(雜)芳烴的C—H硼化研究進展*

張 影，趙瓊麗，何 姍，王麗瓊

(云南師范大學 化學化工學院，云南 昆明 650500)

近年來，由于C—H功能化可以簡化功能分子的合成，因而被廣泛研究和使用。有機硼化合物因其在有機合成中具有多功能反應性，對環(huán)境、使用者友好，不僅作為高分子、材料、化學傳感器以及生物活性分子的重要組成部分，更是在有機合成中起著至關重要的作用[1]，它可作為重要的合成中間體，在天然產物、藥物和有機材料的構建中起著關鍵作用，也正因如此，有機硼化合物的高效合成及轉化是合成化學、材料化學乃至制藥領域中一直是備受關注的研究方向[2]。

由于在合成中使用有機硼試劑能夠得到許多益處，因此越來越多的人致力于開發(fā)芳香化合物的硼化反應。芳香硼化合物的經典合成方法是利用芳基鹵化物進行硼化反應，主要有兩類方法，一種是通過鹵素金屬交換將芳基鹵化物轉化為有機金屬中間體，然后與硼酸酯反應，得到有機硼產物，加酸后，可使有機硼產物水解成硼酸。顯然，該途徑比堿基敏感、親電或質子官能團不相容。另一種方法是利用芳基鹵化物與硼化試劑的金屬催化偶聯(lián)，即Miyaura硼化[3]。1995年，Miyaura小組[3]首次使用鈀催化劑實現(xiàn)了芳基鹵化物與雙頻哪醇二硼烷(B2pin2)的硼?；Ｗ园l(fā)現(xiàn)以來，該方案已結合其無數的改進，因其更高的官能團相容性和更溫和的反應條件，已被廣泛用于制備各種有機硼化合物。然而，在這兩種情況下，有機硼化合物的可用性在很大程度上取決于有機鹵化物的可用性，當起始材料，特別是高度官能化的有機鹵化物難以獲得時，便會限制這兩種方法的應用。因此，越來越多的研究者致力于開發(fā)新的合成路線來構建C—B鍵，即通過一些其它豐富但相對與硼?；磻栊缘幕瘜W鍵的裂解而形成C—B鍵。在過去的幾十年中，在研究者們不懈努力下，這一目標獲得巨大進展。現(xiàn)如今，許多之前被認為對硼酰化反應是惰性的化學鍵可直接轉換為C—B鍵，包括C—H、C—O、C—N、C—S、C—F等[4]。

在過去的研究中，C—H活化一直作為研究者比較重視的一方面，因此，在本綜述中，將主要對(雜)芳烴構建C—B鍵的方法進行綜述，即催化(雜)芳烴C—H硼酰化反應，其中包括(雜)芳烴的定向與非定向C—H硼?；?。

1 (雜)芳烴非定向C—H硼?；?/h2>

對于怎樣獲得有機硼化物，就原子經濟性而言，使用硼?；鶊F催化取代未活化的C—H鍵應該是獲得有機硼化合物的一種非常有吸引力的方法。這種催化過程最先是由Hartwig組[5]利用錸催化劑Cp*Re(CO)3的光化學活化在烷烴上實現(xiàn)。目前，發(fā)現(xiàn)通常由2，2-聯(lián)吡啶型配體支撐的銥絡合物在C—H硼酰化反應中是更優(yōu)越和實用的催化劑，尤其是對于芳香族原料。值得關注的是，芳烴和雜芳烴的C—H硼酰化是目前使用最廣泛的非定向C—H官能化反應，其通常是在沒有導向基團的幫助下存在選擇性問題。

近年來，人們不斷開發(fā)新的催化C—H硼?；w系，發(fā)現(xiàn)一些過渡金屬配合物是此類轉化的有效催化劑。除此之外，無金屬催化也可作為此類反應催化劑。因此，以下將以不同催化策略為導向來對其進行詳細介紹。

1.1 Ir催化C—H硼化

自從1993年由Marder等首次合成金屬銥的復合物以來，銥催化芳基C—H鍵活化硼化反應得到了迅速發(fā)展。1999年，Smith小組[6]第一次報道了以銥合物Cp*(PMe3)Ir(H)(Bpin)(Cp*=五甲基環(huán)戊二烯;pin=O2C2H4)催化芳烴C—H硼化。2002年，Smith小組后續(xù)研究表明，雙齒膦配體，如1，2-雙二苯基膦乙烷(dppe)能夠顯著提高C—H硼?；姆€(wěn)定性。此后不久，Ishiyama、Miyaura、Hartwig及其同事報告指出，聯(lián)吡啶是Ir催化C—H硼?；奶貏e有效配體[7]。這些小組通過對銥的前體進行廣泛篩選，最終確定了[Ir(cod)OMe]2是迄今為止芳烴C—H硼化最活躍的前體[8]。所對應的催化系統(tǒng)即[Ir(cod)OMe]2、聯(lián)吡啶配體和四烷氧基二硼化物，此系統(tǒng)也被認為是芳烴C—H硼化的基準。通過這些開創(chuàng)性的研究，以及Hartwig和Sakaki的機理研究，為C—H硼?；磻I域的發(fā)展奠定了堅實基礎。

一般來說，芳烴硼酰化的區(qū)域選擇性很大程度上受空間效應控制，其中硼酰基團結合到最具空間可及性的C—H位置。相反，雜芳烴硼?；奈稽c選擇性主要由電子效應控制。如在五元環(huán)雜環(huán)中，會優(yōu)先在雜原子的α位的C—H鍵進行硼酰化反應?；谶@種反應特性，該催化體系現(xiàn)已用于制備各種官能化(雜)芳基硼酸衍生物，并可對該衍生物進行進一步衍生。

因此，(雜)芳烴的C—H硼?；梢哉f提供了一個靈活可靠的平臺，通過獲得芳基硼酸酯，繼而實現(xiàn)了許多間接的芳香族C—H鍵功能化反應。如在2010年，Hartwig小組[9]首次公開了銅介導的芳基硼酸和芳基硼酸酯的氧化氰化反應。然后，在Ir催化的C—H硼酰化之后，采用這種氰化方法，可以將簡單的1，3-二取代芳烴一鍋合成相應的間取代芳腈(見圖1)。此類反應，可使用于各種官能團，如鹵化物、酮、酯、酰胺和保護醇等，都能與之兼容。根據這種方法，可直接由2，6-二甲基苯酚合成艾滋病藥物依特拉維林的中間體4-氰基-2，6-二甲基苯酚，產率可達58%。同年，Marder、Steel小組[10]發(fā)表了一種利用微波輔助，一鍋串聯(lián)Ir催化的C—H硼酰化/Rh催化的烯酮序列加成反應，通過溶劑選擇選擇性地提供芳基取代的酮或相應的醇。在此過程中，當使用不可氧化溶劑如甲基叔丁基醚(MTBE)作為溶劑時，得到酮產物。相反，如果將反應溶劑改為異丙醇(IPA)，則可實現(xiàn)酮的進一步還原反應，并選擇性形成醇產物。

圖1 通過Ir催化的硼酰化反應實現(xiàn)芳烴的氰化反應

1.2 Rh催化C—H硼化

雖然Rh催化的(雜)芳烴的C—H硼?；瘞缀跖cIr催化的對應物同時被發(fā)現(xiàn)。然而在過去幾十年中，對Rh催化的C—H硼?；磻倪M一步探索和應用卻遠遠不及其他。雖說對Rh催化的研究沒有對Ir等多，但仍不斷有研究者對以銠絡合物為催化劑的催化體系進行探索，如在2015年，Beller小組[11]公開了一種以反式[Rh(PMe3)2(CO)Cl]為活性光催化劑，HBpin為硼源的(雜)芳烴C—H硼?；墓獯呋铣陕肪€。指出在溫和的條件下(r.t.-40 ℃)，可以通過該途徑獲得多種含吸電子和給電子取代基的硼?；?雜)芳基。

1.3 Ni催化C—H硼化

2015年，Chatani小組[12]和Itami小組[13]幾乎同時發(fā)表了他們在鎳催化的(雜)芳烴C—H硼酰化方面的研究成果。他們兩組通過調整催化劑前體、配體、堿、溶劑和硼酰化試劑的組合實現(xiàn)催化硼?；?。Itami小組提出使用鎳催化芳香族C—H硼?；磻闹饕獌热轂椋杭丛赱Ni(cod)2]催化下，CsF作為添加劑，以PCyp3為配體，B2pin2為硼酰化試劑，可將苯和吲哚衍生物進行硼酰化(見圖2)。而Chatani小組所開發(fā)的反應體系指出N-雜環(huán)卡賓配體對于有效轉化至關重要，N-環(huán)己基取代衍生物是最佳配體。在兩者的研究中均反映出，當在這些硼?；瘲l件下使用苯基底物時，需要大量過量的芳烴才能實現(xiàn)高效率，所取代芳烴的區(qū)域選擇性基本上由空間效應控制，主要提供間位化和對位化產物。當使用吲哚時，以吲哚為限制試劑，硼?；磻矢?，且硼?；鶇^(qū)域主要是吲哚的C2位。

圖2 鎳催化C—H硼化反應

1.4 無金屬催化C—H硼化

在過去幾十年中，過渡金屬催化劑，特別是貴過渡金屬催化劑在芳香族C—H硼酰化反應中發(fā)揮了重要作用。盡管過渡金屬催化在這些過程中表現(xiàn)出很高的效率，但無金屬芳香族C—H硼?；霈F(xiàn)也顯示出了它的獨特魅力。如在2020年，張華小組[14]提出了以一種新型的無金屬C—H硼?；?，主要內容是使用簡單廉價的BF3·Et2O作為催化劑，穩(wěn)定的B2pin2作為硼源，吲哚、多種取代吲哚或其他雜環(huán)芳烴作為合適的底物，此方法能夠以良好產率獲得相應的C2硼?；a物(見圖3)。

圖3 無金屬催化芳香族C—H硼化反應

2 (雜)芳烴定向C—H硼?；?/h2>

上文已指出，催化芳烴硼酰化反應的大部分區(qū)域選擇性主要由空間因素控制，然而，由于預期的官能化有機硼烷具有巨大的合成潛力，因此現(xiàn)在許多研究小組專注于開發(fā)定向位點選擇性硼?；磻＝酉聛砦覍Υ朔矫孢M行介紹。

2.1 Pd催化(雜)芳烴定向C—H硼酰化

鈀基催化劑尚未廣泛用于C—H硼?；磻?，這是由于所得產物(即硼酯)易于通過與Pd(II)物種的轉化分解。然而，在2012年，F(xiàn)u等[15]人提出了鈀催化的定向鄰硼?；膶嵗匆訮d(OAc)2為催化劑，苯醌為氧化劑，不需要惰性氣氛，便可在溫和條件下實現(xiàn)乙酰苯胺鄰硼?；耐耆珔^(qū)域選擇性，并獲得良好的產率[15]。由于形成了內部CO—B鍵，硼片段采用四面體配位，這使得乙?；荒苡糜谶M一步定向的鄰硼酰化(見圖4)。

圖4 鈀催化乙酰苯胺在酸性條件下的單選擇性C—H硼酰化

2.2 Rh催化(雜)芳烴定向C—H硼?；?/h3>

2014年，Braun[16]發(fā)表了在溫度為40℃時，以高活性硼酰銠(I)絡合物[Rh(Bpin)(PEt3)3]催化含SCF3芳烴C—H硼酰化反應，硼?；啥ㄏ蜻x擇于與SCF3基團相連C的鄰位，故該組認為基團SCF3可能起到導向基團的作用，且其具有高區(qū)域選擇性(見圖5)。而在室溫下用等摩爾量的[Rh(Bpin)(PEt3)3]處理苯基三氟甲基硫化物時，反應產生鄰硼?；袜彾瘐；a物，以及絡合物[Rh(H)(PEt3)]。該小組認為發(fā)生了二次催化硼?；磻脑蚴怯捎?，通過[Rh(H)(PEt3)]和硼?；噭┑南嗷プ饔迷偕隽薣Rh(Bpin)(PEt3)3]。

圖5 Rh催化含SCF3芳烴的C—H硼酰化反應

3 結論與展望

有機硼化合物的合成作為近幾十年來有機合成中的研究熱點，隨著科學家們對有機硼化合物的合成研究不斷深入，使得有機硼化合物的合成反應不斷取得突破，新的合成方法不斷被開發(fā)出來。然而，目前C—H鍵硼化仍然存在一些限制，如(1)多數反應體系得到單雙取代混合物;(2)反應底物類型有限;(3)與銥基催化劑相比，使用非貴催化劑的已知方法對未活化芳烴的能力仍然較差等。因此，相信在不久的將來，(雜)芳基硼酸類化合物的合成方法將會取得更大的突破，并能夠在有機合成、藥物化學及材料科學中擁有更廣泛的應用。