降低HMDS用量为0.35 mmol时，反应收率会有所下降（表1， 序号8）。

因此，反应的最优条件为：将苯甲醇（1a）与HMDS在无催化剂、无溶剂条件下室温搅拌反应12 h（表1，序号1）。

然后，对反应的底物范围进行了考察。如表2所示，当苯甲醇的苯环上连有供电子基或吸电子基甚至邻位位阻基团时，反应都可以较高的收率得到预期产物2a—d（表2，序号1—4）。对于杂芳基取代的甲基醇，如：2⁃吡啶甲醇、2⁃噻吩甲醇也可以顺利地得到预期产物2e、f（表2，序号5、6）。对于脂肪醇，如：正戊醇、正辛醇，也可以中等收率得到预期产物2g、h（表2，序号7、8）。进一步地，该方法可以拓展到烯丙基醇，以较高的收率得到预期产物2i（表2，序号9）。但是，对于位阻较大的二级醇和三级醇，如：环己基醇、1⁃金刚烷醇，该方法只能以中等收率得到预期产物2j、k（表2，序号10、11）。

总体来看，本方法对苄基醇、杂芳基醇以及烯丙基一级醇效果较好，可以高达99%收率的预期产物；对于脂肪醇、特别是位阻较大的脂肪醇效果一般，只能以中等收率得到预期产物。最后，对苯酚类化合物进行了考察，结果表明该方法可以很好地适用于酚类化合物，以较高的收率得到预期产物2l—n（表2，序号12—14）。

注 反应条件参见表1，序号1，基于1a计算的分离收率。

3 结束语

发展了一种醇、酚向硅醚类化合物的绿色转化新方法。该方法无需催化剂、无需使用溶剂，以廉价易得的HMDS为硅基化试剂，在室温下搅拌反应即可以较高的收率得到预期的硅醚产物，具有反应条件简单、易于操作、副产物少、绿色环保等优点。该方法不仅适用于各种取代类型的苯甲醇、杂芳基甲醇、脂肪醇、烯丙基醇以及二级醇和三级醇，同时也适用于苯酚类化合物，具有较为宽泛的底物适用范围。

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基金资助

国家自然科学基金项目(22101243)

信阳师范学院大学生科研基金项目(2022⁃DXS⁃089)