過(guò)渡金屬Ni催化的硼化反應(yīng)研究進(jìn)展

陳 晶，趙海濤，肖小燕，趙 慧，王小佳

（天津大學(xué)理學(xué)院，天津300072）

有機(jī)硼化合物[1－4］是有機(jī)和生物化學(xué)中非常重要的一類(lèi)合成中間體，不僅能構(gòu)建有機(jī)化合物中常見(jiàn)的化學(xué)鍵（如C－O鍵、C－C鍵、C－N鍵等），還具有很高的生物活性[3］，在科研、醫(yī)藥和電子工業(yè)等領(lǐng)域都有著重要的用途。因此，有機(jī)硼化合物的合成和應(yīng)用逐漸成為了有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

隨著金屬有機(jī)化學(xué)的迅猛發(fā)展，過(guò)渡金屬催化越來(lái)越廣泛地被運(yùn)用到有機(jī)硼化合物的合成。過(guò)渡金屬催化的硼化反應(yīng)[5－6］相較于傳統(tǒng)無(wú)催化的硼化反應(yīng)，具有反應(yīng)活性和效率高、立體選擇性和區(qū)域選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的普遍重視，成為目前金屬有機(jī)催化、有機(jī)合成等相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

迄今為止，關(guān)于過(guò)渡金屬 Pd[6－8］和 Pt[9－11］催化不飽和化合物的硼化反應(yīng)已被相繼報(bào)道，但過(guò)渡金屬Ni催化的硼化反應(yīng)的報(bào)道卻相對(duì)較少，而Ni相較于Pd、Pt來(lái)說(shuō)具有價(jià)格低廉和來(lái)源廣泛的優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)過(guò)渡金屬Ni催化的硼化反應(yīng)的研究具有重要意義。

Ni與其同族元素Pd、Pt在催化硼化反應(yīng)上具有不同的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)，主要是由Ni－BR2的不穩(wěn)定性造成的[12］。1971年，Mindiola課題組[13］首次合成了穩(wěn)定的 Ni的單硼化合物（PNP）Ni[B－（catechol）］（圖1），開(kāi)辟了過(guò)渡金屬Ni催化的硼化反應(yīng)的新領(lǐng)域。

作者從硼氫化反應(yīng)、雙硼化反應(yīng)、β－硼化反應(yīng)、硼化開(kāi)環(huán)反應(yīng)以及硼化偶聯(lián)反應(yīng)等5個(gè)方面對(duì)過(guò)渡金屬Ni催化不飽和化合物的硼化反應(yīng)進(jìn)行綜述，并簡(jiǎn)單地介紹相關(guān)的反應(yīng)機(jī)理。

圖1 （PNP）Ni[B－（catechol）］的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of（PNP）Ni[B－（catechol）］

1 硼氫化反應(yīng)

硼氫化反應(yīng)是一種常見(jiàn)的合成反應(yīng)。最早使用的硼氫試劑是硼烷（B2H6）。隨著硼氫化反應(yīng)的不斷發(fā)展，各種性能優(yōu)異的硼氫試劑不斷被發(fā)現(xiàn)，如鄰苯二酚硼烷以及HBpin等。

2009年，Morken課題組[12］最先報(bào)道了 Ni（0）催化的1，3－丁二烯及其衍生物的端位硼氫化反應(yīng)，并對(duì)該硼氫化產(chǎn)物進(jìn)行水解，得到伯醇。該反應(yīng)使用Ni的配位化合物Ni（cod）2和磷配體PCy3（Cy為環(huán)己基，下同）作為催化劑，使1，3－丁二烯與硼氫試劑HBpin反應(yīng)，合成了1，4－硼氫化產(chǎn)物，反應(yīng)的立體選擇性較高，反應(yīng)過(guò)程如圖2所示。

Morken等還對(duì)該反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。通過(guò)光譜分析發(fā)現(xiàn)，Ni（0）經(jīng)配位等一系列步驟最終形成1，4－硼氫化產(chǎn)物，反應(yīng)機(jī)理如圖3所示。

圖2 Ni催化的共軛二烯烴的1，4－硼氫化反應(yīng)Fig.2 The Ni－catalyzed 1，4－h(huán)ydroboration of conjugated dienes

圖3 Ni催化的共軛二烯烴硼氫化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理Fig.3 The mechanism for Ni－catalyzed hydroboration of conjugated dienes

2 雙硼化反應(yīng)

2010年，Morken課題組[14］在硼氫化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，將硼氫試劑 HBpin換成雙硼試劑B2（pin）2，在60℃下使B2（pin）2與共軛二烯烴發(fā)生反應(yīng)，以高立體選擇性生成了1，4－雙硼化產(chǎn)物，反應(yīng)過(guò)程如圖4所示。該反應(yīng)對(duì)硅醚等官能團(tuán)具有很好的包容性，反應(yīng)過(guò)程不受任何影響。最終水解產(chǎn)物收率能達(dá)到90%以上。

圖4 Ni催化的共二軛烯烴的1，4－雙硼化反應(yīng)Fig.4 The Ni－catalyzed 1，4－diboration of conjugated dienes

Morken課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ni與Pd和Pt不同，只能催化共軛雙烯雙硼化，不能催化苯乙烯等單烯雙硼化；并認(rèn)為該反應(yīng)按其提出的硼氫化機(jī)理進(jìn)行；未對(duì)Ni不同于Pd、Pt的原因給出合理的解釋?zhuān)杂写M(jìn)一步研究。

3 β－硼化反應(yīng)

α，β－不飽和羰基化合物在過(guò)渡金屬催化下發(fā)生的硼化反應(yīng)能順利地將硼基引入到羰基的β位上，因此該反應(yīng)受到了廣大研究者的極大關(guān)注。

2007年，Yorimitsu和 Oshima課題組[15］報(bào)道了Ni（0）配位化合物催化α，β－不飽和酯和酰胺的β－硼化反應(yīng)，該反應(yīng)使用Ni（cod）2配位化合物和磷配體PCy3作催化劑，較好地實(shí)現(xiàn)了二、三、四取代的α，β－不飽和酯和酰胺的β－硼化反應(yīng)，并能得到取代在羰基β碳原子上的硼化一、二、三級(jí)化合物，且反應(yīng)收率較高，反應(yīng)過(guò)程如圖5所示。

圖5 Ni催化的α，β－不飽和酯和酰胺的β－硼化反應(yīng)Fig.5 The Ni－catalyzedβ－borylation of α，β－unsaturated esters and amides

Yorimitsu和Oshima課題組還提出了該反應(yīng)可能的反應(yīng)機(jī)理，認(rèn)為反應(yīng)經(jīng)歷η2－配位、η3－配位、轉(zhuǎn)移金屬化、還原消除及質(zhì)子分解生成β－硼化產(chǎn)物的過(guò)程如圖6所示。

圖6 Ni催化的α，β－不飽和酯和酰胺β－硼化反應(yīng)可能的反應(yīng)機(jī)理Fig.6 The plausible mechanism for Ni－catalyzedβ－borylation ofα，β－unsaturated esters and amides

該工作很好地彌補(bǔ)了貴金屬Pt、Rh、Cu配合物只能催化α，β－不飽和醛酮β位的硼化的局限性，拓寬了底物范圍，應(yīng)用前景更為廣闊。

4 硼化開(kāi)環(huán)反應(yīng)

2009年，Yorimitsu和 Oshima課題組[16］在β－硼化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，報(bào)道了芳基環(huán)丙基酮的硼化開(kāi)環(huán)反應(yīng)。該反應(yīng)在催化劑 Ni（cod）2、配位化合物B2（pin）2和IMes·HCl的作用下以92%的收率得到開(kāi)環(huán)產(chǎn)物硼酸，反應(yīng)過(guò)程如圖7所示。該反應(yīng)因形成官能團(tuán)化的烷基硼酸而具有較廣的用途。

圖7 Ni催化的α，β－不飽和酯和酰胺的硼化開(kāi)環(huán)反應(yīng)Fig.7 The Ni－catalyzed borylative ring－opening reaction of α，β－unsaturated esters and amides

此外，該課題組發(fā)現(xiàn)貴金屬Pd的催化效果遠(yuǎn)低于Ni，因此大大降低了使用成本。而且通過(guò)對(duì)環(huán)丙基進(jìn)行修飾，能夠得到選擇性較好的開(kāi)環(huán)產(chǎn)物，即C－C鍵的斷裂在空間位阻較小的一端進(jìn)行。然而該反應(yīng)只適用于羰基鄰位為吸電子基團(tuán)的底物，對(duì)于鄰位基團(tuán)為富電子基團(tuán)時(shí)很難進(jìn)行。

5 硼化偶聯(lián)反應(yīng)

2008年，Morken課題組[17］首先報(bào)道了 Ni（0）催化劑、磷配體PCy3催化的雙烯及醛的硼化偶聯(lián)反應(yīng)。該反應(yīng)使用THF作溶劑，在室溫下即可反應(yīng)，得到高收率和高立體選擇性的硼化偶聯(lián)產(chǎn)物，反應(yīng)過(guò)程如圖8所示。該反應(yīng)條件對(duì)芳香醛類(lèi)底物特別適用，均能得到較高收率的產(chǎn)物。且反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)控制1，3－戊二烯的構(gòu)型可以發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)以得到反式產(chǎn)物為主，不受底物構(gòu)型的影響?？赡苁强臻g位阻的原因，反式結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

圖8 Ni催化的雙烯、醛和B2（pin）2的硼化偶聯(lián)反應(yīng)Fig.8 The Ni－catalyzed borylative coupling reaction of diene，aldehydes and B2（pin）2

2010年，Morken課題組[18］將磷配體PCy3換成商業(yè)可得的P（SiMe3）3，對(duì)硼化偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。通過(guò)硼氫化、氧化后可以得到不同類(lèi)型的區(qū)域和立體選擇性可控的1，3－二羥基類(lèi)化合物。該條件下芳香醛、雜環(huán)芳香醛及其衍生物均可得到高立體選擇性產(chǎn)物，反應(yīng)過(guò)程及配體對(duì)硼化偶聯(lián)的影響如圖9所示。

圖9 配體對(duì)Ni催化的硼化偶聯(lián)的影響Fig.9 Effect of ligand on Ni－catalyzed borylative coupling reaction

雙硼試劑也能催化酮和雙烯發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。2011年，Morken課題組[19］通過(guò)改變配體實(shí)現(xiàn)了雙烯和酮的硼化偶聯(lián)反應(yīng)。該方法不僅適用于芳香烷基酮也適用于雙烷基酮，且反應(yīng)的區(qū)域選擇性與醛和雙烯的偶聯(lián)有著巨大的差異，當(dāng)?shù)孜餅榉枷慵谆獣r(shí)，得到1，3－二羥基類(lèi)產(chǎn)物；當(dāng)?shù)孜餅殡p烷基酮時(shí)，得到1，5－二羥基化合物。對(duì)此結(jié)果Morken課題組認(rèn)為羰基鄰位基團(tuán)對(duì)產(chǎn)物生成有影響（圖10）。

圖10 羰基鄰位基團(tuán)對(duì)產(chǎn)物的影響Fig.10 Effect of carbonyl ortho group on the products

同時(shí)，Morken課題組對(duì)比了苯乙酮和苯甲醛硼化偶聯(lián)的區(qū)別（圖11），通過(guò)改變底物可控制產(chǎn)物的合成，且產(chǎn)物具有較高的選擇性，對(duì)以后的合成具有重要的指導(dǎo)意義。

圖11 苯乙酮與苯甲醛的硼化偶聯(lián)反應(yīng)Fig.11 Borylative coupling reaction of acetophenone and benzaldehyde

2009年，Cheng課題組[20］報(bào)道了 Ni（0）催化的炔及α，β－不飽和酮的硼化偶聯(lián)反應(yīng)，如圖12所示。

圖12 Ni催化的炔、乙基乙烯酮和B2（pin）2的硼化偶聯(lián)反應(yīng)Fig.12 The Ni－catalyzed borylative coupling reaction of alkynes，ethyl vinyl ketone and B2（pin）2

通過(guò)特定的PnBu3配體和混合溶劑體系，可以得到高區(qū)域選擇性的產(chǎn)物：硼基團(tuán)選擇性加成在帶有取代基的炔烴碳原子上，且產(chǎn)物為順式構(gòu)型。該課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了該反應(yīng)2種可能的機(jī)理，一種如圖13所示，另一種則包括氧化加成、配位、插入及質(zhì)子分解的過(guò)程。

圖13 Ni催化的炔、酮和B2（pin）2的硼化偶聯(lián)反應(yīng)可能的機(jī)理Fig.13 The plausible mechanism for Ni－catalyzed borylative coupling reaction of alkyne，ketone and B2（pin）2

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，基于過(guò)渡金屬Ni催化的硼化反應(yīng)研究取得了一定的進(jìn)展，對(duì)硼氫化反應(yīng)、雙硼化反應(yīng)、β－硼化反應(yīng)、硼化開(kāi)環(huán)反應(yīng)以及硼化偶聯(lián)反應(yīng)等5種類(lèi)型的硼化反應(yīng)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)相關(guān)的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了討論。過(guò)渡金屬Ni催化的大多數(shù)硼化反應(yīng)均具有反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速度快、區(qū)域選擇性高和立體選擇性高等優(yōu)點(diǎn)，為構(gòu)建C－O鍵、C－C鍵、C－N鍵等常見(jiàn)有機(jī)化學(xué)鍵提供了一種簡(jiǎn)潔、高效的方法。因此，研究過(guò)渡金屬Ni配合物催化反應(yīng)的性質(zhì)，進(jìn)一步發(fā)展和完善催化硼化反應(yīng)，是該類(lèi)反應(yīng)今后的發(fā)展熱點(diǎn)和研究方向。

然而，由于目前Ni催化的大多數(shù)硼化反應(yīng)的機(jī)理仍然存在不少爭(zhēng)議，因此在今后的研究中，通過(guò)更為深入的機(jī)理實(shí)驗(yàn)以及理論計(jì)算等工作對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行更深入的探討和研究尤為重要，也將有助于該研究領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展和成果的更廣泛應(yīng)用。

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