【人物与科研】西南科技大学曹克副研究员课题组：Pd/NHC精准解锁o-碳硼烷B(3,6)-H的选择性活化

导语

碳硼烷是一类具有三维芳香性的硼碳分子簇，其以独特的光电、生化特性，在耐高温材料、发光材料、超分子化学、配位化学以及药物化学等领域具有重要的应用前景。由于o-碳硼烷含有10个不完全等价的B-H键，且相互之间反应活性差异甚微，因此，如何实现B-H键的区域选择性官能化及o-碳硼烷衍生物的多样化、原子经济性合成已成为制约碳硼烷化学及相关材料学科发展的瓶颈。

近年来，利用亲电硼氢活化和定位基团导向硼氢活化策略在实现B(8,9,10,12)-H和B(4,5)-H键的选择性官能化方面已经取得了长足的进步。然而，对于缺电子的B(3,6)-H键的选择性官能化却鲜有报道。近日，西南科技大学曹克副研究员课题组利用原位生成的Pd-NHC催化体系，在温和的反应条件下实现了o-碳硼烷B(3,6)-H的选择性活化，为B(3,6)-H键的选择性官能化提供了一个普适性的催化体系，相关成果在线发表于Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b03790）。

o-碳硼烷B(3,6)-H键的选择性官能化

（来源：Org. Lett.）

曹克副研究员课题组简介

本课题组主要以o-碳硼烷的合成方法学为基础，以惯性约束聚变（ICF）碳化硼靶材料的应用需求为导向，重点开展区域选择性构建C-B/B-X键的新方法、碳化硼靶材料的设计与合成研究，实现从单体的合成方法、性能研究到材料的应用，形成了较为系统的研究体系，部分研究成果已经应用于碳化硼靶材料的研制工作中。本小组目前有博士生3人，硕士生1人，本科生3人。

课题组成果

曹克副研究员简介

曹克，2011年毕业于兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室，师从涂永强院士，从事金属有机化学及活性天然产物的全合成研究。2011年7月起任职于西南科技大学材料科学与工程学院；2013年起在环境友好能源材料国家重点实验室独立开展有机硼化学及碳化硼靶材料的研究工作。

前沿科研成果

Pd/NHC精准解锁o-碳硼烷B(3,6)-H的选择性活化

o-碳硼烷是一个具有三维芳香性的硼碳分子簇，它含有10个不完全等价的B-H键。自20世纪60年代o-碳硼烷问世以来，对其进行B-H键的选择性官能化就是一个难以逾越的难题。近年来，根据B-H键电荷密度的差异，利用亲电硼氢活化和定位基团导向硼氢活化策略在实现B(8,9,10,12)-H和B(4,5)-H键的选择性官能化方面已经取得了长足的进步。然而，对于缺电子的B(3,6)-H键的选择性官能化却鲜有报道。

1988年，Sneddon小组利用Ir催化B(3)-H活化首次实现了丙炔的硼氢化反应，然而，该催化体系仅适用于丙炔。2017年，谢作伟教授和邱早早教授小组利用Ir催化B-H活化实现了B(3,6)-H键的选择性硼化反应，为B(3,6)位的官能化提供了一个通用的反应中间体。遗憾的是，当利用3,6-Bpin₂-o-碳硼烷合成3,6-Ar₂-o-碳硼烷时反应效率却不甚理想。因此，发展经济、高效且具有普适性的催化体系来实现B(3,6)-H键的选择性官能化对促进碳硼烷化学的发展具有重要的推动作用，同时也极具挑战性。

氮杂卡宾（NHC）是一类具有强σ供电子能力的配体，在金属有机化学和合成有机化学领域具有广泛的应用。然而，在碳硼烷化学中，人们发现NHC会使碳硼烷发生脱质子/脱硼反应，从而得到巢式碳硼烷的两性离子盐。由于这种原因，过渡金属/NHC催化体系一直未被用于探索B-H键的活化反应中。

由于缺电子的B(3,6)-H易于被富电子的金属中心活化，该小组在前期研究工作的基础上，提出利用NHC调控Pd中心的电荷密度来实现B(3,6)-H的选择性活化：（1）Pd-NHC配合物易于原位生成，从而能够抑制碳硼烷的脱质子/脱硼反应；（2）相比于Pd(OAc)₂，NHC的强供电子能力会降低Pd-NHC的亲电性，从而抑制B(8,9,10,12)-H与Pd(OAc)₂的亲电钯化反应。基于此种设想，该小组利用原位生成的Pd-NHC，在温和的反应条件下成功实现了o-碳硼烷B(3,6)-H的选择性活化/芳基化，并利用分步反应实现了不对称o-碳硼烷衍生物的高效合成。

图1. Pd/NHC催化B(3,6)-H的选择性活化/芳基化

（来源：Org. Lett.）

在最优反应条件下，作者对反应底物的普适性进行了研究（图2）。可以看出，卤代碘苯均能以较好的产率得到目标产物（3b-3d, 3f-3i），而邻位取代基的位阻效应对产率有较大的影响（3e）。含有氰基、醛基以及酯基的底物也可得到中等产率的产物（3j-3l）。然而，带有供电子取代基的底物的反应效率却很低，这可能是由于碘苯对Pd中心的氧化加成是慢反应造成的。

图2. 碘苯衍生物的适用范围研究

（来源：Org. Lett.）

接着，作者对硼取代的o-碳硼烷进行了考察（图3），结果表明，B(9)位取代的o-碳硼烷也可以顺利地得到相应的目标产物（5a-5d）。该反应为三芳基取代o-碳硼烷衍生物的合成提供了一个简洁、高效的合成方法。

图3. o-碳硼烷衍生物的适用范围研究

（来源：Org. Lett.）

为了进一步拓展o-碳硼烷衍生物的多样性合成，作者以3-苯基-o-碳硼烷为底物，利用Pd-NHC催化B(6)-H活化实现了不对称o-碳硼烷衍生物的高效合成（图4），并利用X-ray单晶衍射证实了产物的精确结构。

图4. 不对称o-碳硼烷衍生物的合成

（来源：Org. Lett.）

在实验结果的基础上，作者提出了一个可能的反应机理。首先，原位生成的Pd-NHC活化B(3)-H形成B-Pd^II-NHC中间体，然后碘苯对其进行氧化加成，通过还原消除得到3-Ar-o-碳硼烷。接下来，Pd-NHC再次对B(6)-H活化，经过氧化加成/还原消除即可得到3,6-Ar-o-碳硼烷。

综上，作者首次利用原位生成的Pd-NHC催化体系实现了B(3,6)-H的选择性活化/芳基化，并利用分步反应实现了不对称o-碳硼烷衍生物的高效合成。该方法为B(3,6)-H键的选择性官能化提供了一个经济、高效的方法，对推动o-碳硼烷衍生物在相关学科领域的应用具有重要的促进作用。

实验工作由博士生许涛涛完成。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点工程专项课题、西南科技大学龙山人才科研支持计划及环境友好能源材料国家重点实验室的资助。

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