
上海有機(jī)所基于選擇性硼氫鍵活化的銥催化碳硼烷硼基化反應(yīng)研究取得新進(jìn)展
碳硼烷是由兩個(gè)CH 和十個(gè)BH 頂點(diǎn)組成的籠狀分子,被視為苯的三維類似物,具有超芳香性及很好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性,在生物醫(yī)藥、超分子材料等領(lǐng)域有著重要的用途。例如,利用其單位分子內(nèi)的高硼含量作為硼中子俘獲療法(BNCT)試劑;利用其高熱穩(wěn)定性用于耐熱硅硼橡膠聚合物;其它用途還包括超分子材料、分子機(jī)器、分子開關(guān)、光學(xué)材料和過渡金屬催化劑等方面。碳硼烷最大的特點(diǎn)是可以在碳和硼頂點(diǎn)上引入取代基取代氫原子,從而得到成員眾多的碳硼烷衍生物家族。相對(duì)于發(fā)展已較為成熟的碳硼烷碳頂點(diǎn)官能團(tuán)化,硼頂點(diǎn)活化及進(jìn)一步衍生化的研究較為滯后,硼-取代碳硼烷化合物的種類及數(shù)量目前都非常有限,這大大限制了對(duì)其的性質(zhì)和應(yīng)用研究。新發(fā)展的基于直接B–H 鍵活化策略的化學(xué)合成可以簡(jiǎn)化原料、縮短反應(yīng)流程,從而提高合成效率和原子經(jīng)濟(jì)性。而目前碳硼烷化學(xué)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)在于如何在10個(gè)化學(xué)及立體環(huán)境非常相似的硼頂點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)選擇性活化及官能團(tuán)化。
中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所滬港化學(xué)合成聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室謝作偉課題組一直致力于發(fā)展通過簡(jiǎn)單過渡金屬催化的方式實(shí)現(xiàn)碳硼烷BH位點(diǎn)的選擇性官能團(tuán)化方法。而針對(duì)硼頂點(diǎn)間的選擇性問題,他們提出了無導(dǎo)向基團(tuán)參與,用金屬催化劑直接控制反應(yīng)位點(diǎn)的全新B–H鍵官能團(tuán)化策略。由于碳和硼元素的電負(fù)性差異,碳硼烷上電子密度表現(xiàn)為:B(3,6) < B(4,5,7,11) < B(8,10) < B(9,12),這也反映出硼頂點(diǎn)親電取代反應(yīng)的相對(duì)活性。他們首先采用無導(dǎo)向基團(tuán)策略,利用遠(yuǎn)端B(8,9,10,12)-位頂點(diǎn)較為富電子的特點(diǎn),發(fā)展了金屬鈀催化的碳硼烷B(8,9,10,12)-位四氟化反應(yīng)(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12192);對(duì)處于中間的B(4,5,7,11),他們采用導(dǎo)向基輔助的金屬催化B–H鍵直接活化及官能團(tuán)化方法(J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15513)。然而,對(duì)于近端的B(3,6)-位雙官能團(tuán)化,傳統(tǒng)方法需要通過復(fù)雜的兩次脫硼-蓋帽過程實(shí)現(xiàn),過渡金屬催化B–H鍵直接活化轉(zhuǎn)化的方式還尚未有報(bào)道。
最近,該課題組采用無導(dǎo)向基團(tuán)策略,利用近端B(3,6)-位較為缺電子的特性,以金屬銥作為催化劑,成功地以優(yōu)秀的收率和高區(qū)域選擇性實(shí)現(xiàn)了鄰-碳硼烷B(3,6)–H鍵的雙硼基化反應(yīng)(Nature. Commun. 2017, 8, 14827)。他們通過使用2-甲基吡啶作為單齒氮配體,以聯(lián)硼酸頻那醇酯(B2Pin2)作為硼源,完成了這一銥催化選擇性硼基化過程。一系列B(3,6)-硼基化鄰-碳硼烷衍生物的高效合成證明了此反應(yīng)具有良好的普適性。另一方面,通過在鄰-碳硼烷的2-位碳頂點(diǎn)引入大位阻硅基來阻斷所有與此頂點(diǎn)相鄰反應(yīng)位點(diǎn)(3,6,7,11-位)的反應(yīng),可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)銥催化的鄰-碳硼烷B(4)-位的選擇性硼基化過程。并且所得到的硼基化碳硼烷能夠方便地轉(zhuǎn)化為含有B–X鍵(X = O、N、C、Br和Cl)的碳硼烷衍生物,成功實(shí)現(xiàn)碳硼烷的硼-芳基化、烯丙基化、鹵化、酯化、氨基化、疊氮化等過程,為高效實(shí)現(xiàn)碳硼烷區(qū)域選擇性官能團(tuán)化提供了一條新的途徑。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、香港裘槎基金會(huì)和國家自然科學(xué)基金委與香港研究資助局聯(lián)合項(xiàng)目的資助。

圖一: 銥催化鄰-碳硼烷選擇性硼基化反應(yīng)
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