钯催化邻碳硼烷交叉偶联反应理论研究的最新进展_于嘉玮.pdf

2023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1doi:10.3969/j.issn.1004-275X.2023.01.06钯催化邻碳硼烷交叉偶联反应理论研究的最新进展于嘉玮，于涛(云南师范大学化学化工学院，云南昆明650500)摘要:邻碳硼烷可在过渡金属催化的条件下能够与 C、O 等原子发生区域选择性交叉偶联反应，得到具有应用价值的邻碳硼烷衍生物，邻碳硼烷衍生物在硼中子捕获法、有机合成、药物设计、功能材料等领域起着重要的作用。对近三年来国内外课题组在钯催化邻碳硼烷交叉偶联反应领域理论研究成果进行了重点介绍，并对其发展前景进行了展望。关键词:碳硼烷;邻碳硼烷;交叉偶联;反应机理;密度泛函理论中图分类号:O643.3文献标识码:A文章编号:1004 275X(2023)01 0020 04ecent Progress in Palladium Catalyzed Cross Coupling eaction of O carboraneYu Jiawei，Yu Tao(Faculty of Chemistry and Chemical Engineering，Yunnan Normal University，Yunnan，Kunming 650500，China)Abstract:O carborane can be regioselectively cross coupled with C，O and other atoms under the condition of transition metal catalysis to ob-tain o carborane derivatives with application value O carborane derivatives play an important role in boron neutron capture，organic synthe-sis，drug design，functional materials and other fields In recent years，remarkable achievements have been made in the field of o carboranecross coupling reactions The theoretical research results of palladium catalyzed o carborane cross coupling reactions by domestic and foreignresearch groups in the past three years are mainly introduced，and their development prospects are prospectedKey words:carborane;o carborane;cross coupling;reaction mechanism;density functional theory碳硼烷是一类二十面体碳硼分子簇，通常被认为是 2D 苯 的 3D 类 似 物1，在 硼 中 子 捕 获 疗 法(BNCT)2 10、超分子设计10，11、以及金属有机化学12 14 等诸多方面具有潜在的应用价值。因此，碳硼烷的衍生化引起了广泛的关注，尤其是邻碳硼烷的区域选择性 BH 官能团化在近年来已成为研究的热点15 20。近三年来，人们在钯催化区域选择性交叉偶联反应的理论研究上取得了长足的进展，为了让读者对钯催化邻碳硼烷交叉偶联反应产生深刻的认识，本文将对近三年来国内外课题组在该领域所取得的理论研究成果进行了综述。1钯催化邻碳硼烷交叉偶联反应理论研究概述2020 年，Liang 等人21 报道了一种通过弱酰胺辅助进行的在邻碳硼烷 B(3，4)位置发生的与芳基交叉偶联的反应(图 1)，该反应用邻碳硼烷酰胺和芳基碘，在室温下，Pd(OAc)2、AgTFA/Ag2CO3条件下，于 HFIP 溶剂中发生作用，得到二芳基/单芳基偶联产物。紧接着，作者为了了解催化剂的作用方式，在 PBE0D3(BJ)/def2TZVP 水平上对邻碳硼烷BH 活化位置选择性做了计算。计算结果表明，对于第一次 B H 活化，B(3)位置比 B(4)位置低5.8 kcal/mol，对于第二次 B H 活化，B(4)位置比 B(6)位置低 3.4 kcal/mol，与实验结果一致。根据结果，作者推测底物 A1 经过酰胺基团的弱辅助和AgTFA 的辅助与催化剂作用使 B(3)H 活化形成阳离子中间体 B1，随后与芳基碘化物氧化加成获得阳离子 Pd(IV)中间体 C1，然后还原消除得到 B(3)单芳基偶联产物 P1。紧接着 B(4)在弱配位酰胺的辅助下发生芳基偶联反应得到二芳基偶联产物 P2。单芳基偶联产物上的 B(4)H 比 B(6)H 具有较高的反应性，故 B(3，6)二芳基偶联产物并没有形成。图 1钯催化邻碳硼烷区域选择性B(3，4)H 芳基偶联反应可能的机理2021 年，Ge 等人22 又报道了 3碘邻碳硼烷在80 下，Pd(OAc)2，PPh3和 Cs2CO3存在的条件下，在甲苯溶剂中与 2 equiv 芳基炔共同作用发生 2+2+2 环加成得到 3，4苯并邻碳硼烷的反应(图022023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.12)，根据实验以及文献报道，作者提出了一种合理的反应机理，催化可能由 Pd(II)通过膦配体还原消除得到的 Pd(0)引发，与 3碘邻碳硼烷发生 B(3)I 的氧化加成得到中间体 B2，最后一分子炔烃插入PdB(3)键生成中间体 C2，碳酸氢盐与中间体 C2 碘原子发生配体交换获得中间体 D1，作者在 B3LYPD3/631+G(d，p)LanL2DZ 计算水平上计算了中间体 D1 形成的能量 G=6.3 kcal/mol，在热力学上是有利的。在碳酸盐的辅助下通过区域选择性亲电邻位 B(4)H 取代(类“CMD”机理)得到五元钯环。随后，第二分子的炔烃插入形成七元钯环，最终还原消除得到 2+2+2 环加成产物 P3，并释放 Pd(0)物质完成催化循环。图 2钯催化 3 碘邻碳硼烷与炔烃 2+2+2 环加成反应可能的机理不久后，Baek 等人23 首次报道了在 60 下，Pd(OAc)2、Cu(OTf)2以及 Ag2CO3条件下，在 DCE溶剂中实现了邻碳硼烷 B(5，8，9)H 顺序的 B(9)B(8)B(5)三芳基化反应(图 3)。作者为了解释该顺序选择性反应的原因，4苯甲酰氨基邻碳硼烷(A3)与 4氯碘苯反应得到的单、二、三芳基化产物(P4、P5、P6)的结构通过 x 射线晶体学测定，并在 B3LYP/6 311+G(d，p)理论水平上对底物A3、P4、P5 运用自然键轨道(NBO)理论进行了NPA 电荷分析，A3 分子顶点的电荷遵循 B(8)B(9)B(5)B(3)的顺序，作者认为尽管 B(8)H 顶点的计算电荷(约 0.106)比 B(9)H 的电荷更负(约 0.086)，但仅观察到 B(9)单芳基化产物的原因可能是在 B(8)H 和 B(9)H 顶点之间发生“笼行走”。对于产物 P4 的 NPA 电荷分布遵循 B(8)B(5)B(3)和产物 P5 的电荷分布顺序遵循了 B(5)(约+0.066)B(3)(约+0.224)的结果与顺序三芳基化产物的选择性结果非常一致。于年底，Fu 等人24 报道了用1吡啶邻碳硼烷与PhCOOH 在室温下，Pd(OAc)2、(BnO)2PO2H 以及CAN(ceric ammoniumnitrate)，于 DCE 溶剂中通过区域选择性 B(3，4)H 酰基化反应制备得到了二酰基化偶联衍生物。并运用密度泛函理论在 B3LYP D3/def2 TZVPSDD 计算水平上对该反应的 B H 活化区域选择性进行了研究，作者认为，A4 可与钯配位形成抓氢键，随后通过 TS2 的协同机理第一个 B(3)H 被活化得到中间体 INT2，而 B(4)H 键是通过氧化加成和还原消除反应生成中间体 INT5，相对于 INT3，B(3)H 与 B(4)H 的活化能垒分别为10.0 和 11.3 kcal/mol，说明 B(3)H 更容易发生活化。第二阶段的 B H 活化，相对于 INT6，B(4)H和 B(6)H 的 第 二 次 活 化 能 垒 分 别 为 10.3 和15.3 kcal/mol，表明第二次 B(4)H 活化更有利，计算结果解释了 B(3，4)H 产物的生成。作者根据结果，提出了合理的反应机理:首先，Pd(OAc)2和磷酸配体混合产生一个活性的 Pd(II)物质，B(3)H 经过协同金属化 去质子化(CMD)机理，与羧酸之发生配体交换，然后还原消除得到单酰基化产物和 Pd(0)物质，Pd(0)被 CAN 氧化再生为活性 Pd(II)催化剂，第二个酰基化经过类似的过程获得最终产物。图 3钯催化邻碳硼烷顺序 B(5，8，9)H三芳基偶联反应图 4钯催化 1 吡啶邻碳硼烷 B(3，4)H二酰基偶联反应可能的机理2022 年，Liu 等人25 在 M06/def2 TZVP 计算水平上对钯催化 1醛基邻碳硼烷区域选择性二芳基化的反应机理进行了计算，计算结果表明，该反应主要经历两次 CMD 形式的 BH 活化、氧化加成和还原消除过程，生成二芳基化邻碳硼烷衍生物 P10。当 BH活化发生时，相应的还原消除为反应速率和区域选择122023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1性的决定步骤，同时考察了在没有添加剂参与时在实验中低产率的结果。此外，作者通过弱相互作用分析发现 B(4)H 芳基化偶联反应过渡态中邻碳硼烷部分畸变更大，解释了区域选择性产生的原因。图 5钯催化 1 吡啶邻碳硼烷单酰基偶联反应的势能剖面图图 6钯催化 1 吡啶邻碳硼烷二酰基偶联反应的势能剖面图图 7钯催化 1 醛基邻碳硼烷区域选择性 B(4，5)H 芳基偶联反应紧接着，Tang 等人26 根据 Xie 课题组的 I 原子介导邻碳硼烷 B 位钯络合物迁移反应，在 B97X D/6311+G(d，p)SDD 计算水平上进行了详细的 DFT计算，结果表明，反应主要包括了四个步骤:氧化加成、炔基插入、BH 活化以及还原消除过程，其中BH 活化步骤的反应能垒为 29.1 kcal/mol，为该反应速率决定步骤，在 80 的反应温度下，反应路径是可行的。图 8钯催化 1 醛基邻碳硼烷区域选择性单芳基偶联反应的势能剖面图图 9钯催化 1 醛基邻碳硼烷区域选择性二芳基偶联反应的势能剖面图图 10钯催化的 3 碘邻碳硼烷与炔烃偶联反应的势能剖面图2总结与展望最近三年，人们在过渡金属邻碳硼烷官能化领域取得了显著成就，钯催化邻碳硼烷的 BH 交叉偶联反应得到了不断的发展，在实验上已归纳出不同的合成策略。最近量子化学理论计算亦在邻碳硼烷衍生物合成的研究中崭露头角。但目前关于邻碳硼烷偶联反222023 年 1 月云南化工Jan 2023第 50 卷第 1 期Yunnan Chemical TechnologyVol.50，No.1应的机理以及其反应的区域选择性等问题依然具有挑战性，因此，邻碳硼烷交叉偶联反应的理论研究是该领域的长期发展方向之一，以期对改进实验条件、提升产率和区域选择性控制方面起到指导作用。参考文献:1 BEGADZE V I Dicarba closo dodecaboranes C2B10H12 andtheir derivatives J Chem ev，1992，92(2):209 223 2 HAWTHONE M