近期，香港科技大学孙建伟教授课题组、深圳湾实验室/北京大学深圳研究生院吴云东、张欣豪教授课题组以及哈尔滨工业大学（深圳）宋利娟教授课题组合作，首次实现了硫炔的高选择性偕二硼氢化反应，高度区域选择性地生成了α-杂取代偕二硼基化合物。该反应是条件温和的、催化量的和原子经济的，是对已知的普遍依赖于通过强碱条件下偕二硼甲烷脱质子化方法的补充。相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society。
偕二硼基有机化合物是偕双金属有机物的合成等价物，而后者通常难以获得或使用起来不稳定。目前的大多数研究都集中在那些在α位上没有或只有碳取代基的偕二硼基烷烃（X = H 或碳取代基，图1A）。相对而言，偕二硼基化合物带有α-杂取代基（X = 杂取代基）受到的关注要少得多。然而，在这个位置引入额外的杂原子官能团，对于这个已经通用的构建砌块家族来说，将为更多样化、多功能化的应用提供一种新的策略。
合成α-杂取代偕二硼基化合物的典型方法，通常依赖于偕二硼基甲烷去质子化形成相应的负碳离子物种，然后用以杂原子为中心的亲电子试剂（例如卤素）捕获（图1B）。尽管这种方法比较普遍，但使用强碱和需要多种步骤，特别是四取代碳中心的生成，可能会限制其在某些情况下的应用。近期，香港科技大学孙建伟教授课题组、深圳湾实验室/北京大学深圳研究生院吴云东、张欣豪教授课题组以及哈尔滨工业大学（深圳）宋利娟教授课题组合作，首次实现了硫炔的高选择性偕二硼氢化反应（图1C）。事实上，对于硫代炔烃，由于硫与金属催化剂的竞争性配位，可能会遇到额外的挑战，这不仅会影响催化剂活性，还会影响区域选择性。此外，由于大量的空间排斥，硫代炔烃中庞大的硫原子可能会潜在地抑制偕二硼传递到三键的α-碳，这将打破传统协同硼氢化反应预期的反马尔可夫尼科夫规则。
图1. α-杂取代偕二硼基化合物简介
作者最初选择硫代炔烃1a作为模式底物，并选择过量的HBpin作为硼氢化试剂（图2）。在室温下以DCM作为溶剂，以各种过渡金属配合物作为催化剂。特别地，[Cp*Ru(MeCN)3]PF6和[CpRu(MeCN)3]PF6是用于炔烃加氢官能化的常用催化剂，然而在该反应体系中它们完全没有催化活性。接下来，尝试了[(cod)IrCl]2，该反应显示也没有明显转化为目标产物2a。意外的是，[Ir(cod)(OMe)]2被发现在催化该反应方面具有独特的有效性，并以70%的收率生成偕二硼氢化产物2a。同时，还产生了副产物4，产率为24%，这可能是硼氢化与氢化相结合的结果。为了进一步提高选择性，作者筛选了不同的溶剂并调整了其它反应参数，均没有明显的效果。最后，当HBpin的使用量减少到3个当量时，偕二氢硼化反应的反应效率最大化。值得注意的是，该反应表现出优异的区域选择性，主要形成双（α-加成）区域异构体。
图2. 条件优化 a
在最优条件下，作者进一步研究了这种铱催化的α-二氢硼化反应的普适性（图3）。一系列不同取代的内部硫代炔烃顺利反应，并以良好的效率生成目标α-偕-二硼基硫醚，而且该温和的反应条件下可以耐受多种官能团。
图3. 反应适用范围 a
除了硼氢化反应的范围研究外，作者还通过在反应中加入添加剂来研究该反应的稳健性，以探索其对各种官能团的耐受性（图4）。在磺酰胺、酰胺、酯、杂环、酮和烷基或芳基溴化物等功能化添加剂存在的情况下，1a的标准二硼氢化反应仍能以相当的效率进行。
图4. 官能团容忍性 a
为了深入了解硼氢化过程的反应机制，特别是该反应是否通过分步的两次硼氢化进行，作者对反应进程进行了监测，并证实了在反应初始阶段形成单硼氢化产物3a，并进一步生成偕二硼基产物2a。事实上，当反应在较低浓度（c = 0.2 M，图5）下以减少的HBpin（2个当量）进行时，单硼氢化产物3a为主要产物。当硼酸乙烯酯3a在标准条件下使用1个当量的HBpin继续反应时，能以89%的收率形成目标的偕二硼基产物2a。
图5. 控制实验
该二氢硼化反应也可以应用于克级规模，并且不会降低其反应效率和选择性（图6）。进一步地，作者对产物2a进行了衍生化转化。可以将两个硼酸盐中的一个硼酸酯通过与烷基溴的交叉偶联选择性地转化为烷基，形成四取代碳中心产物5。
图6. 产物转化
进一步地，吴云东院士、张欣豪教授以及宋利娟教授带领的团队对此反应过程进行了理论计算研究（图7、图8）。高度α-区域选择性控制一定程度上归功于硫配位的额外稳定性。此外，虽然两次的氢硼烷化步骤都是放热的，但第二次的氢硼烷化需要更高的能垒，可能是由于形成的偕二硼基碳中心存在严重的空间排斥位阻效应。对可能的氢化铱活性催化剂的机理实验为DFT计算结果提供了进一步的实验支持（图9）。
图7. DFT计算硼氢化反应机理
图8. DFT计算二硼氢化反应机理
图9. 可能的活性催化剂研究
该工作首次实现了硫炔的二硼氢化，高度区域选择性地生成了α-杂取代偕二硼基化合物。该反应是条件温和的、催化量的和原子经济的，是对已知的普遍依赖于通过强碱条件下偕二硼甲烷脱质子化方法的补充。值得注意的是，在单氢硼、二氢硼、1、1-二氢硼、1、2-脱氢二硼等竞争途径中，二氢硼途径是非常有利的。产物中的四取代碳中心，特别是具有偕二硼基和硫基取代的，是一种非常不容易获得的结构单元。而且该多功能的偕二硼基单元可以选择性地转化为其他官能团，允许进一步丰富结构的多样性。最后作者通过一系列对照实验、DFT计算及机理实验研究表明，该反应是通过两次连续的炔烃氢硼烷化实现的，且第二次的氢硼烷化需要更高的能垒，高度α区域选择性一定程度上归功于硫原子的配位作用。
相关研究成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 。该工作实验部分主要由孙建伟教授课题组已毕业的博士生王勇和本科生李宇轩完成，两人为共同一作；理论计算部分由宋利娟教授完成。孙建伟教授、吴云东院士、张欣豪教授和宋利娟教授为论文共同通讯作者。
该工作得到了以下项目的支持：the National Natural Science Foundation of China (22071210, 431 21933004, 21901165), the Innovation and Technology Commission (ITC-CNERC14SC01), the Shenzhen Science and Technology Innovation Committee (JCYJ20200109141408054), the Research Grants Council of Hong Kong (GRF 16302719), the Natural Science Foundation of Guangdong Province (2022A1515011859), and the Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province (2020B010188001)。
原文信息：
Ir-Catalyzed Regioselective Dihydroboration of Thioalkynes toward Gem-Diboryl Thioethers
文章来源 | X-MOL
编辑 | 鲍 啦
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