C-H鍵硼化一直以來就是科研工作者們研究的熱點問題。迄今為止，已經(jīng)報道了許多有效的催化劑，可用于各種類型的C-H鍵硼化反應。但是烷基芳烴直接轉(zhuǎn)化為相應的芐基硼酸酯還是很罕見并具有挑戰(zhàn)性，因為芳基上有許多的C(sp2)-H鍵，這就存在了一個選擇性地問題。盡管在甲基芳烴的一級芐基C（sp3）-H鍵的硼化上已取得重大進展，關(guān)于仲芐基C（sp3）-H鍵選擇性硼化以產(chǎn)生合成上有價值的仲芐基硼酸酯的報道仍然很少。
近日，東京大學的Kazuya Yamaguchi教授課題組在ACS Catalysis上發(fā)文報道了使用頻哪醇硼烷作為硼化劑，負載在CeO2上的高度分散的Ni氫氧化物可作為一種有效的非均相催化劑，用于烷基芳烴的芐基C(sp3)-H鍵（包括二元衍生物）的選擇性硼化。
作者在提出設(shè)想后，在表1所示的條件下使用各種催化劑檢查了庚基苯（1a）的反應。通過沉積沉淀法制備的Ni(OH)x / CeO2以79％的收率（表1，entry 1，表S1）提供了所需的芐基硼酸酯（2a）以及均苯甲基化硼酸酯化產(chǎn)物2a'(5%)。這個條件是最好的，作者嘗試使用其他催化劑都沒有達到這個效果。
反應開始后，Ni（OH）x/CeO2的顏色立即由淺黃色變?yōu)楹谏▓DS1）。在另一個實驗中，作者通過在與反應條件幾乎相同的條件下用HBpin處理催化劑（以下稱為Ni（OH）x/ CeO2-HBpin）獲得了相似的黑色。Ni（OH）x/CeO2-HBpin也促進1a的硼酸化（表1，條目13）。因此，作者對Ni（OH）x/Ce2對-HBpin進行了詳細的表征，以闡明反應過程中產(chǎn)生的活性物質(zhì)。Ni（OH）x /CeO2的Ni K-edge XANES光譜與Ni（OH）2相似（圖1a，圖S2）。通過比較Ni（OH）x /CeO2和Ni（OH）x / CeO2 -HBpin的XANES光譜，可以證明HBpin處理后Ni（OH）x /CeO2中Ni（II）的部分還原。圖1 a）。Ni（OH）x / CeO2-HBpin的XPS光譜顯示兩個Ni 2p3/2峰分別為855.4和852.4 eV，分別歸因于Ni（OH）2和Ni（0）物種（圖1b，圖S3）。K3加權(quán)傅里葉變換的Ni K邊緣EXAFS光譜如圖1c所示（圖S4，表S3）。Ni（OH）x / CeO2在Ni（OH）2中表現(xiàn)出較強的Ni-O散射，而幾乎未觀察到Ni（OH）2中的Ni-Ni散射。同時，Ni（OH）x /CeO2-HBpin在Ni金屬中表現(xiàn)出較弱的Ni-Ni散射以及較強的Ni-O散射。與金屬鎳相比，Ni（OH）x / CeO2-HBpin的Ni-Ni散射出現(xiàn)的距離略長。這可能是由于Ni物種與CeO2之間的界面處的Ni-Ce散射所致。
接下來，作者探討了該反應的底物適用范圍（方案2a ，b，圖S6），烷基苯（1a-1d）和二苯甲烷（1e-1g）都被轉(zhuǎn)化為相應的芐基硼酸酯。甲苯反應（1h）得到相應的偕-二硼基化產(chǎn)物作為主要產(chǎn)物（圖S7）。二甲苯（1i–1k）和均三甲苯（1l）也產(chǎn)生了相應的偕-二硼化產(chǎn)物作為主要產(chǎn)物，而帶有兩個帶有硼取代基的甲基的硼化化合物的收率非常低（<10％）。這些結(jié)果表明，如前所述，芐基Bpin取代基激活了剩余的芐基C–H鍵，優(yōu)先生成了偕二硼化的產(chǎn)物。對叔丁基甲苯（1m）的轉(zhuǎn)化率低。具有甲氧基（1n），二甲基氨基（1o，1p）和Bpin（1q，1r）基團的甲苯也適用于偕二硼基化反應。同時，被羰基或鹵素取代的烷基芳烴，雜芳族化合物和甲基萘的反應不成功（方案S1）。4-丙基甲苯（1s）的反應生成的化合物具有二硼化的甲基基團為主要產(chǎn)物，表明催化體系優(yōu)先選擇伯CH鍵而不是仲鍵（見SI）。
Scheme 2：
當使用大量過量的甲基芳烴底物時，獲得相應的單硼化產(chǎn)物作為主要產(chǎn)物（方案2c）。為了證明本催化體系的合成效用，作者進行了大規(guī)模合成，然后將硼酸酯化產(chǎn)物官能化（方案2d）。成功實現(xiàn)了1a（4.0 mmol）的大規(guī)模反應，分離出70％的2a收率。然后，將合成產(chǎn)物用于與碘苯的Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)中，得到芳基化產(chǎn)物4a。使用NaOH和H2O2，可以將2a轉(zhuǎn)化為相應的苯甲醇5a。使用BrCH2Cl和n-BuLi進行2a的增碳反應也成功完成，得到相應的均芐基硼酸酯6a。
作者進行了一些實驗，以闡明所提出的硼化的機理。首先，進行氘標記實驗。1a的初始速率和芐基位置（1a-d2）的二氘代庚基苯的初始速率幾乎相同（kH/kD= 1.0;圖S8），表明芐基CH裂解不是決定速率的步驟。剩余的1a-d2在與HBpin硼酸酯化期間的GC-MS光譜變化表明，芐基位置的氘含量迅速降低（圖S9），表明在Ni（OH）x / CeO2的存在下，芐基的C–D裂解和來自外部氫源（即HBpin）的H原子的結(jié)合非?？?。
作者還進行了1a與D2而不是HBpin的反應。當1a在Ni（OH）x /CeO2-HBpin存在下于120°C的甲基環(huán)己烷中于D2氣氛下攪拌4 h時，在芐基（20％）和高芐基（3.5％）處觀察到氘標記的位置1A無芳族C（SP2）-H氘化（方案S2）?？梢约僭O(shè)在外部氫源（例如HBpin和H2）存在下形成了Ni-H物種。另外，當1a的反應在H2下進行時在大氣中，2a的產(chǎn)生受到抑制（37％的收率，表S4，表2），這表明硼化過程涉及從Ni–H物種中去除H2的步驟。此外，即使在沒有HBpin的情況下，用Ni（OH）x / CeO2–HBpin處理1a- d2時，GC–證實了芐基C–D和同芐基C–H鍵之間的快速H–D交換。MS和NMR（圖S10），表明Ni物種催化了芐基CH活化。根據(jù)以前的報道，氫遷移可能是通過向Ni（0）物種氧化添加1a，然后消除β-氫化物和在Ni（II）物種上遷移插入而發(fā)生的?？梢院侠淼氐贸鼋Y(jié)論，上述與HBpin的高芐基硼化和與D 2的氘代化是通過類似的機理進行的。另外，當在D2氣氛下在Ni（OH）x / CeO2-HBpin存在下攪拌HBpin時，獲得DBpin（圖S11），這表明Ni物種獨立于芐基而催化B-H裂解而催化C–H激活。
最后，作者提出如下合理的反應機理（方案S3）：芐基C-H鍵的氧化加成發(fā)生在Ni物種上，從而形成Ni芐基中間體和Ni-H物種。同時，Ni物種與HBpin的反應產(chǎn)生Ni-H和Ni-Bpin物種。然后，通過連續(xù)的還原消除產(chǎn)生所需的硼酸鹽化產(chǎn)物和H2，并且使催化活性的Ni物質(zhì)再生。同時，不能排除C-H硼化是通過自由基中間體進行的。
目前的結(jié)果表明，該催化劑對芐基的C（sp3）-H裂解具有很高的活性，它比C（sp2）-H鍵的裂解優(yōu)先進行，這可能是由于形成了高度分散的超小Ni物種作為活性物質(zhì)的結(jié)果。
DOI：10.1021/acscatal.1c00185
