鈀催化鄰碳硼烷交叉偶聯反應理論研究的最新進展

于嘉瑋，于 濤

(云南師范大學 化學化工學院，云南 昆明 650500)

碳硼烷是一類二十面體碳硼分子簇，通常被認為是2D苯的3D類似物[1]，在硼中子捕獲療法(BNCT)[2-10]、超分子設計[10,11]、以及金屬有機化學[12-14]等諸多方面具有潛在的應用價值。因此，碳硼烷的衍生化引起了廣泛的關注，尤其是鄰碳硼烷的區域選擇性B—H官能團化在近年來已成為研究的熱點[15-20]。

近三年來，人們在鈀催化區域選擇性交叉偶聯反應的理論研究上取得了長足的進展，為了讓讀者對鈀催化鄰碳硼烷交叉偶聯反應產生深刻的認識，本文將對近三年來國內外課題組在該領域所取得的理論研究成果進行了綜述。

1 鈀催化鄰碳硼烷交叉偶聯反應理論研究概述

2020年，Liang等人[21]報道了一種通過弱酰胺輔助進行的在鄰碳硼烷B(3,4)位置發生的與芳基交叉偶聯的反應(圖1)，該反應用鄰碳硼烷酰胺和芳基碘，在室溫下，Pd(OAc)2、AgTFA/Ag2CO3條件下，于HFIP溶劑中發生作用，得到二芳基/單芳基偶聯產物。緊接著，作者為了了解催化劑的作用方式，在PBE0—D3(BJ)/def2—TZVP水平上對鄰碳硼烷B—H活化位置選擇性做了計算。計算結果表明，對于第一次B-H活化，B(3)位置比B(4)位置低 5.8 kcal/mol，對于第二次B-H活化，B(4)位置比B(6)位置低 3.4 kcal/mol，與實驗結果一致。根據結果，作者推測底物A1經過酰胺基團的弱輔助和AgTFA的輔助與催化劑作用使B(3)—H活化形成陽離子中間體B1，隨后與芳基碘化物氧化加成獲得陽離子Pd(IV)中間體C1，然后還原消除得到B(3)單芳基偶聯產物P1。緊接著B(4)在弱配位酰胺的輔助下發生芳基偶聯反應得到二芳基偶聯產物P2。單芳基偶聯產物上的B(4)—H比B(6)—H具有較高的反應性，故B(3,6)二芳基偶聯產物并沒有形成。

圖1 鈀催化鄰碳硼烷區域選擇性 B(3,4)-H芳基偶聯反應可能的機理

2021年，Ge等人[22]又報道了3—碘鄰碳硼烷在 80 ℃ 下，Pd(OAc)2，PPh3和Cs2CO3存在的條件下，在甲苯溶劑中與2 equiv芳基炔共同作用發生[2+2+2]環加成得到3,4—苯并鄰碳硼烷的反應(圖2)，根據實驗以及文獻報道，作者提出了一種合理的反應機理，催化可能由Pd(II)通過膦配體還原消除得到的Pd(0)引發，與3—碘鄰碳硼烷發生B(3)—I的氧化加成得到中間體B2，最后一分子炔烴插入Pd—B(3)鍵生成中間體C2，碳酸氫鹽與中間體C2碘原子發生配體交換獲得中間體D1，作者在B3LYP—D3/6—31+G(d, p)&LanL2DZ計算水平上計算了中間體D1形成的能量ΔG=-6.3 kcal/mol，在熱力學上是有利的。在碳酸鹽的輔助下通過區域選擇性親電鄰位B(4)—H取代(類“CMD”機理)得到五元鈀環。隨后，第二分子的炔烴插入形成七元鈀環，最終還原消除得到[2+2+2]環加成產物P3，并釋放Pd(0)物質完成催化循環。

圖2 鈀催化3-碘鄰碳硼烷與炔烴[2+2+2]環加成反應可能的機理

不久后，Baek等人[23]首次報道了在 60 ℃ 下，Pd(OAc)2、Cu(OTf)2以及Ag2CO3條件下，在DCE溶劑中實現了鄰碳硼烷B(5,8,9)—H順序的[B(9)>B(8)>B(5)]三芳基化反應(圖3)。作者為了解釋該順序選擇性反應的原因，4—苯甲酰氨基鄰碳硼烷(A3)與4—氯碘苯反應得到的單、二、三芳基化產物(P4、P5、P6)的結構通過x射線晶體學測定，并在B3LYP/6-311++G(d,p)理論水平上對底物A3、P4、P5運用自然鍵軌道(NBO)理論進行了NPA電荷分析，A3分子頂點的電荷遵循B(8)>B(9)>B(5)>>B(3)的順序，作者認為盡管B(8)—H頂點的計算電荷(約-0.106)比B(9)—H的電荷更負(約-0.086)，但僅觀察到B(9)單芳基化產物的原因可能是在B(8)—H和B(9)—H頂點之間發生“籠行走”。對于產物P4的NPA電荷分布遵循B(8)>B(5)>>B(3)和產物P5的電荷分布順序遵循了B(5)(約+0.066)>>B(3)(約+0.224)的結果與順序三芳基化產物的選擇性結果非常一致。

于年底，Fu等人[24]報道了用1—吡啶鄰碳硼烷與PhCOOH在室溫下，Pd(OAc)2、(BnO)2PO2H以及CAN(ceric ammoniumnitrate)，于DCE溶劑中通過區域選擇性B(3,4)—H?；磻苽涞玫搅硕；悸撗苌?。并運用密度泛函理論在B3LYP-D3/def2-TZVP&SDD計算水平上對該反應的B-H活化區域選擇性進行了研究，作者認為，A4可與鈀配位形成抓氫鍵，隨后通過TS2的協同機理第一個B(3)—H被活化得到中間體INT2，而B(4)—H鍵是通過氧化加成和還原消除反應生成中間體INT5，相對于INT3，B(3)—H與B(4)—H的活化能壘分別為10.0和 11.3 kcal/mol，說明B(3)—H更容易發生活化。第二階段的B-H活化，相對于INT6，B(4)—H和B(6)—H的第二次活化能壘分別為10.3和 15.3 kcal/mol，表明第二次B(4)—H活化更有利，計算結果解釋了B(3,4)—H產物的生成。作者根據結果，提出了合理的反應機理：首先，Pd(OAc)2和磷酸配體混合產生一個活性的Pd(II)物質，B(3)-H經過協同金屬化-去質子化(CMD)機理，與羧酸之發生配體交換，然后還原消除得到單?；a物和Pd(0)物質，Pd(0)被CAN氧化再生為活性Pd(II)催化劑，第二個?；涍^類似的過程獲得最終產物。

圖3 鈀催化鄰碳硼烷順序B(5,8,9)-H 三芳基偶聯反應

圖4 鈀催化1-吡啶鄰碳硼烷B(3,4)-H 二?；悸摲磻赡艿臋C理

2022年，Liu等人[25]在M06/def2-TZVP計算水平上對鈀催化1—醛基鄰碳硼烷區域選擇性二芳基化的反應機理進行了計算，計算結果表明，該反應主要經歷兩次CMD形式的B—H活化、氧化加成和還原消除過程，生成二芳基化鄰碳硼烷衍生物P10。當B—H活化發生時，相應的還原消除為反應速率和區域選擇性的決定步驟，同時考察了在沒有添加劑參與時在實驗中低產率的結果。此外，作者通過弱相互作用分析發現B(4)—H芳基化偶聯反應過渡態中鄰碳硼烷部分畸變更大，解釋了區域選擇性產生的原因。

圖5 鈀催化1-吡啶鄰碳硼烷單?；?偶聯反應的勢能剖面圖

圖6 鈀催化1-吡啶鄰碳硼烷二?；?偶聯反應的勢能剖面圖

圖7 鈀催化1-醛基鄰碳硼烷區域選擇性B(4,5)-H芳基偶聯反應

緊接著，Tang等人[26]根據Xie課題組的I原子介導鄰碳硼烷B位鈀絡合物遷移反應，在ωB97X-D/6-311+G(d,p)&SDD計算水平上進行了詳細的DFT計算，結果表明，反應主要包括了四個步驟：氧化加成、炔基插入、B—H活化以及還原消除過程，其中B—H活化步驟的反應能壘為 29.1 kcal/mol，為該反應速率決定步驟，在 80 ℃ 的反應溫度下，反應路徑是可行的。

圖8 鈀催化1-醛基鄰碳硼烷區域選擇性 單芳基偶聯反應的勢能剖面圖

圖9 鈀催化1-醛基鄰碳硼烷區域選擇性 二芳基偶聯反應的勢能剖面圖

圖10 鈀催化的3-碘鄰碳硼烷與 炔烴偶聯反應的勢能剖面圖

2 總結與展望

最近三年，人們在過渡金屬鄰碳硼烷官能化領域取得了顯著成就，鈀催化鄰碳硼烷的B—H交叉偶聯反應得到了不斷的發展，在實驗上已歸納出不同的合成策略。最近量子化學理論計算亦在鄰碳硼烷衍生物合成的研究中嶄露頭角。但目前關于鄰碳硼烷偶聯反應的機理以及其反應的區域選擇性等問題依然具有挑戰性，因此，鄰碳硼烷交叉偶聯反應的理論研究是該領域的長期發展方向之一，以期對改進實驗條件、提升產率和區域選擇性控制方面起到指導作用。