铑催化芳基酮的脱氧硼氢化区域发散性合成烷基硼：机理和选择性研究
作为有机合成中最通用的化合物之一，烷基硼化合物可通过不同的碳硼键转换广泛应用于制药、材料科学和农业化学。烯烃的硼氢化是合成烷基硼化合物的最直接策略之一：通常催化或无催化的烯烃硼氢化得到反马氏加成产物，金属催化的烯烃硼氢化得到马氏加成产物，但烯烃区域发散性硼氢化的例子较少（只有6例，图 1A）。
目前，除烯烃以外，尚无利用其他原料区域发散性合成直链和支链烷基硼化合物的报道。最近，湖南大学赵万祥课题组与香港科技大学林振阳课题组合作报道了铑催化芳基酮的脱氧硼氢化区域发散性合成烷基硼的策略，并通过DFT计算发现区域选择性由配体的空间效应决定。研究成果以“Rhodium-Catalyzed Regiodivergent Synthesis of Alkylboronates via Deoxygenative Hydroboration of Aryl Ketones: Mechanism and Origin of Selectivities”为标题发表在ACS Catal. 2021, 11, 9495−9505（DOI: 10.1021/acscatal.1c02685）。
在该课题组前期报道“铑催化酮的脱氧及硼化选择性合成烯烃、烯基硼和烯基偕二硼”( J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 18118−18127) 的研究基础上，作者向反应体系中加入质子源，使酮脱氧硼化过程中生成的中间体A质子化（图 1B），得到了烷基硼产物。另外，作者通过配体控制烯烃硼氢化的区域选择性，实现了由芳基酮脱氧硼氢化区域发散性合成烷基硼的策略（图 1C）。该策略的挑战是：1）、找到合适的催化体系，既能催化酮的脱氧生成烯烃，又能实现烯烃的区域选择性硼氢化；2）、铑催化烯烃的硼氢化大部分情况会生成马氏加成产物或混合物，生成反马氏加成产物的报道较少。
图1.（a）烯烃的区域选择性硼化；（b）酮的脱氧硼化；（c）酮的区域发散性硼化
（图片来源：ACS Catal.）
在优化反应条件后，作者首先对合成直链烷基硼的底物范围进行了考察（图2），发现：一系列吸电子基团或给电子基团均能以高产率及良好的区域选择性（l/b>20/1）得到目标产物；各种多取代苯环、杂芳环、稠环均能兼容并得到相应的烷基硼产物；烷基甲酮也能得到直链烷基硼化合物。以上结果表明：该反应具有良好的官能团耐受性、底物普适性。
图2. 直链烷基硼的合成
（图片来源：ACS Catal.）
接下来，作者对合成支链烷基硼的底物范围进行了考察（图3），发现：甲硫基、卤化物、磺酰基、酯基、羟基、氨基等多种官能团均能兼容；吲哚、呋喃、噻吩等杂芳环及香茅醇、薄荷醇、雌二醇衍生物均能得到相应的支链产物；除甲基外，烷基链的长度对反应没有明显影响，可以以中等产率得到支链烷基硼产物；烷基酮不适用于该反应。
图3. 支链烷基硼的合成
（图片来源：ACS Catal.）
该方法不仅可以区域选择性合成直链和支链烷基硼产物，也能合成1,1,2-三硼化合物（图4）。甲氧基、卤素、酯基、羟基、氨基均可以兼容，得到相应的1,1,2-三硼产物；多取代苯环、萘环、吲哚及雌二醇衍生物均可得到对应的脱氧硼化产物。以上结果表明：该方法具有良好的官能团耐受性、底物普适性。
图4. 1,1,2-三硼的合成
（图片来源：ACS Catal.）
在经过一系列控制实验后，作者提出了可能的反应机理（图5）：首先酮和Rh-Bpin经过1,2-迁移插入、β-H消除、β-氧消除得到烯烃（环 II）。当P(nBu)3为配体时（环I），苯乙烯首先与Rh-H络合物B配位生成中间体F，然后经过反马氏硼氢化（迁移插入和还原消除）生成线性烷基硼化合物2。当PPh2Me为配体时（环III），苯乙烯与Rh-H络合物B′配位生成中间体F′，随后，Rh−H键的迁移插入得到Rh-烷基物种H，然后与HBpin氧化加成和还原消除产生马氏加成产物3和再生Rh−H 络合物B '。
图5. 可能的机理
（图片来源：ACS Catal.）
随后，通过DFT计算对反应过程、反应的区域选择性进行了解释（图6）。DFT计算结果表明在反应途径中烯烃迁移插入产生Rh-烷基物种并不直接与HBpin进行σ键复分解得到烷基硼产物，而是通过与HBpin氧化加成和还原消除过程得到烷基硼产物。DFT计算结果还表明烯烃的迁移插入是区域选择性的决定步骤，P(nBu)3和PPh2Me不同的空间效应决定了产物的区域选择性。
（图片来源：ACS Catal.）
总结，本文发展了一种高效的铑催化芳基酮脱氧硼化合成支链和支链烷基硼的策略，该策略是首次使用除烯烃以外的原料区域发散性合成马氏加成和反马氏加成烷基硼产物。实验和DFT计算表明：首先，酮经过脱氧得到烯烃；随后，配体控制烯烃的区域选择性硼氢化得到支链和直链烷基硼产物，配体不同的空间效应决定了产物的选择性；此外，烯烃与HBpin或B2pin2经过脱氢硼化、硼氢化得到1,1,2-三硼化合物。湖南大学博士生张兵和香港科技大学博士生徐鑫为本文的共同第一作者，湖南大学赵万祥教授和香港科技大学林振阳教授为本文的共同通讯作者。