研究论文介绍

香港中文大学谢作伟课题组Angew:Pd迁移实现3-碘-邻-碳硼烷的选择性双官能化反应

本文作者:杉杉

导读

近日,香港中文大学谢作伟课题组在Angew发表论文,报道了一种钯催化下,实现3-I-o-碳硼烷的高度选择性3,4-双官能化反应,以高产率制备了多种3-烯基-4-R-o-碳硼烷衍生物(R=烷基、炔基、芳基、烯丙基、CN和酰胺基)。该反应通过Pd从烯基sp2碳迁移到B(4)-位上的过程(热力学控制),实现了笼状B(3)-I和B(4)-H键的活化,选择性合成两个具有不同取代基的碳硼烷衍生物。

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

Yixiu Ge Jie Zhang Zaozao Qiu Zuowei Xie

ASAP DOI:10.1002/anie.201914500

正文

二十面体碳硼烷是一种碳硼分子簇,与苯具有多种相似的特征,如芳香性、热稳定性和化学稳定性等。此外,碳硼烷结构上也具有一定的特性,如几何球形状和三维电子离域化等。因此,碳硼烷衍生物在通用配体、功能材料、医学等方面得到了广泛地应用。同时,在十个化学性质非常相似的B-H键中实现选择性官能化具有很大的挑战性。前期,谢课题组已报道了一种过渡金属催化下,基于顶点电荷的差异,实现o-碳硼烷B-H键的区域选择性官能化反应。鉴于对烷烃、芳烃链和环迁移过程的持续研究,作者发现,碳硼烷结构由于电荷分布的差异,可以促进金属在硼烷笼状分子中进行相关的迁移。

早在2008年,谢课题组首次提出了Ru在笼状分子中进行迁移,实现笼状C到笼状B的迁移过程。Spokoyny课题组在2018年报道,在双邻碳硼烷体系中实现Pt-C(笼)到Pt-B(笼)的相互转化。2017年Peryshkov课题组描述了Ru在(POBOP)Ru(H)(PPh3)催化下,从B(2)到B(3)的迁移过程。同年,Spokoyny课题组发现,在Pd催化的9-Br-碳硼烷的B-Br/B-H的活化过程中,Pd不断进行迁移,导致形成笼状B(2)-、B(4)-、B(5)-和B(9)-官能化的中间体。最近,谢课题组报道了通过酰氨基的引导,实现Pd从邻氨基苯甲酸酯中的B(4)到B(8)迁移过程,从而合成了B(8)-芳基邻氨基苯甲酸酯。然而,所有已知过渡金属催化方法只能将相同种类的取代基引入笼状分子中。作者猜想,是否可以通过催化金属的迁移过程,将不同的取代基依次引入邻位碳硼烷化合物中。本文主要描述了Pd催化下3-碘-o-碳硼烷的双官能化反应(Scheme 1)。

据文献报道,碘代碳硼烷中的笼型B-I键可以氧化加成到Pd(0)中,并且所得的笼型B-Pd键可与炔烃和其他底物进行相关的反应。初步DFT计算结果表明,[Pd]从B中的外链烯基sp2C迁移到C中笼状B(4)上的过程,受热力学影响较大(Scheme 2)。此外,C中的笼B-[Pd]-I与格氏试剂可发生偶联反应。

首先,作者以3-碘-o-碳硼烷1作为模型底物,以甲苯为溶剂,10mol%的Pd(PPh3)4作为催化剂,进行了大量条件的筛选(Table 1)。筛选结果表明,将炔烃的摩尔量增加至5当量,并将反应时间延长至72h,可获得85%收率的产物2(Table 1, entry 10)。此外,单晶X射线分析进一步确认了化合物2的分子结构的正确性。

随后,作者开始对底物进行了扩展(Table 2),同时在将B-H活化后,作者继续进行格氏反应,具体过程如下:在淬灭反应之前,将4当量的格氏试剂MeMgBr加入到反应混合物中,将所得溶液在80℃下搅拌24h即可获得目标产物3a(Table 2)。而对其它底物的筛选时,作者发现,该反应具有良好的兼容性,并且多种格氏试剂RMgBr(R=烷基、烯丙基、炔基和芳基)也能够与体系兼容,均可获得良好或优异收率的相应产物3a3n。此外,含有给电子基团的二芳基乙炔分别以88%和87%的分离产率得到双官能化产物3o3p。但是,4-F-C6H4C≡C-C6H4-4-F仅获得痕量的产物3q,可能由于炔烃在Pd-B键中较低的插入效率。

此外,作者将上述的产物进一步修饰,如氰化和胺化反应(Scheme 3)。在氰化反应中,仅需将第二步中的溶剂改为DMF,并在微波辐射下添加氰化铜(I)即可,获得75%收率的3-(cis-PhC=CHPh)-4-氰基-o-碳硼烷产物4。而在胺化反应时,以10mol%Davephos作为配体,K3PO4作为碱,将苯甲酰胺加入B(4)位置,获得97%收率的3-(cis-PhC=CHPh)-4-o-酰基氨基-碳硼烷产物5

为了验证Pd迁移过程的正确性,作者进行了相关的氘代实验(Scheme 4)。首先作者通过相关实验合成B(4,5,7,8,9,10,11,12)-八氘代的3-I-o-碳硼烷(1-d8)。在下述反应条件下,作者先与PhC≡CPh反应,随后再用MeMgBr处理1d8,得到所需的氘代产物3ad8,产率为87%,而烯基氘代效率为94%,其中烯基氘来源B(4)-D(Pd/D迁移产生)。此外,多核NMR光谱法进一步确认了3ad8的存在,这也为Pd迁移至碳硼烷笼B(4)提供了可靠的证据。

基于23b3g3o4的结构信息,以及氘实验的相关结果,作者提出了一种可能的反应机理(Scheme 5)。首先, 3-碘-o-碳硼烷中笼型B(3)-I键与Pd(0)进行氧化加成,得到中间体A,随后将炔烃插入Pd-B(3)键中,从而获得Pd(II)中间体B。此后,Pd从烯基sp2碳迁移到B(4)-位上,提供关键中间体C(经热力学计算)。最后,C进行还原消除,获得产物2和Pd(0)催化剂。如果与格氏试剂RMgBr反应,C将与RMgBr进行盐复分解反应,然后还原消除,得到3并再生Pd(0)。

总结

香港中文大学谢作伟课题组实现了Pd催化下,3-I-o-碳硼烷的3,4-双官能团化反应,合成一系列高收率的新型3-烯基-4-R-o-碳硼烷衍生物(R=烷基、炔基、芳基、烯丙基、CN和酰胺基)。该方案中,Pd从烯基sp2碳迁移到B(4)-位上的过程,作为反应的关键步骤。此外,该方案代表了选择性合成不同取代的o-碳硼烷衍生物的新途径。

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