惰性CH鍵的功能化已作為一種快速精制豐富的化學(xué)原料以獲得高價值材料的方法而引起了廣泛關(guān)注。CH硼化是一種通用的官能化反應(yīng)，可產(chǎn)生有機硼烷產(chǎn)物，該產(chǎn)物是有機合成中廣泛應(yīng)用的中間體。自成立以來，特別是芳烴硼化已得到了廣泛的開發(fā)和研究，從而產(chǎn)生了范圍廣泛的可訪問且廣泛適用的方法。不幸的是，脂肪族底物的類似銥催化的sp3硼酸酯化仍然受到苛刻的反應(yīng)條件，在純凈底物中催化的要求以及二硼試劑的不完全轉(zhuǎn)化的限制。在現(xiàn)有的烷烴硼化體系的局限性中，從可用性的角度來看，在純凈底物中催化的要求是最受限制的。有幾種報道的銥催化的sp3硼化系統(tǒng)可以在較小過量的烷烴（約5當(dāng)量）或限制性烷烴上運行，但每種情況都依賴于活化的烷烴底物（包括芐基或環(huán)丙烷）的反應(yīng)性的提高。包括芐基或環(huán)丙烷衍生物、烷基硅烷或帶有導(dǎo)向基團的底物。當(dāng)在溶劑中使用少量過量時，未活化的底物以降低的產(chǎn)率進行硼化。例如，當(dāng)使用純正辛烷作為底物時，四甲基菲咯啉（Me4phen）/Ir硼化體系每當(dāng)量B2pin2產(chǎn)生約1當(dāng)量的產(chǎn)物，但當(dāng)使用4當(dāng)量正辛烷（相對于環(huán)辛烷中的B2pin2）作為溶劑進行反應(yīng)時，該產(chǎn)率降至17%（圖1）。
Figure 1. Previously reported conditionsfor iridium-catalyzed alkane borylation using Me4Phen with yields reported on adiboron basis.
前一個例子說明了大多數(shù)銥催化劑用于sp3硼化反應(yīng)。二硼源B2pin2包含2當(dāng)量的頻哪醇硼烷基部分，但大多數(shù)銥催化的實例中，每個二硼單元僅摻入1當(dāng)量的硼。該觀察結(jié)果導(dǎo)致了一個公認的慣例，即相對于B2pin2報道了產(chǎn)率，當(dāng)烷烴硼化中也消耗了HBpin副產(chǎn)物時，偶爾導(dǎo)致報道的產(chǎn)率超過100％。該限制并不擴展到用于烷烴硼化的銠體系，其中一些體系可以利用HBpin作為硼源。HBpin相對于B2pin2的反應(yīng)性降低歸因于兩種試劑提供的焓驅(qū)動力的差異，但銠催化劑的成功表明銥系的主要限制是動力學(xué)性質(zhì)的，說明合適的銥催化劑應(yīng)能充分消耗硼化劑。考慮到現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性，范德堡大學(xué)化學(xué)系，Nathan D. Schley課題組進行了使用二吡啶基芳基甲烷配體L2-L6進行烷烴硼化的研究（圖2）。母體二吡啶基苯基甲烷（L2）的衍生物已作為輔助配體在其他應(yīng)用中進行了研究，但以前并未在催化中使用。聯(lián)吡啶基甲烷部分保留了典型dtbpy或Me4Phen配體的二亞胺主鏈，同時也允許加入從N-M-N平面伸出的取代基。作者的目的是，這個配體框架可能在環(huán)金屬化時結(jié)合在一個面k-3模式中，這是鈀和鎳配合物中觀察到的一種配位模式。這種面部結(jié)合模式（圖3）將產(chǎn)生類似于Cp *配體的五電子凈供體，在烷烴硼化的早期實例中被廣泛使用。面部協(xié)調(diào)還可以通過在環(huán)金屬化環(huán)上進行取代來調(diào)節(jié)空間和電子參數(shù)。DOI：10.1021/jacs.0c00524
Figure 2. Comparison of ligands forn-octane borylation. aNMR yield reported relative to the number ofmolar equivalents of B2pin2.
Figure 3. Illustration of a possible κ3 bindingmode for ligands L2?L5 and its analogy to Cp*ligands used in previous examples.
作者報道了對二吡啶基甲烷配體的探索，得到了一種高活性的烷烴硼化催化劑，它既提高了硼試劑的催化性能，又提高了硼試劑的轉(zhuǎn)化率。這些改進允許在非純條件下進行催化并改進官能團相容性。調(diào)查了配體L1-L6與正催化劑[Ir（cod）OMe] 2組合時正辛烷的硼酸酯化作用（圖2）。L1僅產(chǎn)生痕量的辛基-Bpin。相對于親本支架L1，L2的結(jié)果有所改善，但仍不如Me4Phen。由于次甲基位置的氟化而不同的L3與L1同樣具有低收率。由于L2和L3的性能較差，我們很高興地發(fā)現(xiàn)，氟化芳烴衍生物L(fēng)4和L5相對于L1的收率得到了顯著提高。鄰二氟衍生物L(fēng)6不能環(huán)金屬化以產(chǎn)生圖3所示的κ3模式，與之相比，收率很低。間氟取代的L4表現(xiàn)出顯著的功效，幾乎定量消耗了B2pin2的兩個硼烷當(dāng)量。按照慣例，其中產(chǎn)品的產(chǎn)量是基于1當(dāng)量的B2pin2計算的，L4促進了180％的產(chǎn)量，反映了副產(chǎn)物HBpin的大量消耗。相對于已建立的配體Me4Phen，L4在類似條件和已報道的Me4phen優(yōu)化條件下均顯示出收率的大幅提高。因此，相對于烷烴CH硼酸酯化的已建立配體，L4代表了顯著的改善。使用L4和正辛烷進行烷烴硼化反應(yīng)的優(yōu)化。在對照實驗中，省去了前催化劑或配體，沒有產(chǎn)物形成。盡管Cp * Rh配合物是出色的烷烴硼化催化劑，但[Rh（cod）OMe] 2 / L4并不是活性催化劑體系（表1，條目2）。使用[（Mes）Ir-（Bpin）3]作為催化劑前體，在催化劑負載量僅為1 mol%（表1，條目8）的情況下產(chǎn)生了定量產(chǎn)率。利用[（Mes）Ir（Bpin）3]，發(fā)現(xiàn)在120℃的反應(yīng)溫度下反應(yīng)24小時可獲得最大產(chǎn)率。
Table 1. Optimization of Catalytic C?H Borylation under Neat Conditions
在表1中優(yōu)化的條件下，使用圖4所示的底物探索了反應(yīng)范圍。對于幾種底物，將[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4系統(tǒng)的結(jié)果與使用[（Mes） ）Ir-（Bpin）3] / Me4Phen在我們優(yōu)化的條件下。在可用的地方，指出了使用替代反應(yīng)條件的[（Mes）Ir（Bpin）3] / Me4Phen的產(chǎn)率。在所有情況下，我們發(fā)現(xiàn)與Me4Phen相比，L4的產(chǎn)品形成顯著增加。該催化體系與醚，叔胺和酯兼容。丁基乙基醚顯示出良好的β選擇性，而環(huán)戊基甲基醚和己酸甲酯在甲基上進行選擇性硼化。對CH鍵至Lewis堿鍵的選擇性歸因于先前的銥系統(tǒng)中的導(dǎo)向作用。重要的是，發(fā)現(xiàn)各種底物以B2Pin2為基礎(chǔ)進行催化的sp3硼化，其收率超過100％。用這種催化劑使用純凈的底物可獲得高收率，這表明它可以在降低的底物濃度下在溶劑中催化。溶劑中的硼化對于芳烴硼化是很常見的，但在sp3硼化的例子中仍然很少。幾乎以前所有簡單的烷烴和醚底物的sp3硼化的實例都是在純凈的底物中進行的，以獲得合理的有機硼烷收率。以前在溶劑中未活化底物上進行此反應(yīng)的嘗試通常會導(dǎo)致所需有機硼烷的低產(chǎn)率或反應(yīng)溶劑的廣泛硼化。
Figure 4. Substrate scope for catalyticborylation under neat conditions. aReported GC yield with 1b, 2,c or 4%d[(Mes)Ir(Bpin)3].5eReported GC yield with [Ir(cod)OMe]2 (10% Ir) at 120 °C. fGCyields using Me4Phen under our conditions.
考慮到[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4對仲或支鏈烷烴的不良催化性能（圖4，右），檢查了潛在溶劑的選擇（表S1），并得出了使用的最佳條件 在圖5中。作者發(fā)現(xiàn)[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4系統(tǒng)能夠在環(huán)己烷中生產(chǎn)可烷烴的硼化反應(yīng)，而競爭性的溶劑化硼化作用可忽略不計。雖然在單當(dāng)量底物的情況下反應(yīng)進行至22％的收率，但高收率需要5當(dāng)量的底物，與純底物的典型要求相比有實質(zhì)性的改進。
Figure 5. Substrate scope for catalytic C?H borylation conducted in cyclohexane solvent. aIsolated asoctyl-Bpin.
環(huán)己烷溶劑中sp3硼化反應(yīng)底物的研究揭示了幾個有趣的特征。所有在純凈條件下成功的底物在溶劑中都能很好地轉(zhuǎn)化為我們的條件，盡管這意味著底物濃度下降了約15倍。此外，純凈條件下，沒有進行催化硼化的內(nèi)酯和酰胺底物可以在環(huán)己烷中有效地進行硼化。內(nèi)酯底物是在α-支化甲基上而不是在受阻較少的正丁基上進行硼化，我們懷疑這是與之前觀察到的其他Lewis堿性底物類似的導(dǎo)向作用的結(jié)果。這些相對極性底物的成功突出了尋找能夠在溶劑中進行烷烴硼化反應(yīng)的催化劑的重要性，因為這樣的系統(tǒng)可以使C-H硼化反應(yīng)實際應(yīng)用于不適合純凈條件的底物。
在最優(yōu)化的溶劑條件下，與純條件相比，更少的底物的收率超過100％。目前尚不清楚[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4催化劑體系的哪些特征相對于（Me4phen）/ Ir體系增加了HBpin的消耗。當(dāng)在純凈條件下單獨使用HBpin作為硼源時，觀察到適度的有機硼烷收率（表1，條目11）。當(dāng)將B2pin2用作硼源時，該結(jié)果低于基于HBpin消耗的預(yù)期結(jié)果。但是，在與B2Pin2反應(yīng)1小時后添加HBPin時，觀察到大量HBpin轉(zhuǎn)化，提示B2pin2和HBpin在催化劑活化中的作用不同（表1，條目12）。來自11B NMR研究的凈硼酸酯化反應(yīng)的結(jié)果（圖6）與在催化初始階段HBpin的大量積累是一致的。在更長的反應(yīng)時間下，很明顯將HBpin摻入產(chǎn)品中，這證明HBpin仍然是烷烴硼化的有效硼源。在Cp * Rh系統(tǒng)中，觀察到了B2pin2和HBpin之間反應(yīng)速率的相似差異。
Figure 6. B2pin2 and HBpin consumption asdetermined by 11B NMR spectroscopy
與以往的銥催化劑相比，[（Mes）Ir（Bpin）3]/L4體系在烷烴硼化反應(yīng)中的性能提高可能是由于原位生成的銥物種的結(jié)構(gòu)所致。在23℃下，[（Mes）Ir（Bpin）3]與L4的反應(yīng)中觀察到一個主要的19F nmr物種，并在催化條件下演化為幾個物種。雖然還沒有成功地獲得解釋L4在催化條件下結(jié)合模式的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，但作為取代苯基的函數(shù)，反應(yīng)活性的顯著變化表明，在催化循環(huán)的關(guān)鍵步驟中，芳基并沒有遠離金屬中心。推測芳基環(huán)金屬化引起的k-3結(jié)合模式的作用是很有誘惑力的，特別是考慮到L6的性能較差, 尤其是考慮到L6的性能較差，但配體的sp2硼化可能會在金屬中心附近安裝一個頻哪醇硼烷基團。Hartwig小組先前提出了在烷烴硼化反應(yīng)中金屬硼基和底物之間的二級配位球相互作用的作用。
不管L4以何種方式實現(xiàn)增強的烷烴硼酸酯化催化，很明顯，與以前報道的銥催化劑相比，所得的[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4催化劑體系具有主要優(yōu)勢。對于許多在純凈條件下的實例，B2pin2試劑及其副產(chǎn)物HBpin均被消耗，從而生成硼化產(chǎn)物。由于B2pin2通常是此類條件下的限制試劑，[（Mes）Ir（Bpin）3]/L4體系在產(chǎn)品產(chǎn)率和昂貴硼源的有效利用方面具有優(yōu)勢。此外，該催化劑允許在烴類溶劑中少量過量底物的硼化，而無需導(dǎo)向基團策略。這方面的關(guān)鍵進展是雙吡啶基甲烷配體的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，母體配體的取代使催化劑的催化效率發(fā)生了深刻的變化，這表明雙吡啶基甲烷配體有望為烷烴羰基化催化提供一種新的且高度可調(diào)的配體支架。作者正在進行的工作旨在了解二吡啶基芳基甲烷配體在硼酸化催化中的結(jié)合方式，以期開發(fā)出活性越來越高的催化劑。
DOI：10.1021/jacs.0c00524
