葛少中Angew：鉻催化單取代聯烯的選擇性二聚硼氫化反應

2020-10-18 研之成理

▲第一作者：趙銀松；通訊作者：葛少中
通訊單位：新加坡國立大學

論文DOI：doi.org/10.1002/anie.202012344

https://doi.org/10.1002/anie.202012344

課題組主頁：www.geresearchgroup.com

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新加坡國立大學葛少中課題組發展了鉻催化單取代聯烯的選擇性二聚硼氫化反應，為快速，高效的構築含硼官能團的(E,Z)-1,4-二烯烴分子提供了新的策略。該反應採用廉價的CrCl2作為催化劑，mesPDI作為配體，具有良好的底物普適性和官能團兼容性。反應機理研究表明該反應可能經歷一價(L)Cr(I)‒H物種，為探索氫化功能化反應提供了新的思路。

背景介紹

非共軛二烯烴分子骨架廣泛存在於天然產物中，也是有機合成中十分重要的中間體(圖1A)。早期合成非共軛二烯烴分子的方法往往需要貴金屬催化劑或者過量的有機金屬試劑參與。鑑於有機硼試劑在有機合成化學中廣泛應用，因此，發展一種簡潔，快速構築含硼官能團的非共軛二烯烴分子的方法具有十分重要的合成意義和潛在應用價值。


聯烯是一類具有高反應活性的合成子，在過渡金屬催化下可以發生二聚或者三聚反應，或者與不飽和化合物發生氧化加成反應。此外，聯烯也容易與硼烷進行硼氫化反應。在過渡金屬（如Pt，Cu和Co等）催化下，可以高選擇性的得到烯基或者烯丙基硼試劑。雖然在當量的有機硼試劑促進下，芳基聯烯也可以發生二聚硼氫化反應得到(E,Z)-1,5-二烯烴分子（圖1B）。但是，該硼試劑價格昂貴，並且反應時間久，底物普適性較差。

▲圖1：含非共軛二烯烴骨架的天然產物以及聯烯的二聚硼氫化反應

研究出發點

我們課題組一直致力於發展廉價過渡金屬催化不飽和烴類化合物的硼化反應，為簡潔、快速、高效地合成有機硼試劑提供新的策略。近年來，發展了1,6-和1,7-烯炔衍生物的不對稱環化/硼氫化反應(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6526;.J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10687;.Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 8882.)，簡單烯烴和1,3-二烯烴的單或雙硼化反應(ACS Catal. 2016, 6, 7585; Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 1654; Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 12935; Nat. Commun. 2020, 11, 765)，以及1,3-烯炔、聯炔和聯烯衍生物的選擇性硼氫化反應(Org. Chem. Front. 2018, 5, 1284; ACS Catal. 2019, 9, 10109; Chem. Sci. 2020, 11, 2783)等.


在之前研究的基礎上，我們發現在鉻催化劑催化下，單取代聯烯選擇性發生二聚硼氫化反應，快速高效地構築了一系列含硼官能團的(E,Z)-1,4-二烯烴分子（圖1C）。本文亮點：1）採用廉價的CrCl2作為催化劑；2）反應具有很好的化學選擇性、區域選擇性和立體選擇性，得到單一構型的二聚硼氫化產物；3）含硼官能團的(E,Z)-1,4-二烯烴分子可進一步衍生為其他功能化小分子。

圖文解析

▲圖2：底物普適性的探索與產物的衍生


經過一系列條件篩選得到反應的最佳反應條件為：3 mol% CrCl2作為催化劑，3 mol% mesPDI作為配體，6 mol% NaBHEt3作為活化試劑，THF作為反應溶劑，室溫條件下反應8小時。其他常見的金屬如錳，鐵，鈷，鎳和銅催化劑，均不能催化該反應的進行。在最佳反應條件下，我們對該反應的底物普適性進行了探索（圖2a和2b）。該反應具有良好的底物普適性，以中等到良好的收率得到兼容醚，矽醚，滷素，縮酮，磺酸酯，矽烷和活潑的烯烴等多個功能基團的(E,Z)-1,4-非共軛二烯烴分子庫。該反應還可以擴大到克級規模，產率不受影響（2p，1.03g，72%）。此外，我們探索了不同單取代聯烯之間的交叉二聚硼氫化反應，得到了良好的選擇性和中等收率。這類含硼官能團的(E,Z)-1,4-非共軛二烯烴分子骨架中含有硼，雙取代雙鍵和三取代雙鍵，可以進一步衍生成一系列功能化的有機小分子（圖2c）。例如，產物2p中Bpin基團可被氧化為羥基，以95%的產率得到化合物4，然後選擇性的氧化得到環氧化合物5；產物2p中烯丙基硼單元可以與多聚甲醛反應，以92%的產率得到碳鏈拓展的化合物6，然後在鈷催化下與二溴甲烷進行選擇性環丙基化反應得到化合物7。此外，在鎳催化劑催化下，產物2b中的雙取代雙鍵基團選擇性地發生遠程苄位芳基化反應，以良好的產率得到化合物9和10。


為了驗證反應的機理，我們進行了一系列機理驗證實驗：1）EPR實驗，催化劑驗證實驗和氘代實驗表明，該反應可能經歷一價(L)Cr‒H物種；2）反應具有明顯的溶劑效應。該反應在醚類溶劑如THF，1,4-dioxane和DME中反應良好，在非極性溶劑如hexane和toluene中不進行。進一步輔助EPR實驗表明，THF可能作為配體參與生成活性鉻催化物種。3）動力學實驗表明反應對催化劑是一級反應，對底物聯烯和HBpin是零級反應。

▲圖3：機理驗證實驗
根據以上機理實驗，我們提出了如下可能的反應機理（圖4）。首先，CrCl2、mesPDI和NaBHEt3在THF中生成配位飽和的一價鉻物種(L)Cr(THF)2‒H (I)，隨後I解離出THF配體生成缺電子的活性鉻物種(L)Cr(THF)‒H (II)。一分子聯烯與II進行配位、遷移插入得到烯丙基鉻中間體IV；隨後與另一分子聯烯發生配位、遷移插入反應得到中間體VI。最後，中間體VI在THF和HBpin的作用下生成目標產物，同時釋放出催化物種前體I。催化循環中，THF的解離可能是反應的決速步驟；聯烯中R基團的位阻效應決定了配位插入過程的立體選擇性；而中間體VI中cis C=C雙鍵的配位作用可能抑制聯炔的進一步配位插入過程

▲圖4：可能的反應機理

總結與展望

綜上，我們發展了鉻催化的單取代聯烯的選擇性二聚硼氫化反應，為快速構築含硼官能團的1,4-非共軛二烯烴分子提供了新的合成策略。反應具有良好的底物普適性和官能團兼容性。產物中含有Bpin和雙鍵功能化基團，可衍生為其他官能團化的化合物。反應機理研究表明該反應可能經歷一價的(L)Cr‒H物種，為探索新的氫化功能化反應提供了新的思路。

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