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钯迁移实现碳硼烷可控选择性双官能团化

二十面体碳硼烷是一类由碳、硼和氢原子组成的笼状簇合物,它们与苯有着许多相似的性质,例如疏水性、芳香性、优异的热稳定性和化学稳定性。另一方面,碳硼烷有其独有的性质,例如几何球面、三维电子离域等。这些特质使碳硼烷及其衍生物得到了广泛的应用,如在金属有机及配位化学领域作为多功能配体,在癌症治疗中用作硼中子俘获疗法药物,在超分子材料和有机光电功能材料中作为重要的功能单元。基于此,碳硼烷的官能团化,尤其是在十个化学环境极相似的硼氢键中实现区域选择性活化得到了广泛关注。在一系列过渡金属催化的碳硼烷区域选择性官能团化方法学报道中,尽管已经实现了单取代、双取代、多取代等不同形式 (Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 3660),但是目前已知的方法学都只能在碳硼烷笼上引入单一种类的取代基。


最近,中国科学院上海有机化学研究所沪港化学合成联合实验室谢作伟邱早早团队报道了通过金属迁移实现的钯催化3-碘-邻-碳硼烷可控选择性双官能团化。该方法能以优秀的收率制备3-烯基-4-烷基/炔基/芳基/烯丙基/氰基/酰胺基-邻-碳硼烷(图1)。

图1. 钯迁移实现3-碘-邻-碳硼烷选择性双官能团化


碘代碳硼烷笼上的B−I键可以与零价钯发生氧化加成,所得的B−Pd键能与一系列底物作用。作者发现3-碘-邻-碳硼烷与二苯乙炔可以在Pd(0)催化剂存在下发生烯基化和碘迁移串联反应得到3-(cis-PhC=CHPh)-4-I-1,2-C2B10H10。而基于此前发展的碘代-邻-碳硼烷钯催化B-C偶联,作者利用上述串联反应中回收的Pd(0)催化剂进一步活化新生成B(4)−I键,通过向体系中加入不同的格氏试剂来一锅法合成双官能团化邻-碳硼烷(图2)。结果表明,一系列烷基/烯丙基/炔基/芳基格氏试剂都能应用于此反应,并以优秀的收率得到相应产物。带有给电子基的二芳基乙炔同样适用于以上双官能团化过程,而二对氟苯基乙炔由于对B−Pd键插入效率极低而难以生成预期产物。

图2. 钯催化一锅法双官能团化底物拓展


此外,作者也实现了一锅法钯催化烯基化-氰基化/胺基化过程,以较高至优秀的收率得到将3-烯基-4-氰基/酰胺基-邻-碳硼烷(图3)。

图3. 钯催化一锅法烯基化-氰基化/胺基化


作者运用理论计算证明钯片段由exo-烯基碳向B(4)顶点的迁移过程在热力学上十分有利(图4a)。同时为了探究反应机理,作者也检验了氘代碳硼烷在相同条件下的反应(图4b)。氘代实验表明,B(4)顶点的氘原子在反应后能以94%的效率迁移到烯基上,此结果为反应中的钯迁移关键步骤提供了确凿的证据。基于此,作者提出了图4c所示的反应机理:反应由零价钯对3-碘-邻-碳硼烷B(3)−I键氧化加成引发,炔烃插入所得的Pd−B(3)键生成二价钯中间体B;其中的钯片段由exo-烯基碳迁移至B(4)顶点得到中间体C,再经历还原消除生成碘迁移产物2和零价钯;而在格氏试剂存在下,进一步偶联和还原消除则可以得到最终产物3

图4. 反应机理研究


综上,该工作发展了钯催化3-碘-邻-碳硼烷的可控选择性3,4-双官能团化过程,高效合成3-烯基-4-烷基/炔基/芳基/烯丙基/氰基/酰胺基-邻-碳硼烷。这个高区域选择性双官能团化过程包含了对B−I、B(4)−H键的相继活化和由烯基碳至B(4)顶点钯迁移关键步骤,成功实现一锅法在碳硼烷上引入两种不同取代基的新路径。相关结果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章第一作者为中国科学院上海有机化学研究所博士研究生葛懿修,共同通讯作者为谢作伟院士和邱早早副研究员。该研究得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、中国科学院和香港研究资助局的资助。


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Pd-Catalyzed Selective Bifunctionalization of 3-Iodo-o-Carborane via Pd Migration

Yixiu Ge, Jie Zhang, Zaozao Qiu*, Zuowei Xie*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI:10.1002/anie.201914500


导师介绍

谢作伟

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