碳硼烷是一类由两个碳氢及十个硼氢顶点组成的笼状分子, 在医学、材料、配位化学和金属有机化学等领域都有重要的应用, 因此发展高效、简便的方法高选择性获取碳硼烷官能化衍生物具有重要的理论和现实意义. 近年来, 通过亲电取代、过渡金属催化、亲核取代等策略, 实现了碳硼烷硼–氢键高效、高选择性官能化. 香港中文大学谢作伟课题组根据硼–氢键的不同反应位点, 评述了利用亲核取代反应策略进行碳硼烷选择性官能团化的研究进展, 详细讨论了反应底物普适性、选择性控制及反应机理, 并对该领域后续研究所面临的挑战和发展前景进行了展望.
碳硼烷是一类由两个碳氢(CH)及十个硼氢(BH)顶点组成的笼状分子, 具有独特的3D芳香性, 常被视为苯的3D类似物. 此外, 碳硼烷还具有特有的性质, 如几何球面和疏水性分子表面、优良的热力学稳定性和化学稳定性, 因此在医学、材料、配位化学和金属有机化学等领域都有重要的应用. 例如, 碳硼烷化合物在癌症治疗的硼中子俘获疗法(BNCT)中作为高硼含量试剂; 由于其稳定性被用于耐高温材料和耐原子氧材料; 在超分子及纳米材料中用作功能砌块; 其他用途还包括分子识别、分子机器、非线性光学材料和金属有机催化剂等. 为了扩展其应用, 目前, 碳硼烷化学领域的重要发展方向之一在于如何高效获取碳硼烷官能化衍生物. 然而, 由于碳硼烷中10个硼顶点具有非常相似的化学环境, 控制反应的选择性成为了最大的挑战.
迄今为止, 已报道的硼–氢(B–H)键活化途径主要都是通过亲电反应实现: (1) 路易斯酸参与的直接亲电取代反应通常发生在远端的B–H键(9,12-位); (2) 过渡金属催化的选择性B–H键官能团化, 其中的关键步骤是B–H的亲电金属化. 近年来, 过渡金属催化的碳硼烷官能团化研究取得了重大进展, 根据硼顶点上电子密度的不同, 选择不同的过渡金属催化剂或使用导向基策略, 可以实现碳硼烷硼顶点的选择性官能团化.
根据硼顶点与碳顶点的相对位置, 碳硼烷硼顶点的官能团化可分为三组(图1):(1) 对于远端的8,9,10,12-位, 谢作伟课题组于2013年发展了氧化条件下钯催化的四氟化反应, 西南科技大学曹克课题组报道了四酰基化及8/9-位芳基化、烯基化; 郑州大学陈学年课题组报道了9-位胺化. (2) 对中间的4,5,7,11-位, 谢作伟课题组在笼碳上引入导向基定位反应位点, 利用过渡金属催化或电化学策略, 高效地构筑硼-碳、硼-氧、硼-氮、硼-硫键; 其他课题组利用导向基策略, 发展了多种过渡金属催化的碳硼烷官能团化方法. 例如, 南京大学燕红课题组报道了4-位酰甲基化、氨基化及导向的多芳基化; 西安近代化学研究所吕剑课题组报道了4,5-位双烯基化、双烷基化; Ackermann课题组发展了导向的双芳基化; Lee课题组利用羧基导向基, 在4-位引入了酰胺基、茚基和酰甲基;(3) 对于与两个碳顶点相邻的3,6-位, 谢作伟课题组在2017年发展了铱催化的双硼基化方法, 最近实现了铱催化的B–H键与氨气直接脱氢偶联氨化反应. 燕红课题组发展了吡啶基协助的3,6-位酰氧基化, 曹克课题组和支志明课题组分别报道了钯/铑催化的3,6-位芳基化. 此外, 复旦大学的金国新课题组, 郑州大学的段征课题组, 海南大学的陆居有课题组, 及浙江大学Duttwyler课题组都在碳硼烷选择性官能团化研究中做出了积极贡献.
图1 碳硼烷编号系统及电荷密度
相对地, 关于碳硼烷硼顶点选择性亲核取代反应的研究则刚刚起步. 早期文献报道显示, 较硬的杂原子(N−、O−、S−、F−)亲核试剂倾向于连续两次进攻 B(3)–H, 进而使其离去, 即发生脱硼反应(图2). 此外, 卡宾作为较软的碳原子亲核试剂, 也可对B(3/6)–H进行亲核进攻,使笼子打开生成1:2或1:1巢式-碳硼烷-卡宾加成物(图2). 因此, 控制此类副反应而实现所需的亲核取代反应颇具挑战性. 谢作伟课题组认为, 当亲核试剂对硼原子进行第一次亲核进攻后, 使用适当的试剂使氢负离子(H−)离去, 则可避免导致脱硼的二次亲核反应发生, 从而实现B–H键的直接亲核取代反应.
图2 已知碳硼烷亲核反应
近年来, 谢作伟课题组通过在碳顶点引入不同吸电子基团, 降低硼顶点电荷密度, 调控硼顶点空间位阻, 及利用有机配体对亲核试剂中金属的配位作用, 调节亲核试剂反应中心的电性及空间位阻, 实现了无过渡金属参与的近端3,6-位、中间4(5,7,11)-位和远端9(12)-位选择性硼-碳/杂原子键的构筑, 高产率、高选择性、高原子经济性合成了一系列新颖官能团化邻碳硼烷衍生物(图3). 该文对此类亲核取代反应的近期研究进展进行评述, 并对其未来发展方向进行展望.
图3 新型碳硼烷亲核取代反应