由于C-B鍵的穩(wěn)定性及其轉(zhuǎn)化很廣泛的特點(diǎn)，構(gòu)建C-B鍵是科研工作者們研究的重要主題。芳基C-B鍵（Csp2-B）的應(yīng)用在有機(jī)化學(xué)中已經(jīng)發(fā)展較成熟了，但烷基C-B（Csp3-B）的構(gòu)建和轉(zhuǎn)化還在日益發(fā)展的過(guò)程中。
以往合成烷基C-B（Csp3-B）鍵的方法大多是1. 烯烴的硼氫化反應(yīng)（包括過(guò)渡金屬催化烯烴的加氫硼化反應(yīng)），從C=C雙鍵構(gòu)建C-B鍵，這種轉(zhuǎn)化依賴(lài)于烯烴中存在的π鍵的富電子性和反應(yīng)性，使用烷烴C-Cσ鍵作為底物時(shí)無(wú)法完成這一轉(zhuǎn)化（圖1）。2.科學(xué)家們還發(fā)展了利用C-H鍵或者C-X鍵硼化構(gòu)建Csp3-B鍵。
圖1
由于C-C單鍵沒(méi)有Π鍵的反應(yīng)性，只有在其相鄰Π鍵基團(tuán)的導(dǎo)向下，才能夠發(fā)生C-C鍵的硼化反應(yīng)（Chem. Eur. J. 2010,16, 774?778）(圖2)，例如雙鍵或苯環(huán)臨近的C-C鍵。
圖2
為了使C-Cσ鍵的硼氫化反應(yīng)更加普遍，日本名古屋大學(xué)的yamaguchi教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想了以環(huán)丙烷為底物的C-C鍵硼氫化反應(yīng)。作者在2015年報(bào)道了環(huán)丙烷上C-H鍵的硼化反應(yīng)（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 846–851）（圖3），Ir和二齒氮配體：3,4,7,8-四甲基鄰菲咯啉絡(luò)合后，金屬中心使環(huán)丙烷碳?xì)滏I活化，發(fā)生C-H鍵的硼化反應(yīng)（圖4-B）。作者試想，改變一種配體從而改變化學(xué)選擇性，使得金屬中心對(duì)C-H鍵的作用轉(zhuǎn)變到C-C鍵上。通過(guò)對(duì)配體進(jìn)行篩選，作者找到了C-Cσ鍵活化后硼化的條件（圖4-C，圖5）。
圖3
圖4
作者以N-環(huán)丙基新戊酰胺為底物，對(duì)配體進(jìn)行了一系列的篩選，其中發(fā)現(xiàn)L1能活化環(huán)丙烷的C-Cσ鍵，并得到62%的烷基硼產(chǎn)物，反應(yīng)選擇性地?cái)嗔袰β-Cγ鍵，并形成β位硼化的產(chǎn)物。并且將配體中的喹啉基團(tuán)變?yōu)檫拎せ鶊F(tuán)時(shí)，沒(méi)有目標(biāo)產(chǎn)物生成，繼續(xù)改變了其他基團(tuán)均沒(méi)有好的效果。接著作者將Ir催化劑與配體的當(dāng)量比進(jìn)行了調(diào)整，將Ir二聚體/ L1的比例從1：1變?yōu)?：1，得到了更好的結(jié)果。對(duì)此，作者解釋?zhuān)?）由于催化劑的壽命短，因此必須不斷供應(yīng)銥金屬；（2）惡唑啉部分的配位可能很弱，因此有必要確保Ir和L1形成1：1的絡(luò)合物.
圖5
接著，作者對(duì)底物普適性進(jìn)行了考察（圖6）。將酰胺上的叔丁基變?yōu)椴煌幕鶊F(tuán)。包括-CF3，叔丁氧基，異丙氧基，乙氧基，甲氧基和芐氧基等，它們以中等收率得到相應(yīng)的產(chǎn)物2d-2i。其中底物1c具有兩個(gè)環(huán)丙基，產(chǎn)物2c中另一個(gè)環(huán)丙基保留下來(lái)了，這意味著反應(yīng)可以區(qū)分不同的環(huán)丙基。并且酰胺基并不是反應(yīng)的必須單元，羥基各類(lèi)保護(hù)基以及苯環(huán)，萘環(huán)等均可以發(fā)生該反應(yīng)以中等收率得到相應(yīng)的C-C鍵硼氫化的產(chǎn)物。此外，在反應(yīng)條件下纈氨酸衍生物成功得到目標(biāo)產(chǎn)物2s，產(chǎn)率為43％，同時(shí)保持其對(duì)映體純度（＞ 99％ee，dr＝53∶47）。接著，作者做了烷基硼酸酯的轉(zhuǎn)化應(yīng)用（圖7），包括氧化，偶聯(lián)胺化等轉(zhuǎn)化，應(yīng)用廣泛。
圖6
圖7
為了進(jìn)一步深入研究，作者首先提出了三種硼氫化途徑的機(jī)理預(yù)設(shè)（圖8-A）：1.先進(jìn)行環(huán)丙烷的C-H硼化反應(yīng)，然后進(jìn)行C-C鍵活化（開(kāi)環(huán)）。2.先發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)，得到烯烴（或Ir-烯烴絡(luò)合物），然后進(jìn)行硼氫化。3.C-C鍵活化后烯丙基硼酸酯，形成硼烷基烯烴（或Ir-硼烷基烯烴絡(luò)合物），然后進(jìn)行氫化得到目標(biāo)產(chǎn)物。緊接著，作者做了相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分離出中間體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖8-B）。化合物4a在標(biāo)準(zhǔn)條件下不能得到目標(biāo)產(chǎn)物，說(shuō)明反應(yīng)不是先發(fā)生C-H鍵的硼化反應(yīng)，反駁了路線1的假設(shè)。后面的中間體實(shí)驗(yàn)證明了路線2和3存在的可能性。此外，作者還做了氘代實(shí)驗(yàn)（圖8-C），使用DBpin進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)果觀察到產(chǎn)物的三個(gè)碳原子上的氘代率分別為（D1：45％，D2：27％和D3：28％），這表明有Ir-H/D插入到烯烴上，并且該過(guò)程可逆。作者還使用DBpin對(duì)反應(yīng)可能的中間體進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)條件的實(shí)驗(yàn)探究。結(jié)果觀察到8和9產(chǎn)物的三個(gè)碳原子上的氘代率分別為（D1：34％，D2：42％和D3：16％; （D1：36％，D2：34％和D3 ：20％）。氘代率比例并不完全一致，這表明1a的硼氫化可能同時(shí)通過(guò)路徑2和路徑3。此外，作者還研究了該反應(yīng)的副產(chǎn)物（圖8-D）。氫化產(chǎn)物2a'以19％核磁產(chǎn)率檢測(cè)，但是還不清楚該產(chǎn)物是通過(guò)產(chǎn)物2a脫硼還是直接氫化獲得的。
圖8
作者還做了相關(guān)理論計(jì)算對(duì)機(jī)理進(jìn)行了補(bǔ)充（相關(guān)機(jī)理計(jì)算見(jiàn)文章），計(jì)算結(jié)果支持了5配位的Ir絡(luò)合物B作為兩個(gè)反應(yīng)的活性催化劑（圖9）。Ir絡(luò)合物B的Cβ-Cγ鍵氧化加成形成單取代環(huán)丙烷1生成中間體C，中間體C還原消除生成絡(luò)合物D（8.3 kcal / mol）。從D出發(fā)，存在通向平衡的E，D'和D''絡(luò)合物的三種途徑。盡管氫硼化產(chǎn)物2可以從所有三種途徑生產(chǎn)，但最有利的途徑是通過(guò)絡(luò)合物E的反應(yīng)（5.4 kcal/mol）。中間體E通過(guò)還原消除得到加氫硼化的產(chǎn)物2，催化劑繼續(xù)循環(huán)。此外，路徑1在理論計(jì)算中是合理的，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，作者提出如下催化循環(huán)（圖9）：
圖9
總結(jié)：作者團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種較為廣泛的環(huán)丙烷C-Cσ鍵硼氫化反應(yīng)，反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了各種類(lèi)環(huán)丙烷的開(kāi)環(huán)硼氫化反應(yīng)。反應(yīng)不需要特定基團(tuán)如相鄰Π鍵作為導(dǎo)向基的存在。并且將產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)了許多轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。
