Angew：Olivier Baslé课题组实现可见光诱导Rh(I)催化的导向C-H硼化

过渡金属（TM）催化的C-H官能团化是有机材料、天然产物合成和药物发现过程的重要合成工具。近年来，可见光驱动反应的研究促进了用于C-H转化的新催化体系的发展。这些新体系大多数涉及光氧化还原催化剂（PC）的光敏化，PC通过氢转移（HAT）或单电子转移（SET）来促进转化（Figure 1a）。最近，研究人员通过光氧化还原催化和TM催化合用的双催化策略实现了官能团的选择性引入（Figure 1b）。然而，可见光诱导的TM催化的C-H官能团化仍存在一些挑战，如需要开发有效的催化剂来解决与未活化C-H键的选择性转化。

有机硼化合物是药物化学和材料科学中常见的通用中间体，而芳烃的C-H硼化是其最直接的构建方法。尽管TM催化的区域选择性C-H硼化已取得了进展，但仅有少数光催化体系被报道且反应具有较差的区域选择性（Figure 1c）。近日，法国国家科学研究院（CNRS研究所）OlivierBaslé课题组在室温下实现了可见光诱导的Rh(I)催化的区域选择性芳烃C-H硼化（Figure 1d），该成果发表于近期Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.201905924）。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

目前，在TM催化的C-H硼化中使用N-杂环卡宾（NHC）配体的情况极少。最近，作者开发了一类新的双齿羧酸酯NHC配体，并证明其在热力学条件下的芳香族和脂肪族C-H硼化中对Cp*Rh(III)类催化剂有益。为了在温和的条件下实现C-H硼化，作者尝试将强给电子双齿羧酸酯NHC配体配位的Rh(I)络合物与相对不稳定的1,5-环辛二烯（cod）配体结合，得到可见光吸收配合物；并将一系列基于氨基酸的NHC配体前体1转化为相应的Ag中间体，其转金属化为[Rh(cod)Cl]₂，从而得到预期的Rh(I)络合物2（Figure 2）。其中，络合物2a的结构通过X射线衍射分析得到确证，其呈现出略微扭曲的方形平面形状（Figure 2）。此外，紫外-可见光谱表明2a可以被蓝光LED激发。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

在得到新的配合物后，作者以B₂pin₂作为硼化试剂研究其在吡啶基导向的芳香族C-H硼化中的光催化活性（Table 1）。在20 W蓝光LED照射及络合物2a存在下，2-苯基吡啶（3a）通过官能团化可以90%的转化率和适当的选择性得到邻位硼化产物。以4-甲基吡啶作为导向基团可以有效提高硼化反应的区域选择性并以几乎定量的产率得到硼化产物4b。溶剂对催化活性有显著影响：用苯代替THF，产率降低；在二氯甲烷和乙腈中反应时，几乎没有预期产物生成。另外，用HBpin代替B₂pin₂后，反应以中等产率得到产物。随后，作者还研究了NHC配体对硼化反应的影响，结果显示，络合物2b的硼化效率基本未变，但基于丙氨酸的络合物2c的硼化效率明显降低。此外，[Rh(cod)Cl]₂或单齿NHC配体(IMes)Rh(cod)Cl在该类反应中表现出非常差的催化活性，这进一步证明了螯合NHC配体的重要性。最后，对照实验表明铑催化剂和光均是反应的必要条件。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接下来，作者研究了2-芳基吡啶底物3的硼化适用范围（Table 2）。在优化的反应条件下，作者考察了空间位阻和电性对反应效率的影响。底物在芳基的对位、间位和邻位含有取代基时，均具有良好的耐受性和反应性。与富电子底物3g相比，缺电子底物3h和3i的反应性略微降低。吡啶环上被CF₃和Ph取代的2-苯基吡啶也是适合的底物。具有空间位阻的底物3l可以高效率实现1-萘基片段的硼化；异喹啉基团也适合于导向富电子和缺电子取代的芳基片段的邻位硼化。前手性二茂铁基底物3r未发生反应；底物3s可以高效率和低对映诱导性实现区域选择性C(sp³)-H硼化。最后，底物3t参与吡啶导向的去对称化后可以良好的分离产率得到预期产物5t。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了研究可见光诱导的C-H硼化的反应机理，作者开展了一系列实验。首先，在BHT或TEMPO存在下，底物3b的硼化活性没有明显降低，表明该反应不涉及自由基过程。随后，作者将光开关实验与动力学同位素效应交叉实验组合（Scheme 1）。当LED关闭时，反应在黑暗中不发生，这表明恒定的光激发对该转化必不可少。另外，作者通过测量和比较两个反应速率常数确定速控步骤为C-H键的断裂。随后，作者用蓝光LED照射化学计量的络合物2a和底物3b的d₈-THF（或C₆D₆）溶液，发现在δ -21.7处产生了Rh-H特征信号（Scheme 2）；而在CD₃CN溶液中未检测到Rh-H信号。这表明该过程伴随着1,5-cod配体解离异构化为1,3-cod。2D (¹H,¹³C)-HMBC显示氢化物配体、C_carbenic和邻位C_phenyl原子之间具有强相关性，这表明预期的环金属化Rh(III)-氢化物6可能由3b的邻位C-H键通过氧化加成得到。尽管作者未能成功分离6，但水解产生的Rh-(µ-OH)中间体的结构表征进一步证实了环金属化Rh(III)中间体的八面体几何结构。此外，在黑暗环境中，作者将3b添加到络合物2a的预照射d₈-THF溶液中时，未检测到氢化物物种，这证实了光诱导的C-H活化过程。与Gonzalez-Herrero关于Pt(II)络合物三重激发态中C-H活化的机理研究类似，作者推测金属→配体电荷转移促进氧化性邻位C-H加成，从而导致环化产生Rh(III)-氢化物中间体6，并认为6与B₂pin₂反应得到HBpin和相应的Rh(III)-硼化物，其通过还原消除得到邻位硼化产物4。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

结语：Olivier Baslé课题组开发了一种可见光诱导Rh催化的芳烃的区域选择性C-H硼化方法，这一温和的C-H键活化方法可用于其他官能团化反应，包括不对称转化。

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