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Research:Insertion of Alkylidene Carbenes into B–H Bonds

Date:2020-11-27

不饱和卡宾对硼氢键的插入反应

        有机硼化合物广泛应用于有机合成、医药、农药、材料等领域,发展新的C-B成键反应,高效合成结构多样性的有机硼,一直广受关注。卡宾对B-H键的插入反应可以实现多种自由卡宾及金属卡宾和稳定硼烷加成物(胺-硼烷加合物、膦-硼烷加合物,N-杂环卡宾-硼烷加合物)的B-H键的插入反应,将卡宾化学和有机硼化学关联起来,已成为构建C-B键的有效方法(图1a)。由于卡宾的类型丰富,结构多样性好,因此该反应在结构多样性有机硼的合成中具有明显优势,受到越来越多的关注。然而,迄今为止,只有饱和卡宾(即二取代卡宾)被成功用于卡宾对B-H键的插入反应,因此仅能构筑C(sp3)-B,生成烷基硼烷加合物,这限制了反应的应用。南开大学化学学院周其林和朱守非团队一直致力于卡宾转移反应研究,从2013年起,发现了一系列催化卡宾对B-H键插入反应(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14094; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3784; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10663; ACS Catal. 20188, 7351)。最近,该团队报道了不饱和卡宾(亚烷基卡宾)对B-H键的插入新反应,首次利用卡宾插入反应构建了C(sp2)-B键,制备出各种链状和环状胺-烯基硼烷加合物(图1b)。该反应将不饱和卡宾化学和有机硼化学关联起来,为有机硼的多样性合成提供了新的可能。


图1 卡宾对B-H键的插入反应
      在叔丁醇钾存在下,三氟甲磺酸烯基酯1可以和多种稳定硼烷加合物,包括胺-硼烷加合物,膦硼烷加合物,吡啶硼烷加合物,和氮杂环卡宾-硼烷加合物发生反应,生成相应的烯基硼烷加合物。对于分子间亚烷基卡宾对B-H键的插入反应(图2),底物1的烯基部分可为β,β-二烷基取代的乙烯基,当烷基链较长时,会发生C-H键插入反应,生成环戊烯类副产物,使目标产物收率降低。当底物1的烯基部分有β-芳基取代时,现场生成的亚烷基卡宾会优先发生芳基的1,2-迁移,生成相应的炔烃,无法给出目标产物。



图2 分子间亚烷基卡宾对B-H键的插入反应

分子内亚烷基卡宾对B-H键的插入反应也能顺利发生,给出相应的B-N杂环戊烯衍生物(图3)。底物4中的胺基部分可以是三级胺,也可以是二级胺,但是后者收率较低。当使用环状胺基时,可以生成B-N杂螺环化合物,这种结构未见文献报道。将一些药物分子的胺基引入本反应,同样能给出相应的B-H键插入产物,这表明本方法有望用于药物的修饰改造。和分子间反应不同,分子内的反应中β-芳基取代的底物也能给出相应的B-H键插入产物,其中缺电子芳基取代的底物给出更高的收率。


图3 分子内亚烷基卡宾对B-H键的插入反应

产物中的C-B键可方便地转化为C-C键和多种官能团,具有很好的合成应用潜力(图4)。值得一提的是,本研究所制备的B-N杂螺环化合物未见文献报道,由于B-N键是C-C键的电子等排体,因而有望用于药物的开发。

图4 产物的转化举例

初步的机理研究表明,该反应可能包含两个过程,即叔丁醇钾促进三氟甲磺酸烯基酯的α-消除生成不饱和卡宾和该不饱和卡宾对B-H键的插入生成目标产物,前者可能是决速步,后者可能经三元环过渡态的协同机理进行(图5)。上述结论得到了动力学同位素效应实验的支持。


图5 反应可能机理

总之,上述研究拓展了卡宾对B-H键的反应类型,合成了多种结构新颖的有机硼化合物,有望在合成化学和药物设计中得到应用。相关成果近期发表于J. Am. Chem. Soc.(https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.0c09596),杨吉民博士和郭风开为文章的共同第一作者。