選擇性硼氫鍵活化的銥催化碳硼烷硼基化反應研究獲進展

　　碳硼烷是由兩個CH 和十個BH 頂點組成的籠狀分子，被視為苯的三維類似物，具有超芳香性及很好的化學和熱穩定性，在生物醫藥、超分子材料等領域有著重要的用途。例如，利用其單位分子內的高硼含量作為硼中子俘獲療法（BNCT）試劑，利用其高熱穩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、分子機器、分子開關、光學材料和過渡金屬催化劑等方面。碳硼烷最大的特點是可以在碳和硼頂點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。相對于發展已較為成熟的碳硼烷碳頂點官能團化，硼頂點活化及進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量目前都非常有限，這大大限制了對其性質和應用的研究。新發展的基于直接B–H 鍵活化策略的化學合成可以簡化原料、縮短反應流程，從而提高合成效率和原子經濟性。而目前碳硼烷化學領域的重大挑戰在于如何在10個化學及立體環境非常相似的硼頂點間實現選擇性活化及官能團化。

　　中國科學院上海有機化學研究所滬港化學合成聯合實驗室謝作偉課題組一直致力于發展通過簡單過渡金屬催化的方式實現碳硼烷BH位點的選擇性官能團化方法。而針對硼頂點間的選擇性問題，他們提出了無導向基團參與，用金屬催化劑直接控制反應位點的全新B–H鍵官能團化策略。由于碳和硼元素的電負性差異，碳硼烷上電子密度表現為：B(3,6) < B(4,5,7,11) < B(8,10) < B(9,12)，這也反映出硼頂點親電取代反應的相對活性。他們首先采用無導向基團策略，利用遠端B(8,9,10,12)-位頂點較為富電子的特點，發展了金屬鈀催化的碳硼烷B(8,9,10,12)-位四氟化反應（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12192）；對處于中間的B(4,5,7,11)，他們采用導向基輔助的金屬催化B–H鍵直接活化及官能團化方法（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15513）。然而，對于近端的B(3,6)-位雙官能團化，傳統方法需要通過復雜的兩次脫硼-蓋帽過程實現，過渡金屬催化B–H鍵直接活化轉化的方式還尚未有報道。

　　最近，該課題組采用無導向基團策略，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，成功地以優秀的收率和高區域選擇性實現了鄰-碳硼烷B(3,6)–H鍵的雙硼基化反應（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-位碳頂點引入大位阻硅基來阻斷所有與此頂點相鄰反應位點（3,6,7,11-位）的反應，可以進一步實現銥催化的鄰-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化為含有B–X鍵（X = O、N、C、Br和Cl）的碳硼烷衍生物，成功實現碳硼烷的硼-芳基化、烯丙基化、鹵化、酯化、氨基化、疊氮化等過程，為高效實現碳硼烷區域選擇性官能團化提供了一條新的途徑。

　　上述研究工作得到國家自然科學基金委、中科院青年創新促進會、香港裘槎基金會和國家自然科學基金委與香港研究資助局聯合項目的資助。

圖: 銥催化鄰-碳硼烷選擇性硼基化反應