大家好，今天給大家介紹一篇近期發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.上的文章，題為Chemoselective Cross-Coupling of gem-Borazirconocene Alkanes with Aryl Halides。本文的通訊作者是南京理工大學(xué)的姜超副教授與北京生命科學(xué)研究所的齊湘兵博士。
雙金屬親核試劑的選擇性交叉偶聯(lián)可以促進(jìn)多種轉(zhuǎn)換反應(yīng)，從而建立復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。在已報(bào)道的雙金屬試劑試劑中，烷基鋯硼試劑是一個(gè)合成潛力巨大的合成子，可以由烯基硼酸酯和氫氯二茂鋯通過(guò)鋯氫化反應(yīng)輕松制得。由于C-Zr鍵和C-B鍵的極性不同，使得該試劑能通過(guò)不同反應(yīng)（如交叉偶聯(lián)、親核取代、親電加成）實(shí)現(xiàn)相繼官能團(tuán)化；由于有機(jī)鋯化合物比有機(jī)硼化合物反應(yīng)活性更高，因此可以獲得有機(jī)硼衍生物（圖1）。
圖1.烷基鋯硼試劑及其官能團(tuán)化反應(yīng)
此課題組先前已報(bào)道了一級(jí)烷基鋯試劑的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，但是至今仍沒(méi)有相關(guān)二級(jí)烷基鋯試劑（包括烷基鋯硼試劑）的報(bào)道。
遠(yuǎn)程官能團(tuán)化的方法可以通過(guò)“鏈行走”過(guò)程活化C-H鍵和C-C鍵，內(nèi)烯烴的鋯氫化反應(yīng)發(fā)生Zr-H消除和再插入過(guò)程，使Cp2ZrCl（二茂鋯）單元在烷烴鏈上“行走”到位阻最小的鏈末端生成一級(jí)烷基鋯試劑。但是，目前還沒(méi)有普適的方法能引導(dǎo)逆向“鏈行走”生成具有區(qū)域選擇性的穩(wěn)定二級(jí)烷基鋯試劑。
本文工作基于此，提出了由Bpin基團(tuán)引導(dǎo)“鏈行走”選擇性生成二級(jí)烷基鋯硼試劑，并且在光誘導(dǎo)、鎳催化的條件下與芳基鹵化物發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)生成烷基硼衍生物的方法（圖2），這些衍生物是重要的構(gòu)建單元，可進(jìn)行鋰化-硼化、Suzuki偶聯(lián)等反應(yīng)。該方法具有化學(xué)選擇性好、反應(yīng)條件溫和、底物適用范圍廣、區(qū)域選擇性高等優(yōu)點(diǎn)。
圖2.Bpin導(dǎo)向生成二級(jí)烷基鋯硼試劑及其交叉偶聯(lián)反應(yīng)
作者先進(jìn)行了條件優(yōu)化，以碘苯和乙基烷基鋯硼試劑為模型化合物，篩選出了最優(yōu)條件，發(fā)現(xiàn)鎳催化劑和持續(xù)可見(jiàn)光照射對(duì)反應(yīng)發(fā)生起決定性作用。接著，作者進(jìn)行底物拓展，探索了二級(jí)烷基鋯硼試劑（由內(nèi)烯烴硼烷化合物而來(lái)）的范圍（圖3）和進(jìn)行交叉偶聯(lián)的芳基鹵化物的范圍（圖4）。
圖3. 二級(jí)烷基鋯硼試劑適用范圍（完整表格請(qǐng)閱讀原文）
反應(yīng)不僅適用于簡(jiǎn)單取代基Cl、Si、醚等，也適用于富電子或缺電子的芳環(huán)取代基。而對(duì)于烯基硼體系（圖3，16-18），則會(huì)先發(fā)生1,2硼遷移生成穩(wěn)定的二級(jí)烷基硼鋯試劑后再進(jìn)行交叉偶聯(lián)。當(dāng)Bpin基團(tuán)距離末端太遠(yuǎn)（超過(guò)2個(gè)碳原子）時(shí)，則既不會(huì)發(fā)生硼遷移也不會(huì)發(fā)生交叉偶聯(lián)，意味著長(zhǎng)鏈硼遷移比Bpin引導(dǎo)的鋯遷移更難。
圖4. 芳基鹵化物適用范圍（完整圖表請(qǐng)閱讀原文）
對(duì)于各類芳基鹵化物，該反應(yīng)也展現(xiàn)出了很好的官能團(tuán)耐受性，對(duì)Cl、F、甲氧基、酰胺、酯基、一級(jí)醇、氰基等芳環(huán)取代基能很好地適用，生成相應(yīng)的二級(jí)烷基硼產(chǎn)物，分支產(chǎn)物: 線性產(chǎn)物 > 40:1，說(shuō)明區(qū)域選擇性高。該法可以用來(lái)對(duì)復(fù)雜天然產(chǎn)物進(jìn)行后修飾（圖4， 3ab-3ad），同時(shí)，該反應(yīng)還可以規(guī)模放大到克級(jí)（圖4，3t，1.008g, 73%）。
在熱力學(xué)控制下，一般末端烯烴或內(nèi)烯烴經(jīng)鋯氫化反應(yīng)“鏈行走”過(guò)程會(huì)傾向于釋放空間位阻，生成末端線性烷基鋯硼試劑，但在末端Bpin基團(tuán)的存在下，則會(huì)逆轉(zhuǎn)行走方向，引導(dǎo)二茂鋯向Bpin遷移，生成二級(jí)烷基鋯硼試劑。（圖5）
圖5. “鏈行走”策略的適用范圍（完整表格請(qǐng)閱讀原文）
為解釋Bpin引導(dǎo)“鏈行走”的選擇性，作者進(jìn)行了DFT計(jì)算研究（圖6）。結(jié)果表明分支的Zr-1比線性烷基鋯硼試劑的Zr-4能量更低，非末端烷基鋯硼中間體在室溫下的行走過(guò)程可逆（ΔGTS < 23 kcal / mol），因此在熱力學(xué)控制下，二茂鋯會(huì)從中間位置走向Bpin端，生成穩(wěn)定的二級(jí)烷基鋯硼試劑Zr-1；同時(shí)在動(dòng)力學(xué)控制下，二茂鋯向Bpin端行走的勢(shì)壘也更低（低2.6 kcal / mol）。使用玻爾茲曼分布，算得Zr-4與Zr-1的比值為1.2%，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致（< 1:40）。而一旦二茂鋯走向了鏈末端，生成了末端一級(jí)鋯硼試劑，則難以再回到Bpin端（> 27 kcal / mol）。
圖6. 以S4e為例的鋯氫化反應(yīng)過(guò)程DFT計(jì)算結(jié)果
作者接著進(jìn)行了分子軌道計(jì)算，發(fā)現(xiàn)C-Zr鍵成鍵軌道離域到了B的空p軌道，該σ-p超共軛效應(yīng)增強(qiáng)了C-B鍵的穩(wěn)定性。同時(shí)，Mayer鍵級(jí)計(jì)算結(jié)果表明，Zr-1中C-Zr鍵級(jí)低于Zr-4，C-B鍵級(jí)高于Zr-4，進(jìn)一步證明了σ-p超共軛效應(yīng)，使得C-Zr鍵的反應(yīng)活性提高，二級(jí)烷基鋯硼試劑的穩(wěn)定性增強(qiáng)。
受計(jì)算結(jié)果啟發(fā)，作者認(rèn)為將反應(yīng)溫度由50 ℃提升至110 ℃可以增強(qiáng)反應(yīng)選擇性，使圖5中的P2跨過(guò)能壘逆轉(zhuǎn)為P1（圖 7）。有趣的是，掌握了這個(gè)方法，我們就可以通過(guò)選擇不同的溫度來(lái)合成分支產(chǎn)物（>110 ℃）和線性產(chǎn)物（室溫至50 ℃）了。
圖7. 提高反應(yīng)溫度改變“鏈行走”方向
綜上，本文發(fā)展了一種可見(jiàn)光誘導(dǎo)、鎳催化的二級(jí)烷基鋯硼試劑與芳基鹵化物交叉偶聯(lián)的方法，Bpin作為導(dǎo)向基團(tuán)引導(dǎo)二茂鋯向其遷移，高選擇性地生成分支二級(jí)產(chǎn)物，具有構(gòu)建復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)、對(duì)天然產(chǎn)物后修飾等用處。
作者：WCQ 審校：WGQ
DOI: 10.1021/jacs.0c03821
Link: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c03821
