端炔的硼化-遷移加成-氧化和硼化-氧化

楊占會，陳洋

北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院有機(jī)化學(xué)系，北京 100029

硼氫化-氧化是一個非常經(jīng)典的有機(jī)反應(yīng)，具有很高的合成應(yīng)用價值，在很多年前就被寫入基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教材中。端烯和端炔可與硼烷發(fā)生連續(xù)三次順式、反馬氏加成，分別得到三烷基硼烷和三烯基硼烷，隨后再用堿性過氧化氫氧化，得到相應(yīng)的伯醇或醛(圖1a，1b)。端烯和端炔的硼氫化-氧化是國內(nèi)外教材的重點講授內(nèi)容[1,2]。本文在上述知識的基礎(chǔ)上，介紹端炔的兩類新型反應(yīng)——硼化-遷移加成-氧化和硼化-氧化[3]，希望能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)起到發(fā)散性的啟發(fā)作用，為有機(jī)化學(xué)教學(xué)提供參考和借鑒。

硼化-遷移加成-氧化[3]的反應(yīng)過程如圖1c所示。端炔在強(qiáng)堿存在下，生成炔負(fù)離子，再與三烷基硼烷發(fā)生硼化反應(yīng)，得到炔基硼負(fù)離子；得益于硼負(fù)離子的推電子作用(超共軛效應(yīng))，炔基的另一端(β-位)具有較強(qiáng)的親核性，易與親電試劑發(fā)生加成反應(yīng)；同時，硼原子上的烷基R2發(fā)生1,2-遷移，加成到炔基的α位，得到烯基硼化物；最后用氧化劑處理，得到酮。端炔的硼化-氧化如圖1d所示，炔基負(fù)離子與硼酸酯發(fā)生親核取代反應(yīng)，得到炔基硼酸酯；在親核試劑存在下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成羧酸或其衍生物。上述兩類反應(yīng)可通過一鍋法的形式進(jìn)行。需要注意的是，與炔基三烷基硼負(fù)離子不同，烷基硼、烯基硼和炔基硼中的親核位點是α-位(圖1)。

圖1 端烯和端炔的硼氫化-氧化(a，b)，端炔的硼化-遷移加成-氧化(c)和硼化-氧化(d)

圖2給出了端炔1的四種硼化-遷移加成-氧化反應(yīng)，產(chǎn)物為酮和酯；這些反應(yīng)均可使用一鍋法操作。Brown課題組[4]以鹽酸為親電試劑，成功將端炔轉(zhuǎn)化為α-單取代酮2。在Pelter課題組[5–7]的報道中，炔基硼負(fù)離子對鹵代烴、硫酸酯、磺酸酯、三烷基氟硼酸氧鎓鹽等親電試劑進(jìn)行親核取代，生成的烯基硼烷中間體經(jīng)氧化，得到α-雙取代酮3。在Utimoto課題組[8]的報道中，環(huán)氧乙烷為親電試劑，反應(yīng)經(jīng)歷了炔基硼負(fù)離子對環(huán)氧的親核開環(huán)，最終氧化產(chǎn)物為γ-羥基酮4。

圖2 端炔的三種類型硼化-遷移加成-氧化反應(yīng)

2019年，Ohtawa等[9]在天然產(chǎn)物(?)-bilobalide的全合成中創(chuàng)造性地發(fā)展了端炔的硼化-氧化反應(yīng)，將其用于酯的合成(圖3)。他們以硼酸三甲酯替代前人常用的三烷基硼烷，在硼化反應(yīng)結(jié)束后，直接向反應(yīng)體系中加入過量間氯過氧苯甲酸(m-CPBA)，一并進(jìn)行質(zhì)子化和氧化，最終得到分子內(nèi)酯化產(chǎn)物8。在生成酯的反應(yīng)中，Ohtawa和Shenvi沒有進(jìn)行詳細(xì)的機(jī)理研究。他們推測，端炔醇5同時發(fā)生O-和C-硼化，隨后被m-CPBA氧化，產(chǎn)生中間體烯酮6或酸酐7；硼酸酯部分經(jīng)氯化銨水溶液處理后，釋放出的醇羥基與酸酐或烯酮部分反應(yīng)，得到酯8[9]。

圖3 Ohtawa和Shenvi等報道的硼化-氧化反應(yīng)和推測的烯酮或酸酐中間體

2020年，趙萬祥教授等利用端炔的硼化-氧化策略開發(fā)出了一類高效合成羧酸、酯和酰胺的方法，并對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究(圖4)[10]。以硼酸異丙基頻哪酯(i-PrOBpin)為硼化試劑，與炔基負(fù)離子反應(yīng)，得到炔基硼酸頻哪酯(9)[11,12]；隨后以O(shè)xone (2KHSO5·KHSO4·K2SO4)為氧化劑，在不同的條件下，分別與水、醇和二級胺反應(yīng)，生成相應(yīng)的羧酸10、酯11和酰胺12。pH對反應(yīng)能否發(fā)生起著重要作用。例如，在丙酮/水條件下，當(dāng)pH為1.0時，無羧酸產(chǎn)物10生成，因為中間體9發(fā)生了脫硼質(zhì)子化，生成了原料端炔；當(dāng)pH為7.3時，可高產(chǎn)率生成羧酸10。此外，硼酸三甲酯(B(OMe)3)、硼酸三乙酯(B(OEt)3)和硼酸三丁酯(B(OBu)3)也可作為硼化試劑，但活性較i-PrOBpin弱些。以堿性過氧化氫(H2O2/NaOH)為氧化劑，該反應(yīng)不能發(fā)生；m-CPBA可作為高效氧化劑。反應(yīng)機(jī)理涉及對炔基硼酸酯9的氧化和炔基的1,2-遷移。中間體炔基硼酸頻哪酯14經(jīng)水解，得到炔醇15，隨后異構(gòu)化為烯酮16。烯酮作為高活性中間體，可與一系列的親核試劑發(fā)生加成反應(yīng)，得到羧酸及其衍生物。

圖4 趙萬祥等報道的硼化-氧化反應(yīng)及機(jī)理

本文介紹的端炔硼化-遷移加成-氧化反應(yīng)和硼化-氧化反應(yīng)，涉及到炔氫的酸性、硼化物的缺電子性、炔烴的親電加成、鹵代烴的親核取代、環(huán)氧乙烷的親核開環(huán)、烴基的 1,2-遷移、硼烷的氧化等內(nèi)容，與基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)知識結(jié)合密切，又有一定程度的拔高。硼氫化-氧化、硼化-遷移加成-氧化和硼化-氧化三種策略，可將端炔轉(zhuǎn)化為醛、酮、羧酸、酯和酰胺，構(gòu)成了較為完整的知識鏈。同時講授這三類反應(yīng)，可豐富學(xué)生的知識積累，提高學(xué)生的認(rèn)知能力。