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(shè)計[10,11]、以及金屬有機化學[12-14]等諸多方面具有潛在的應(yīng)用價值。因此，碳硼烷的衍生化引起了廣泛的關(guān)注，尤其是鄰碳硼烷的區(qū)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(qū)域選擇性交叉偶聯(lián)反應(yīng)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(lián)反應(yīng)產(chǎn)生深刻的認識，本文將對近三年來國內(nèi)外課題組在該領(lǐng)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(lián)反應(yīng)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(fā)生的與芳基交叉偶聯(lián)的反應(yīng)(圖1)，該反應(yīng)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(fā)生作用，得到二芳基/單芳基偶聯(lián)產(chǎn)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(jié)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(jié)果一致。根據(jù)結(jié)果，作者推測底物A1經(jīng)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(lián)產(chǎn)物P1。緊接著B(4)在弱配位酰胺的輔助下發(fā)生芳基偶聯(lián)反應(yīng)得到二芳基偶聯(lián)產(chǎn)物P2。單芳基偶聯(lián)產(chǎn)物上的B(4)—H比B(6)—H具有較高的反應(yīng)性，故B(3,6)二芳基偶聯(lián)產(chǎn)物并沒有形成。

圖1 鈀催化鄰碳硼烷區(qū)域選擇性 B(3,4)-H芳基偶聯(lián)反應(yīng)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(fā)生[2+2+2]環(huán)加成得到3,4—苯并鄰碳硼烷的反應(yīng)(圖2)，根據(jù)實驗以及文獻報道，作者提出了一種合理的反應(yīng)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(fā)，與3—碘鄰碳硼烷發(fā)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(fā)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(qū)域選擇性親電鄰位B(4)—H取代(類“CMD”機理)得到五元鈀環(huán)。隨后，第二分子的炔烴插入形成七元鈀環(huán)，最終還原消除得到[2+2+2]環(huán)加成產(chǎn)物P3，并釋放Pd(0)物質(zhì)完成催化循環(huán)。

圖2 鈀催化3-碘鄰碳硼烷與炔烴[2+2+2]環(huán)加成反應(yīng)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(xiàn)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(yīng)(圖3)。作者為了解釋該順序選擇性反應(yīng)的原因，4—苯甲酰氨基鄰碳硼烷(A3)與4—氯碘苯反應(yīng)得到的單、二、三芳基化產(chǎn)物(P4、P5、P6)的結(jié)構(gòu)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(chǎn)物的原因可能是在B(8)—H和B(9)—H頂點之間發(fā)生“籠行走”。對于產(chǎn)物P4的NPA電荷分布遵循B(8)>B(5)>>B(3)和產(chǎn)物P5的電荷分布順序遵循了B(5)(約+0.066)>>B(3)(約+0.224)的結(jié)果與順序三芳基化產(chǎn)物的選擇性結(jié)果非常一致。

于年底，F(xiàn)u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(qū)域選擇性B(3,4)—H?；磻?yīng)制備得到了二?；悸?lián)衍生物。并運用密度泛函理論在B3LYP-D3/def2-TZVP&SDD計算水平上對該反應(yīng)的B-H活化區(qū)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(xié)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(yīng)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(fā)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(jié)果解釋了B(3,4)—H產(chǎn)物的生成。作者根據(jù)結(jié)果，提出了合理的反應(yīng)機理：首先，Pd(OAc)2和磷酸配體混合產(chǎn)生一個活性的Pd(II)物質(zhì)，B(3)-H經(jīng)過協(xié)同金屬化-去質(zhì)子化(CMD)機理，與羧酸之發(fā)生配體交換，然后還原消除得到單?；a(chǎn)物和Pd(0)物質(zhì)，Pd(0)被CAN氧化再生為活性Pd(II)催化劑，第二個酰基化經(jīng)過類似的過程獲得最終產(chǎn)物。

圖3 鈀催化鄰碳硼烷順序B(5,8,9)-H 三芳基偶聯(lián)反應(yīng)

圖4 鈀催化1-吡啶鄰碳硼烷B(3,4)-H 二?；悸?lián)反應(yīng)可能的機理

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(qū)域選擇性二芳基化的反應(yīng)機理進行了計算，計算結(jié)果表明，該反應(yīng)主要經(jīng)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(fā)生時，相應(yīng)的還原消除為反應(yīng)速率和區(qū)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(chǎn)率的結(jié)果。此外，作者通過弱相互作用分析發(fā)現(xiàn)B(4)—H芳基化偶聯(lián)反應(yīng)過渡態(tài)中鄰碳硼烷部分畸變更大，解釋了區(qū)域選擇性產(chǎn)生的原因。

圖5 鈀催化1-吡啶鄰碳硼烷單?；?偶聯(lián)反應(yīng)的勢能剖面圖

圖6 鈀催化1-吡啶鄰碳硼烷二?；?偶聯(lián)反應(yīng)的勢能剖面圖

圖7 鈀催化1-醛基鄰碳硼烷區(qū)域選擇性B(4,5)-H芳基偶聯(lián)反應(yīng)

緊接著，Tang等人[26]根據(jù)Xie課題組的I原子介導(dǎo)鄰碳硼烷B位鈀絡(luò)合物遷移反應(yīng)，在ωB97X-D/6-311+G(d,p)&SDD計算水平上進行了詳細的DFT計算，結(jié)果表明，反應(yīng)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(yīng)能壘為 29.1 kcal/mol，為該反應(yīng)速率決定步驟，在 80 ℃ 的反應(yīng)溫度下，反應(yīng)路徑是可行的。

圖8 鈀催化1-醛基鄰碳硼烷區(qū)域選擇性 單芳基偶聯(lián)反應(yīng)的勢能剖面圖

圖9 鈀催化1-醛基鄰碳硼烷區(qū)域選擇性 二芳基偶聯(lián)反應(yīng)的勢能剖面圖

圖10 鈀催化的3-碘鄰碳硼烷與 炔烴偶聯(lián)反應(yīng)的勢能剖面圖

2 總結(jié)與展望

最近三年，人們在過渡金屬鄰碳硼烷官能化領(lǐng)域取得了顯著成就，鈀催化鄰碳硼烷的B—H交叉偶聯(lián)反應(yīng)得到了不斷的發(fā)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(guān)于鄰碳硼烷偶聯(lián)反應(yīng)的機理以及其反應(yīng)的區(qū)域選擇性等問題依然具有挑戰(zhàn)性，因此，鄰碳硼烷交叉偶聯(lián)反應(yīng)的理論研究是該領(lǐng)域的長期發(fā)展方向之一，以期對改進實驗條件、提升產(chǎn)率和區(qū)域選擇性控制方面起到指導(dǎo)作用。