碳硼烷硼氫鍵選擇性官能團化的研究進展

李歡歡 燕 紅 蘆昌盛

綜述

碳硼烷硼氫鍵選擇性官能團化的研究進展

李歡歡 燕 紅＊蘆昌盛＊

(南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，配位化學(xué)國家重點實驗室，南京 210023)

由于獨特的三維立體結(jié)構(gòu)、硼含量高、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點，碳硼烷及其衍生物在材料、催化、醫(yī)藥、超分子和配位化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此發(fā)展高效、高區(qū)域選擇性的碳硼烷B-H鍵的官能團化的方法學(xué)備受硼化學(xué)家的關(guān)注。本文對近年來碳硼烷B-H鍵的官能團化的反應(yīng)類型及相關(guān)反應(yīng)機理予以論述，希望為后續(xù)研究提供可靠的參考。

碳硼烷；B-H鍵官能團化反應(yīng)；區(qū)域選擇性；過渡金屬

0 引 言

二碳代十二硼烷是一類二十面體構(gòu)型的硼簇化合物，簡稱碳硼烷。由于碳原子排列位置不同，碳硼烷存在3種異構(gòu)體：鄰位(ortho)、間位(meta)、對位(para)-碳硼烷(Scheme 1)。前兩種分子具有一定的C2v對稱性；后者則具有D5d對稱性[1]。在惰性氛圍下，鄰位-碳硼烷加熱至475℃時可以生成間位-碳硼烷，650℃時可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷ξ?碳硼烷[2]。碳硼烷由于具有獨特的幾何結(jié)構(gòu)、高硼含量、生物低毒性以及良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定等特點，在材料[3]、催化[4]、生物醫(yī)藥[6]、超分子和配位化學(xué)[7]等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。因此，對碳硼烷進行選擇性官能團化從而得到功能性分子，一直以來都是硼化學(xué)家關(guān)注的研究熱點。

圖示1 C2B10Hl2的異構(gòu)體及熱重排[2]Scheme 1 Isomers of carborane and thermal isomerization[2]

然而碳硼烷B-H鍵極性弱，10個B-H鍵電子云密度分布、化學(xué)環(huán)境都不同，而且每個B-H鍵表現(xiàn)的反應(yīng)性也不一樣[8]，因此相對于碳硼烷碳端化學(xué)修飾而言，硼端修飾更具有挑戰(zhàn)性。近年來，碳硼烷B-H鍵的官能團化已經(jīng)取得了迅猛的發(fā)展，本文詳細介紹一些已經(jīng)實現(xiàn)B-H鍵官能化的例子。

1 B-H鍵活化

1.1 親電取代反應(yīng)實現(xiàn)B-H鍵活化

由于碳硼烷的26個骨架電子高度離域，因此它可以看作是三維的無機苯類似物，可以像平面芳香烴一樣進行親電取代反應(yīng)。一般來講，親電取代反應(yīng)優(yōu)先發(fā)生在電子云密度較高的位置上。在碳硼烷結(jié)構(gòu)中，2個碳原子的電負性較大而吸引、誘導(dǎo)電子，導(dǎo)致距離碳原子越遠的B原子的電子云密度越大[9]；因此親電取代順序依次為B(9，12)＞B(8，10)＞B (4，5，7，11)。需要指出的是，該親電取代反應(yīng)不適用于B(3)、B(6)兩個位置的官能團化[10]，因為二者距離2個碳原子最近，電子云密度最低。

例如：在AlCl3作用下，鄰-碳硼烷與碘甲烷或溴乙烷[11a]發(fā)生Friedel-Crafts親電取代反應(yīng)，可生成單、雙甚至八取代烷基化碳硼烷 (Scheme 2)。Hosmane[11b]將反應(yīng)條件進一步拓展，一些含有強吸電子基團包括NO2、C(O)OMe、C(O)OPh的烷基鹵代烴都可以轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的碳硼烷衍生物。

圖示2 鄰-碳硼烷分步親電烷基化反應(yīng)[11a]Scheme 2 Stepwise electrophilic alkylation of o-carborane[11a]

在AlCl3作用下，鄰-碳硼烷與硫粉均勻混合，在無溶劑密封管中加熱至100～160℃反應(yīng)12 h，反應(yīng)混合物經(jīng)還原、酸化處理可以得到9-巰基碳硼烷，9，12-二巰基碳硼烷，8，9，12-三巰基碳硼烷的混合物[12](Scheme 3)。其中，反應(yīng)溫度的影響非常顯著，溫度越高，三巰基化產(chǎn)物越多。

圖示3 碳硼烷硫醇的合成[12]Scheme 3 Synthesis of carborane thiols[12]

鄰-碳硼烷與I2單質(zhì)在AlCl3作用下生成 9-I-碳硼烷[13a]；如果使用擬鹵代物ICl作為碘源，可以實現(xiàn)八碘代得到4，5，7，8，9，10，11，12-I8-碳硼烷[10,13b]；溴、氯代碳硼烷也可以通過親電反應(yīng)實現(xiàn)[14]。但是，3/6-X2-o-C2B10H10(X=I，Br)無法通過此類反應(yīng)實現(xiàn)，而是通過巢式碳硼烷二價陰離子與BX3反應(yīng)來完成[15](Scheme 4)。

圖示4 碳硼烷3/6-X2-o-C2B10H10(X=I,Br)的合成[15]Scheme 4 Synthesis of 3/6-X2-o-C2B10H10(X=I,Br)[15]

1.2 親核取代反應(yīng)實現(xiàn)B-H鍵活化

根據(jù)碳硼烷籠子中電子云密度分布的情況分析：硼端傾向于發(fā)生親電取代反應(yīng)，則無法進行親核取代反應(yīng)。但是，當硼端連有易離去基團時，親核取代反應(yīng)就變成可能。例如，1968年，Zakharkin[16a-b]首先將3-NH2-o-C2B10H11重氮化得到重氮鹽[3-N2-o-C2B10H11]Cl，然后在等量銅鹽CuX作用下順利發(fā)生Sandmeyer或Schiemann反應(yīng)，得到B(3)位鹵化或羥基化產(chǎn)物 (Scheme 5)。值得強調(diào)的是，3-NH2-o-C2B10H11是合成碳硼烷胺基化合物最重要、最基礎(chǔ)的反應(yīng)砌塊[16c-g]，如Scheme 6所示。

圖示5 3-NH2-o-C2B10H11參與的Sandmeyer或Schiemann反應(yīng)[16a-b]Scheme 5 Sandmeyer or Schiemann reaction involving 3-NH2-o-C2B10H11[16a-b]

圖示6 鄰-碳硼烷B(3)位胺基化反應(yīng)[16c-g]Scheme 6 Amination of cage B(3)-H bond in o-carborane[16c-g]

圖示7 [3-N2-o-C2B10H11][BF4]參與的反應(yīng)[16h]Scheme 7 Reaction involving[3-N2-o-C2B10H11][BF4][16h]

2016年，謝作偉教授改進上述反應(yīng)條件，得到了更加穩(wěn)定的重氮鹽 [3-N2-o-C2B10H11][BF4](Scheme 7)。在無金屬參與的情況下，它與親核試劑例如CN-、X-、OH-、SCN-、N3-、[PO(C6H5)2]-等很快就會發(fā)生反應(yīng)(5 min內(nèi)反應(yīng)完全)，得到一系列B(3)取代的產(chǎn)物[16h]；而且收率高、反應(yīng)條件簡便，這為碳硼烷B(3)位功能化提供了新的思路和方法。他們認為：此反應(yīng)過程中，N2的釋放是決速步驟，隨之生成的活性boronium中間體由于獨特的p空軌道，很容易被親核試劑捕獲。

此外，Grush課題組[16i]通過高價碘試劑[9-o-C2B10H11IPh]BF4與親核試劑反應(yīng)也可以高選擇性地得到B(9)取代的產(chǎn)物(Scheme 8)。但是，此類反應(yīng)的產(chǎn)率并不是很理想，這是因為[9-o-C2B10H11IPh]BF4非常不穩(wěn)定，很容易被一些弱堿例如水、乙醇等破壞，碳硼烷籠發(fā)生脫硼反應(yīng)，籠子瓦解。

圖示8 [9-o-C2B10H11IPh]BF4參與的反應(yīng)[16i]Scheme 8 Reaction involving[9-o-C2B10H11IPh]BF4[16i]

值得強調(diào)的是，這幾個反應(yīng)也是合成鹵代碳硼烷的有效途徑。另外，碘代碳硼烷是碳硼烷硼端功能化最重要、最基礎(chǔ)的合成子，關(guān)于這部分內(nèi)容參見下一節(jié)介紹。

1.3 過渡金屬催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)B-H鍵活化

前面介紹的Friedel-Crafts親電取代反應(yīng)盡管很便捷，但是區(qū)域選擇性比較差，往往得到的是不同程度取代的產(chǎn)物混合物，從而增加了后續(xù)純化操作的難度及成本。早在1982年，Zakharkin[17a]首先利用Kumada偶聯(lián)反應(yīng)來解決B-H活化位點選擇性的問題(Scheme 9)。這類反應(yīng)通過預(yù)先合成的9-I-o-C2B10H11與合適的Grignard試劑在零價鈀催化下的偶聯(lián)反應(yīng)，從而得到B(9)取代的碳硼烷衍生物，例如烷基[17b-c]、烯烴[17d]、炔[17e-f]、苯基[17g]碳硼烷等。 同樣，B(3)位官能團化[17h-i]也可以通過 3-I-o-C2B10H11與Grignard試劑的偶聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)。

圖示9 第一例Kumada反應(yīng)形成B-C鍵[17]Scheme 9 First Kumada-type reaction to form B-C bonds[17]

2010年，Endo[18]利用Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)，以3-I-o-C2B10H11和苯硼酸在Pd(PPh3)4的催化作用下，生成B(3)位芳基取代的碳硼烷衍生物，并且反應(yīng)有良好的官能團容忍性，例如含-OCH3、-NO2、-CHO、-CN的苯硼酸底物都適用該反應(yīng)條件(Scheme 10)。但是，如果使用9-I-o-C2B10H11和苯硼酸在相同條件下反應(yīng)，完全得不到偶聯(lián)產(chǎn)物。

圖示10 Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)B-aryl偶聯(lián)[18]Scheme 10 Suzuki-Miyaura coupling reaction to form B-aryl bonds[18]

2012年，Spokoyny[19]首先利用間-碳硼烷和 I2單質(zhì)合成 9-I-m-C2B10H11，再使其與有機膦試劑HPR2在Pd2dba3/DIPPF(DIPPF=1，1′-雙(二異丙基膦)二茂鐵)組合催化體系的作用下，實現(xiàn)了B-P鍵的構(gòu)建(Scheme 11)。

圖示11 Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)構(gòu)建B-P鍵[19]Scheme 11 Suzuki-Miyaura coupling reaction to form B-P bonds[19]

另外，還可以通過零價鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)[20]構(gòu)建B-N或B-S鍵等(Scheme 12～13)。

圖示12 Buchwald-Hartwig反應(yīng)構(gòu)建B-N鍵[20a]Scheme 12 Buchwald-Hartwig reaction to form B-N bonds[20a]

圖示13 鈀催化反應(yīng)構(gòu)建B-S鍵[20d]Scheme 13 Pd-catalyzed reaction to form B-S bonds[20d]

與碘代碳硼烷相比，溴、氯代碳硼烷很少被用于交叉偶聯(lián)反應(yīng)，主要是因為碘代碳硼烷的活性最高，而溴、氯代碳硼烷活性相對比較低，往往需要特殊的配體或者更加苛刻的條件。2016年，Spokoyny[21]使用9-Br-m-C2B10H11與胺或醇類等親核試劑在Pd物種的催化下，實現(xiàn)了B-N鍵、B-O鍵和B-CN鍵的偶聯(lián)，如Scheme 14所示。其中[L1Pd]與[L3Pd]2個物種完全沒有催化活性，而[L2Pd]物種則表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化活性，大大提高了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。同時在此工作中，B-Br鍵比B-I鍵表現(xiàn)得更活潑，反應(yīng)效果更佳。

圖示14 通過鈀催化9-Br-m-C2B10H11的偶聯(lián)反應(yīng)構(gòu)建B-N鍵、B-O鍵和B-CN鍵[21]Scheme 14 B-N,B-O,and B-CN bond formation via palladium-catalyzed cross-coupling reaction of 9-Br-m-C2B10H11[21]

這2個例子均使用鹵代的間位-碳硼烷，這是因為間位-碳硼烷在堿性條件下很穩(wěn)定，不易發(fā)生脫硼反應(yīng)。

以上偶聯(lián)反應(yīng)都是從B(3/9)-鹵代碳硼烷起始原料出發(fā)，定位實現(xiàn)了B-C鍵、B-N鍵、B-O鍵、B-P鍵的偶聯(lián)。但是，局限性仍存在：需要額外的步驟對碳硼烷底物進行預(yù)活化，這降低了反應(yīng)效率，不符合原子經(jīng)濟性、步驟經(jīng)濟性。同時，其他位點的B-H鍵官能化的例子幾乎沒有報道。

1.4 金屬誘導(dǎo)B-H鍵活化

由于16e/17e半夾心式碳硼烷金屬配合物結(jié)構(gòu)中含有五元MC2E2或MB2E2(E=S、Se；M=Co、Rh、Ir、Ru)類芳香金屬雜環(huán)[22]，其中金屬中心配位尚未飽和，而且M-E鍵具有極性，易被有機小分子插入，五元環(huán)則被破壞，迫使金屬中心在空間位置上更容易接近B-H鍵，從而實現(xiàn)B-H鍵的選擇性功能化。在此方面，Kang、Herberhold、金國新和燕紅課題組都做了大量優(yōu)秀的工作[23]。

例如1999年，Herberhold課題組[23a]通過不飽和的含雙齒硫族碳硼烷配體的過渡金屬化合物{Cp*Ir (E2C2B10H10)}(E=S、Se)與缺電子炔烴反應(yīng)，獲得了單、雙烯基功能化產(chǎn)物(Scheme 15)。通過分離表征重要的中間體，推理驗證了反應(yīng)機理，其中含Ir-H-B，Ir-B鍵的中間體是該反應(yīng)的核心。

2013年，燕紅課題組[23k]報道了利用16e化合物{CpIr(S2C2B10H10)}與炔烴在室溫下反應(yīng)，得到B(3)降冰片烯類取代的新穎產(chǎn)物(Scheme 16)。其中2個關(guān)鍵的順磁性含降冰片烯取代基的17e中間體(化合物2、3)的分離及結(jié)構(gòu)表征對理解化學(xué)反應(yīng)性起了至關(guān)重要的作用。并且DFT計算結(jié)果表明：反應(yīng)經(jīng)歷了炔烴插入Co-S鍵，B-H鍵活化，Cp配位模式(從η5到η4，η3，η2及η1)轉(zhuǎn)化，B-Cp形成以及Cp參加的Diels-Alder反應(yīng)的歷程(Scheme 17)。

基于單金屬誘導(dǎo)活化B-H鍵的工作基礎(chǔ)，燕紅課題組將“雙金屬協(xié)同誘導(dǎo)效應(yīng)”[23l]應(yīng)用于B-H鍵活化，成功得到了B(8)甲氧基、羥基甚至氯化的產(chǎn)物(Scheme 18)，為B(8)官能化提供了有力的借鑒思路。同時，核磁跟蹤實驗也捕獲到了含Rh-H-B、Rh-B和Rh-H-Rh鍵的重要中間體。與單金屬體系相比，雙金屬體系非常有利于降低反應(yīng)能壘。

在此之前，金國新課題組也報道過雙核或者多核金屬誘導(dǎo)B-H鍵活化[23m-n]的工作。如Scheme 19所示[23m]，16e化合物{Cp*Ir(S2C2B10H10)}與一價金屬化合物[Rh(COD)(μ-OMe)]2在甲苯-甲醇混合溶劑中反應(yīng)，得到了3種含金屬-金屬鍵的雙核化合物，其中一個金屬誘導(dǎo)毗鄰的B(3/6)-H鍵活化，進而實現(xiàn)其甲氧基化或金屬化反應(yīng)。值得注意的是，在化合物Ⅰ中，Rh…B(3)的距離為0.297 0 nm，并沒有發(fā)生金屬誘導(dǎo)的B(3)-H鍵活化反應(yīng)；但是B(3)頂點趨向脫除的可能性變大。這3種產(chǎn)物的差別可能與金屬中心價態(tài)的變化有關(guān)。

圖示15 過渡金屬銥誘導(dǎo)B(3,6)-H選擇性烯基化的反應(yīng)機理[23a]Scheme 15 Reaction mechanism of transition metal Ir-induced B(3,6)-H selective alkenylation[23a]

圖示16 過渡金屬鈷誘導(dǎo)碳硼烷B(3)-H鍵降冰片烯基化[23k]Scheme 16 Boron norbornyl carborane moieties via transition metal Co-induced B(3)-H selective activation[23k]

圖示17 DFT研究碳硼烷B(3)降冰片烯基化產(chǎn)物的形成機理[23k]Scheme 17 DFT study into the formation of B(3)norbornyl carborane moieties[23k]

圖示18 雙金屬協(xié)同誘導(dǎo)B(8)-H活化[23l]Scheme 18 Bimetal induced B(8)-H bond activation[23l]

圖示19 金屬誘導(dǎo)B(3/6)-H活化[23m]Scheme 19 Metalinduced B(3/6)-H bond activation[23m]

盡管單、多核金屬誘導(dǎo)碳硼烷B-H鍵活化的策略發(fā)展比較成熟，但是仍然存在一些局限性，限制了其應(yīng)用。例如：反應(yīng)使用當量的過渡金屬催化劑，成本高，反應(yīng)完成后金屬很難從產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中脫除；功能化基團的種類有限；含M-B鍵中間體對空氣和水十分敏感，很難分離表征。

1.5 導(dǎo)向的金屬誘導(dǎo)的B-M鍵形成

圖示20 低價態(tài)金屬對B(3)-H鍵的氧化加成[24]Scheme 20 Oxidation-addition of low state metal at B(3)-H bond[24]

早在20世紀70年代，Hawthorne課題組[24a]在碳硼烷單膦配體和低價態(tài)[Ir(C8H14)2Cl]2在環(huán)己烷的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了四元環(huán)金屬產(chǎn)物(Scheme 20a)，這個高張力的四元環(huán)非常穩(wěn)定，截至目前，仍沒有后續(xù)官能化的報道。作者通過H/D交換實驗證明：Ir-H鍵中的H來自B-H，并非是C-H。那么，B(3/6)位和B (4/5)位哪個更有可能發(fā)生活化?理論上，低價金屬中心應(yīng)選擇性地親電加成到B(4/5)位上。但是，該課題組后續(xù)的實驗[24b]表明B(3/6)位發(fā)生活化的可能性最大(Scheme 20b)，他們使用3，6-D2-1，2-C2B10H10進行了氘代對照實驗，核磁結(jié)果表明產(chǎn)物中存在Ir-D鍵的信號，更加證明了反應(yīng)活化的位點為B(3/6)位。

2011年，俄國的Kozhevnikov團隊[25]利用三齒碳硼烷2，2′-聯(lián)吡啶配體(B^N^N)和氯鉑酸鉀反應(yīng)得到了2種新型的五元環(huán)鉑產(chǎn)物(Scheme 21)。由于其剛性的螯合結(jié)構(gòu)，這種產(chǎn)物在77 K低溫下的2-甲基四氫呋喃(MTHF)薄膜中發(fā)磷光。DFT計算表明這種磷光發(fā)射來源于3MLCT激發(fā)態(tài)。

2014年初，金國新課題組[26a]分別利用鄰、間、對位-碳硼烷二羧酸與吡嗪橋連的Cp*Ir化合物在相同的實驗條件下發(fā)生自組裝，得到了基于B-H活化構(gòu)筑的金屬有機大環(huán)化合物和離子型的雙核銥化合物(Scheme 22)。由于鄰、間、對碳硼烷電子云密度分布的差異，導(dǎo)致產(chǎn)物中B-H活化位點也不一樣。

2017年，金國新課題組[26b]利用偶氮碳硼烷與當量的[Cp*IrCl2]2在堿性條件下反應(yīng)得到基于B(3)-H活化的新型五元環(huán)銥化合物，其中碳硼烷C-H鍵并沒有受到影響(Scheme 23)。

圖示21 剛性的五元環(huán)鉑產(chǎn)物[25]Scheme 21 Rigid pentacyclo-platinum complex[25]

圖示22 基于B-H活化構(gòu)筑的金屬有機化合物[26a]Scheme 22 Construction of organometallic compounds based on the B-H bond activation[26a]

圖示23 偶氮導(dǎo)向B(3)-H鍵金屬化[26b]Scheme 23 Azo-directed B(3)-H bond metallization[26b]

2 B-H鍵選擇性活化及官能化

2.1 非導(dǎo)向的金屬催化B-H鍵選擇性活化及官能化

1988年，Sneddon[27]直接使用鄰-碳硼烷與丙炔(烯基源)在5%(n/n)[Cp*IrCl2]2、質(zhì)子海綿催化體系的作用下，1，2-二氯乙烷中回流2 d才得到B(3)位烯烴化產(chǎn)物(40%)，其中烯烴為反式構(gòu)型 (Scheme 24)。這是第一例沒有導(dǎo)向基參與的過渡金屬催化B-H鍵活化。

2013年，謝作偉課題組[28]報道了使用N-F吡啶鹽作為親電氟化試劑，與碳硼烷在離子型 Pd(MeCN)4(BF4)2催化作用下，得到了高區(qū)域選擇性的B(8，9，10，12)-四氟取代的產(chǎn)物(Scheme 25)。

圖示25 鈀催化的B-H鍵選擇性氟化反應(yīng)[28]Scheme 25 Palladium catalyzed selective tetra-fluorination of cage B-H bond[28]

圖示26 鈀催化的B(8/9)-H鍵芳基化及反應(yīng)機理[29a]Scheme 26 Palladium catalyzed B(8/9)-H bond arylation and the proposed reaction mechanism[29a]

圖示27 鈀催化B-H鍵烯基化及乙酰氧化[29b-c]Scheme 27 Palladium catalyzed selective alkenylation and acetoxylation of cage B-H bond[29b-c]

圖示28 通過位阻效應(yīng)調(diào)控B-H鍵選擇性活化[30a]Scheme 28 Site-selectivity of B-H bond activation controlled by the steric effects[30a]

圖示29 通過位阻效應(yīng)調(diào)控B-H鍵選擇性硼基化反應(yīng)[30b]Scheme 29 Site-selectivity of B-H bond borylation controlled by the steric effects[30b]

2015年，曹克課題組[29a]報道了碳端取代碳硼烷和碘苯在10%(n/n)Pd(OAc)2催化下反應(yīng)，得到B(8)和B(9)芳基化產(chǎn)物混合物(Scheme 26)，同樣仍然面臨產(chǎn)物混合物難以分離的問題。碳硼烷碳端取代基對產(chǎn)率有一定的影響。作者認為：活性Cb-Pd-OAc中間體(Ⅰ)的生成是Pd催化劑對碳硼烷籠親電進攻的過程(優(yōu)先發(fā)生在B(9，12)位，其次是B (8，10)位)；隨后碘苯對Ⅰ氧化加成形成Pd中間體(Ⅱ)，最后還原消除得到目標產(chǎn)物和I-Pd-OAc(Ⅲ)，此物種是沒有活性的，需要當量Ag+鹽重新生成活性的Pd催化劑進入催化循環(huán)。

此后，該課題組相繼報道一些類似的研究成果[29b-c](Scheme 27)。

我們認為上述反應(yīng)中B-H鍵活化的位點選擇性，是由碳硼烷特殊電子效應(yīng)決定的。當目標分子碳硼烷母體上沒有導(dǎo)向基存在時，B-H鍵的位點選擇性也可以通過位阻效應(yīng)來調(diào)控[30]。如Scheme 28所示，當R1=H時，主要得到了B(3)位芳基化產(chǎn)物(81%)，GC結(jié)果顯示還有13%B(4)位芳基化產(chǎn)物。當碳硼烷碳端引入位阻較小的甲基(R1=CH3)時，由于受到空間位阻的擠壓，反應(yīng)只選擇性地發(fā)生在B(4)位，最后得到了單一的B(4)芳基化產(chǎn)物。

2017年4月，謝作偉課題組以一價銥[(COD) IrCl]2作為催化劑，聯(lián)硼酸頻那醇酯(B2Pin2)作為硼源，實現(xiàn)了鄰-碳硼烷B(3，6)-H鍵的雙硼基化反應(yīng)。通過在鄰-碳硼烷的碳端引入大位阻硅基來阻斷B (3，6，7，11)位的可能反應(yīng)，進一步實現(xiàn)了高位點選擇性的B(4)位硼基化過程[30b]，如Scheme 29所示。

2.2 導(dǎo)向基輔助的過渡金屬催化B-H鍵選擇性活化及官能化

在前面幾類B-H鍵活化策略的介紹中，關(guān)于鄰-碳硼烷B(4，5，7，11)4個位點活化的研究很少有成功的報道。據(jù)文獻調(diào)研，羧基是一個配位能力比較弱的導(dǎo)向基，而且在完成導(dǎo)向作用后可以有效脫除，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于C(sp2/sp3)-H鍵的選擇性活化及官能化[31]，因此羧基導(dǎo)向基備受大家的關(guān)注。

2014年，謝作偉課題組[32a]首次將羧基引入鄰-碳硼烷作為導(dǎo)向基團，成功地實現(xiàn)了B(4)-H鍵選擇性烯基化反應(yīng)，如Scheme 30所示。這是碳硼烷B-H鍵活化研究領(lǐng)域的重要突破。作者認為可能反應(yīng)機理是：中性催化劑[Cp*IrCl2]2與M(OAc)n通過配體交換得到具有高催化活性的Cp*Ir(OAc)2催化劑；然后與碳硼烷羧酸底物作用形成中間體A，再經(jīng)過硼氫鍵選擇性活化后形成環(huán)金屬中間體B，接著炔烴插入Ir-B鍵得到七元環(huán)銥物種C，接下來可以發(fā)生如下歷程：C經(jīng)過雙質(zhì)子化后釋放活性銥催化劑重新進入下一個催化循環(huán)，同時也得到了羧基保留的烯烴化產(chǎn)物D，經(jīng)過脫羧得到最終產(chǎn)物3；另外，C也可以經(jīng)由還原消除得到副產(chǎn)物3′。

為了證實這種假設(shè)，作者還制備并分離了環(huán)金屬中間體B(DMSO)，并且進一步通過X-射線單晶衍射確定了它的結(jié)構(gòu)，有力地證明是B(4)-H鍵發(fā)生了活化，其中Ir-B鍵鍵長為0.212 9(7)nm。緊接著，作者直接使用B(DMSO)與炔烴在相同的實驗條件反應(yīng)，仍然能夠得到相應(yīng)的產(chǎn)物，由于DMSO配體存在，產(chǎn)率相對有所降低，但足以說明B(DMSO)就是該反應(yīng)的關(guān)鍵中間體。

由于環(huán)金屬化合物可以和炔烴、烯烴、鹵代苯等底物發(fā)生插入、氧化加成、還原消除等過程，從而引入相應(yīng)的功能基團。隨后，該課題組相繼報道了碳硼烷B-H鍵的選擇性雙烯基化、雙芳基化、炔基化及雜芳基化(噻吩環(huán))反應(yīng)等等[32b-e]，如Scheme 31所示。

2016年，謝作偉課題組發(fā)展了用氧氣或者空氣作為氧源和氧化劑，在[Cp*RhCl2]2的催化下，簡單綠色地制備B(4)-羥基化碳硼烷的方法[32f]。該反應(yīng)操作十分簡單，不需要額外的助氧化劑和添加劑。其反應(yīng)機理如Scheme 32所示：底物1和乙酸鉀發(fā)生酸堿交換生成相應(yīng)的羧酸鹽1′，進而與銠金屬中心配位，形成硼氫鍵選擇性金屬化的中間體A。然后，氧插入Rh-B鍵中形成七元環(huán)金屬化合物B；再經(jīng)質(zhì)子化后生成過氧化物C，同時釋放Cp*RhCl2進入催化循環(huán)。最后，C分解、脫羧得到目標產(chǎn)物2。18O2同位素標記對照實驗的結(jié)果揭示了產(chǎn)物中的氧原子來自于氧氣。并且MALDI-TOF-MS(基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜)成功檢測到了關(guān)鍵中間體B，18O2對照實驗也進一步證明了該中間體。為了體現(xiàn)產(chǎn)物的重要性，作者對2進行了一系列后續(xù)多樣化衍生。如Scheme 33所示：羥基可以很方便地轉(zhuǎn)化成三氟甲磺酸、酯、醚等。

圖示30 羧基導(dǎo)向碳硼烷B(4)-H鍵的選擇性烯基化及反應(yīng)機理[32a]Scheme 30 Carboxyl directed selective alkenylation of cage B(4)-H bond in o-carborane and the proposed reaction mechanism[32a]

圖示31 羧基導(dǎo)向碳硼烷B-H鍵的選擇性雙烯基化、雙芳基化、炔基化[32b-e]Scheme 31 Carboxyl directed selective dialkenylation,diarylation and alkynylation of cage B-H bond in o-carborane[32b-e]

圖示32 羧基導(dǎo)向碳硼烷B(4)-H鍵的選擇性羥基化及反應(yīng)機理[32f]Scheme 32 Carboxyl directed selective hydroxylation of cage B(4)-H bond in o-carborane and the reaction mechanism[32f]

2016年9月，謝作偉課題組[32g]使用O-benzoylhydroxylamines類底物作氮源、Pd(OAc)2作催化劑，實現(xiàn)了碳硼烷B(4)胺基化反應(yīng)，得到了三級胺化合物(Scheme 34)。產(chǎn)物還可以進一步衍生化，在Pd/C、pH2=101.325 kPa條件下得到4-氨基碳硼烷，該化合物是很重要的中間體，可用于合成B(4)胺基化合物。此外，作者使用磺酰疊氮底物實現(xiàn)了碳硼烷B (4)磺酰胺化反應(yīng)，并提出反應(yīng)很可能經(jīng)歷Ru=N中間體。幾乎同時，燕紅課題組也報道了該反應(yīng)，與前者不同的是：使用[Cp*IrCl2]2/AgNTf2催化體系，反應(yīng)效果高，具有廣泛的底物普適性和良好的官能團容忍性。除此之外，該課題組還使用芳基疊氮、脂肪性疊氮作氮源，首次在碳硼烷 B(4)位成功引入芳基胺基、烷基胺基功能化基團[33](Scheme 35)。該反應(yīng)不需要添加額外的氧化劑、配體等，是對合成碳硼烷胺基化合物的重要補充。

圖示33 碳硼烷羥基衍生物2的后續(xù)官能團化[32f]Scheme 33 Sequential functionalization of compound 2[32f]

圖示34 羧基導(dǎo)向碳硼烷B(4)-H鍵的選擇性胺化反應(yīng)[32g]Scheme 34 Carboxyldirected selective amination of cage B(4)-H bond in o-Carborane[32g]

圖示35 羧基導(dǎo)向碳硼烷B(4)-H鍵的選擇性磺酰胺化及芳基、烷基胺化反應(yīng)[33]Scheme 35 Carboxyl directed selective sulfonamidation,aryl-and alkyl-aminaion of cage B(4)-H bond in o-carborane[33]

2.3 光驅(qū)動的B-H鍵選擇性活化及官能化

可見光催化作為有機合成領(lǐng)域備受關(guān)注的策略之一，被廣泛應(yīng)用于過渡金屬和光催化劑介導(dǎo)的C-C鍵和C-X鍵形成。但是在碳硼烷化學(xué)領(lǐng)域，可見光催化B-H鍵直接官能團化的策略運用得非常少。1983年，Jones Jr[34]直接使用碳硼烷和重氮乙酸乙酯作底物、全氟苯作溶劑，在光照的條件下得到了4種不同B-H鍵插入的產(chǎn)物，這4種產(chǎn)物可以通過GC完全分離開。核磁結(jié)果表明產(chǎn)物中仍然存在C-H鍵的質(zhì)子信號，基本可以判斷B-H鍵發(fā)生了活化(Scheme 36)。這是第一例光驅(qū)動的B-H鍵選擇性活化。然而，這類自由基反應(yīng)具有位點不易控制的缺點，這可能與卡賓的激發(fā)態(tài)有關(guān)。

2016年，謝作偉[35]報道了一例光催化的B-H鍵直接(雜)芳基化反應(yīng)(Scheme 37)。使用有機小分子光敏劑eosin Y作為催化劑，重氮鹽[3-N2-o-C2B10H10] [BF4]和(雜)芳基芳烴在室溫、12 W LED(530 nm)綠光光源的條件下可以直接發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。如果不存在光源或光敏劑，反應(yīng)就不能發(fā)生。值得指出的是，該反應(yīng)不需要金屬共催化劑、氧化劑；而且條件溫和、操作簡便，具有很好的官能團兼容性，這也為B (3)-(雜)芳基化物的合成提供了新思路。反應(yīng)機理如下：光敏劑eosin Y在綠光的激發(fā)下，生成激發(fā)態(tài)的eosin Y*；化合物[3-N2-o-C2B10H10][BF4]1在eosin Y*作用下發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移(SET)釋放N2后生成碳硼烷硼自由基 A(o-C2B10H11·)；與此同時，雜環(huán)芳烴2直接與之加成，生成去芳香化的自由基中間體B；然后，中間體B在自由基陽離子eosin Y·+的氧化作用下(path a)或者直接經(jīng)歷自由基鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)(path b)生成中間體C，最后再脫除質(zhì)子得到目標產(chǎn)物3。另外，往反應(yīng)體系中加入自由基捕獲劑TEMPO時，可以得到碳硼烷硼自由基A與TEMPO的加成產(chǎn)物4，從而表明該反應(yīng)經(jīng)由自由基歷程。

圖示36 Buchner-Curtius反應(yīng)構(gòu)建B-C鍵[34]Scheme 36 Construction of B-C bond via Buchner-Curtius reaction[34]

圖示37 光催化下B(3)-H鍵直接(雜)芳基化的反應(yīng)[35]Scheme 37 Photocatalysis direct(hetero)arylation of cage B(3)-H bond in o-carborane[35]

3 結(jié)論與研究展望

綜上所述，B-H鍵的活化可以通過過渡金屬或光催化來實現(xiàn)。B-H鍵活化的位點選擇性可以通過特殊的電子效應(yīng)、空間位阻、導(dǎo)向基團等策略來調(diào)控。其中，近年來發(fā)展的過渡金屬催化、導(dǎo)向基輔助導(dǎo)向的策略是最具潛力的方法之一，為碳硼烷或其他硼烷硼氫鍵選擇性官能團化提供了重要的借鑒。其核心特點是利用導(dǎo)向基與過渡金屬通過環(huán)金屬化選擇性地活化B-H鍵，從而解決了以往B(4，5)位置的官能化問題。目前已經(jīng)成功實現(xiàn)了B-X鍵(C、N、O)的轉(zhuǎn)化，但是，其他類型的硼雜鍵還尚未開發(fā)，因此，仍然有必要設(shè)計新的導(dǎo)向基或者合適的底物豐富碳硼烷化學(xué)。

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Progress in Selective B-H Bond Functionalization of Carborane

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(State Key Laboratory of Coordination Chemistry,Schoolof Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China)

Owing to the useful properties such as three-dimensional geometric structure,enriched boron content, thermal and chemical stabilities,caboranes have been widely applied in the fields of materials,catalysis, medicine,supramolecules,coordination chemistry,etc.Therefore,much attention has been paid to develop efficient and regioselective methodologies for direct cage B-H bond functionalization of carborane.In this review, the reaction categories and mechanisms about diverse cage B-H bond functionalization of carborane have been summarized,which might offer useful references for future research.

caboranes;cage B-H bond functionalization;regioselectivity;transition metal

O613.8+1

A

1001-4861(2017)08-1313-17

10.11862/CJIC.2017.166

2017-03-19。收修改稿日期：2017-05-11。

國家自然科學(xué)基金(No.21472086，21531004)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(No.2013CB922101)資助項目。＊

。E-mail：hyan1965@nju.edu.cn，luchsh@nju.edu.cn

圖示24 銥催化的B(3)-H鍵選擇性烯基化[27]

Scheme 24 Iridium catalyzed B(3)-H bond selective alkenylation[27]