碳硼烷及其金属碳硼烷的合成、结构和反应

碳硼烷是由两个CH 和十个BH 顶点组成的笼状分子，被视为苯的三维类似物，具有超芳香性及很好的化学和热稳定性，在生物医药、超分子材料等领域有着重要的用途。例如，利用其单位分子内的高硼含量作为硼中子俘获疗法（BNCT）试剂，利用其高热稳定性用于耐热硅硼橡胶聚合物；其它用途还包括超分子材料、分子机器、分子开关、光学材料和过渡金属催化剂等方面。碳硼烷最大的特点是可以在碳和硼顶点上引入取代基取代氢原子，从而得到成员众多的碳硼烷衍生物家族。相对于发展已较为成熟的碳硼烷碳顶点官能团化，硼顶点活化及进一步衍生化的研究较为滞后，硼-取代碳硼烷化合物的种类及数量目前都非常有限，这大大限制了对其性质和应用的研究。新发展的基于直接B–H 键活化策略的化学合成可以简化原料、缩短反应流程，从而提高合成效率和原子经济性。而目前碳硼烷化学领域的重大挑战在于如何在10个化学及立体环境非常相似的硼顶点间实现选择性活化及官能团化。

中国科学院上海有机化学研究所沪港化学合成联合实验室谢作伟课题组一直致力于发展通过简单过渡金属催化的方式实现碳硼烷BH位点的选择性官能团化方法。而针对硼顶点间的选择性问题，他们提出了无导向基团参与，用金属催化剂直接控制反应位点的全新B–H键官能团化策略。由于碳和硼元素的电负性差异，碳硼烷上电子密度表现为：B(3,6) < B(4,5,7,11) < B(8,10) < B(9,12)，这也反映出硼顶点亲电取代反应的相对活性。他们首先采用无导向基团策略，利用远端B(8,9,10,12)-位顶点较为富电子的特点，发展了金属钯催化的碳硼烷B(8,9,10,12)-位四氟化反应（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12192）；对处于中间的B(4,5,7,11)，他们采用导向基辅助的金属催化B–H键直接活化及官能团化方法（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15513）。然而，对于近端的B(3,6)-位双官能团化，传统方法需要通过复杂的两次脱硼-盖帽过程实现，过渡金属催化B–H键直接活化转化的方式还尚未有报道。

最近，该课题组采用无导向基团策略，利用近端B(3,6)-位较为缺电子的特性，以金属铱作为催化剂，成功地以优秀的收率和高区域选择性实现了邻-碳硼烷B(3,6)–H键的双硼基化反应（Nature. Commun. 2017, 8, 14827）。他们通过使用2-甲基吡啶作为单齿氮配体，以联硼酸频那醇酯（B2Pin2）作为硼源，完成了这一铱催化选择性硼基化过程。一系列B(3,6)-硼基化邻-碳硼烷衍生物的高效合成证明了此反应具有良好的普适性。另一方面，通过在邻-碳硼烷的2-位碳顶点引入大位阻硅基来阻断所有与此顶点相邻反应位点（3,6,7,11-位）的反应，可以进一步实现铱催化的邻-碳硼烷B(4)-位的选择性硼基化过程。并且所得到的硼基化碳硼烷能够方便地转化为含有B–X键（X = O、N、C、Br和Cl）的碳硼烷衍生物，成功实现碳硼烷的硼-芳基化、烯丙基化、卤化、酯化、氨基化、叠氮化等过程，为高效实现碳硼烷区域选择性官能团化提供了一条新的途径。

上述研究工作得到国家自然科学基金委、中科院青年创新促进会、香港裘槎基金会和国家自然科学基金委与香港研究资助局联合项目的资助。

图: 铱催化邻-碳硼烷选择性硼基化反应

来源：中国科学院上海有机化学研究所