用作坦克穿甲弹的钨，也能成为优良的选择性烯烃异构化-硼氢化反应催化剂

前言：

提起钨这个金属，你脑海中首先想到的用途是什么？白炽灯灯丝？作为一个军迷，我的第一印象是德国豹2坦克所用的钨合金穿甲弹。最近，美国Scripps研究所Keary M. Engle课题组和西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）Ruben Martin课题组合作，利用钨金属制成的低价态钨催化剂，首次实现非活化烯烃的选择性异构化-硼氢化反应。相关研究成果发表在近期的《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.1c07162）。

背景介绍（Scheme 1）：

（来源：J.Am. Chem. Soc.）

在远程C-sp³位置构建碳碳键方面，金属催化剂催化的链行走已经发展成一种重要的构建策略。到目前为止，这一策略可以在烷烃的末端位置或稳定基团的邻近位置实现官能团化（Scheme 1a, paths a and b）。但仍然存在数种尚未解决的挑战，包括：1）实现非碳碳键的构建，扩大链行走反应的应用范围；2）实现前人未涉及到的C-sp³位置可调的选择性官能团化。Chirik等课题组曾发现钴催化剂催化的链行走能在非活化烯烃的末端一级烷基位置或芳烃的α位置实现碳硼键的构建。利用π-苄基中间体的稳定作用，Koh组在2020年利用铁催化剂实现了芳烃β位碳硼键的构建，但未涉及烷基金属稳定的非活化sp³位置碳硼键的构建。Scripps研究所Keary M. Engle课题组曾利用市售低价态钨催化剂W(CO)₆实现烯烃的异构化-氢甲酰化反应（ChemRxiv 2021, DOI: 10.26434/chemrxiv.14362238）。最近，该课题组和ICIQ Ruben Martin课题组合作，进一步挖掘出低价态钨催化剂的重要价值，首次利用市售的W(MeCN)₃(CO)₃催化剂，实现非活化烯烃的远程C-sp³位置的异构化-硼氢化反应（J. Am. Chem. Soc. DOI:10.1021/jacs.1c07162）。

条件筛选（Table 1）：

（来源：J.Am. Chem. Soc.）

作者首先进行了条件筛选（Table 1, Table S1-S9 in SI），发现配体（entry 1 vs entries 2-4）和溶剂（entry 1 vs entries 6-10）对反应影响很大。其中entry 1中的标准条件是最优反应条件，能以91%的分离产率和>50:1的r.r.值（regioisomeric ratio）得到理想产物2a。降低频哪醇硼烷至两当量，会显著降低反应产率（entry 5）。使用经典的光促进一氧化碳配体解离条件，也能得到理想产物2a。同时，作者还发现，β,γ-和α,β-不饱和酰胺参与的该反应，所发生异构化会停留在β,γ-位置（Table S6-S7 in SI）。

底物拓展和应用（Table 2 + Scheme 2-4）：

（来源：J.Am. Chem. Soc.）

作者接下来以Table 1中所得最优反应条件开展底物拓展和应用研究。如Table 2所示，芳香烃或烷烃取代的二级酰胺和三级酰胺1，都能在最优反应条件下发生异构化-硼氢化反应，得到理想产物2。其中包括：1）底物上含卤素（1b-1d, 1g）、含易被还原的酯基（1f, 1t, 1v）和硼酸酯（1h）的底物都能较好地发生反应；2）含杂环片段的底物（1i, 1j, 1l, 1t）也能以优秀的产率得到对应产物；3）二烯化合物（1u, 1v）能以中等产率在羰基的β位发生异构化-硼氢化反应；4）羰基α位含烷基的底物（1m-1p）能以57%-93%的优良产率得到理想产物，其中单烷基化底物反应所得产物（2m-2o）的反式构型可以通过产物2n的氧化产物2na的单晶加以确认；5）含游离羧酸基团的底物1w和内烯烃1x能分别以75%和55%的产率得到理想产物，进一步扩展了该反应的底物应用范围。此外，作者还利用手性底物(R)-1m为原料，得到单一立体构型的化合物(R, R)-2m（Scheme 2）。这一发现可以证明：该反应的异构化停留在β,γ-位置。因为如果异构化停留在α,β-位置的话，羰基α位的立体构型会被去除。这一推论可以被带偕二甲基的单一立体构型产物2p进一步证实。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者还尝试延伸该反应的应用范围。如Schemes 3所示，δ,ε-不饱和二级酰胺可以在添加了CuF₂/B₂pin₂的反应体系中，发生钨催化的烯烃异构化1,4-加成反应，得到产物2x。利用类似条件，化合物1a也可以发生反应，得到硅烷基化产物3a。作者还尝试着让化合物1a在β位发生氢锗化反应，却只得到了α位反应产物3b。其可能原因是α,β-异构化会发生在锗-氢氧化加成、钨-氢插入和碳-锗还原消除转化之前。在Scheme 4中，提高频哪醇硼烷当量和反应温度，羰基β位或γ位含甲基的二级酰胺（1z, 1aa）也可以发生异构化-硼氢化反应，以中等产率得到产物3c和3d。同时，Table 2中的产物2i可以通过两步反应，转化成偶联产物3f。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

机理研究（Scheme 5-6）：

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者最后研究了该反应可能的反应机理。如Scheme 5所示，为了弄清楚该反应烯烃异构化是通过1,2-氢迁移还是1,3-氢迁移发生转化，作者进行了氘标记实验。结果显示，所得产物2a-d和2i-d中所含有的氘元素都集中在γ位。这证明该反应中烯烃异构化是通过1,3-氢迁移转化而来。因此，结合前期的机理研究，作者提出了如Scheme 6所示的可能反应机理。首先，底物1a和零价钨催化剂发生络合，得到络合物I。I通过烯丙基碳氢键氧化加成，转化为过渡态II（二价钨）。II通过氢插入得到过渡态III（零价钨），III再和频哪醇硼烷发生氧化加成，得到过渡态IV（二价钨）。IV发生碳硼键还原消除即可得到产物2a和零价钨催化剂，完成循环。

（来源：J.Am. Chem. Soc.）

总之，作者利用钨催化的烯烃异构化-硼氢化反应，实现了一系列自带导向基团的烯烃化合物的选择性碳硼键构建。作者利用钨催化剂独特的W(0)/W(II)氧化还原循环，解决了链行走领域目前无法解决的区域选择性问题。该反应不仅操作简单反应条件温和，而且显示出良好的底物普适性和化学选择性、区域选择性、非对映选择性，为相关底物sp³碳硼键的构建提供了新的思路。该研究工作进一步增强了钨催化剂在有机合成领域的应用价值。

论文信息：

Low-Valent Tungsten Catalysis Enables Site-Selective Isomerization-Hydroboration of Unactivated Alkenes

Tanner C. Jankins, Raul Martin-Montero, Phillippa Cooper, Ruben Martin,* and Keary M. Engle*