图1 卡宾对B-H键的插入反应
在叔丁醇钾存在下,三氟甲磺酸烯基酯1可以和多种稳定硼烷加合物,包括胺-硼烷加合物,膦硼烷加合物,吡啶硼烷加合物,和氮杂环卡宾-硼烷加合物发生反应,生成相应的烯基硼烷加合物。对于分子间亚烷基卡宾对B-H键的插入反应(图2),底物1的烯基部分可为β,β-二烷基取代的乙烯基,当烷基链较长时,会发生C-H键插入反应,生成环戊烯类副产物,使目标产物收率降低。当底物1的烯基部分有β-芳基取代时,现场生成的亚烷基卡宾会优先发生芳基的1,2-迁移,生成相应的炔烃,无法给出目标产物。
图2 分子间亚烷基卡宾对B-H键的插入反应
分子内亚烷基卡宾对B-H键的插入反应也能顺利发生,给出相应的B-N杂环戊烯衍生物(图3)。底物4中的胺基部分可以是三级胺,也可以是二级胺,但是后者收率较低。当使用环状胺基时,可以生成B-N杂螺环化合物,这种结构未见文献报道。将一些药物分子的胺基引入本反应,同样能给出相应的B-H键插入产物,这表明本方法有望用于药物的修饰改造。和分子间反应不同,分子内的反应中β-芳基取代的底物也能给出相应的B-H键插入产物,其中缺电子芳基取代的底物给出更高的收率。
图3 分子内亚烷基卡宾对B-H键的插入反应
产物中的C-B键可方便地转化为C-C键和多种官能团,具有很好的合成应用潜力(图4)。值得一提的是,本研究所制备的B-N杂螺环化合物未见文献报道,由于B-N键是C-C键的电子等排体,因而有望用于药物的开发。
图4 产物的转化举例
初步的机理研究表明,该反应可能包含两个过程,即叔丁醇钾促进三氟甲磺酸烯基酯的α-消除生成不饱和卡宾和该不饱和卡宾对B-H键的插入生成目标产物,前者可能是决速步,后者可能经三元环过渡态的协同机理进行(图5)。上述结论得到了动力学同位素效应实验的支持。
图5 反应可能机理
总之,上述研究拓展了卡宾对B-H键的反应类型,合成了多种结构新颖的有机硼化合物,有望在合成化学和药物设计中得到应用。相关成果近期发表于J. Am. Chem. Soc.(https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.0c09596),杨吉民博士和郭风开为文章的共同第一作者。