镍催化的邻碳硼烷与烯基溴化物的1,2-二烯基化反应

《Dalton Transactions》：Nickel-catalyzed 1,2-dialkenylation of o-carboranes with alkenyl bromides

镍催化交叉偶联反应高效制备1,2-二烯基化o-羰基烷，溶剂为甲苯，温度100°C，镍催化剂负载15 mol%时产率达93%。反应兼容多种取代基烯基溴化物，电子效应显著影响产率。机理涉及氧化加成、转金属化和还原消除步骤。

　　本研究成功开发了一种镍催化的交叉偶联反应，用于将对位二氢化卡博烷（*o*-carboranyl）与烯基溴化物进行反应，从而高效合成一系列1,2-双烯基化的对位二氢化卡博烷（1,2-dialkenylated *o*-carboranes）。这一反应具有广泛的底物适用性，为对位二氢化卡博烷的*C*, *C*′-双烯基化提供了一种简洁且高效的合成策略。同时，该方法补充了现有的过渡金属催化的笼状B–H官能团化体系，拓展了卡博烷化学的合成路径。

卡博烷是一类具有独特结构的硼-碳分子簇，其显著特征包括三维芳香性、固有的稳定性、高疏水性以及较高的硼含量。这些特性使得卡博烷在多个领域展现出广泛的应用前景，如医药、材料科学、配位化学和有机金属化学，甚至在催化反应中也扮演着重要角色。近年来，研究人员对卡博烷的官能团化反应进行了大量探索，尤其是针对笼状碳（C–H）和硼（B–H）位点的修饰。传统的笼状碳官能团化方法通常依赖于酸性条件，通过强碱将笼状CH转化为亲核中心，再与亲电试剂反应。然而，这种方法在进行卡博烷的烯基化或芳基化反应时存在局限性，难以实现高效的双官能团化。

为解决这一问题，研究团队尝试开发一种过渡金属催化的1,2-双烯基化反应。在此基础上，本研究聚焦于镍催化的交叉偶联反应，成功实现了对位二氢化卡博烷与烯基溴化物的高效偶联。该反应在多种底物条件下均表现出良好的适用性，不仅能够引入不同的烯基，还能保持反应的高效率和良好的兼容性。

在反应条件的优化过程中，研究团队首先对反应温度进行了系统筛选。实验发现，在使用对位二氢化卡博烷（1,2-(MgCl)?-*o*-C?B??H??）与β-溴苯乙烯（**2a**）反应时，采用NiCl?作为催化剂，在120 °C的温度下，产物**3a**的收率达到94%。随着温度降低至80 °C，收率下降至81%。进一步减少催化剂负载量至15 mol%时，收率保持在93%，而降至10 mol%时，收率降低至88%。实验还表明，其他镍催化剂如NiBr?、Ni(PMe?)Cl?、Ni(PPh?)Cl?和Ni(dppe)Cl?的催化效果不如NiCl?，且溶剂的选择也对反应效率产生了显著影响。例如，当使用THF作为溶剂时，收率可达76%，而使用己烷或二乙醚时，产物几乎无法检测到。因此，最终确定的最佳反应条件为：使用NiCl?作为催化剂，负载量为15 mol%，溶剂为甲苯，反应温度为100 °C，反应时间为20小时。

在底物适用性方面，该反应对多种带有不同官能团的β-溴苯乙烯表现出良好的耐受性，包括烷基、甲氧基、噻吩基、三氟甲基和卤素取代基。这些底物在反应条件下能够生成相应的1,2-双烯基化卡博烷（**3a–3s**），其收率范围为28%–85%。研究发现，电子供体取代基通常比电子受体取代基更有利于反应进行，这可能与催化剂的电子效应和反应活性有关。然而，对于具有较大空间位阻的底物，如**3d**和**3e**，其双烯基化产物的收率较低，可能与第二个烯基的安装难度有关。通过调整反应条件，如提高温度、增加催化剂用量或延长反应时间，可以有效提升这类底物的反应效率。

此外，该反应还能够兼容烷基、烷氧基和三甲基硅基溴化物，生成相应的1,2-双烯基化产物（**3t**和**3v–3y**），其收率在33%–71%之间，与β-溴苯乙烯的反应结果相当。值得注意的是，当烯基溴化物的α-碳位存在取代基时，反应效率会受到抑制，如**3u**和**3z**的收率分别为33%和0%。这表明，α-碳位的取代基可能增加了反应中心的空间位阻，从而阻碍了氧化加成或后续的还原消除步骤。然而，**3x**的单一异构体的分离结果表明，在该反应过程中，烯基的*E*或*Z*构型得以保留，说明反应过程中双键结构未发生破坏。

为了进一步确认反应的机理，研究团队进行了多项控制实验。首先，没有镍催化剂的情况下，反应无法进行，说明镍催化剂在反应中起到了不可或缺的作用。其次，使用自由基捕获剂1,1-二苯基乙烯进行实验，结果表明反应路径并不涉及自由基机制，进一步排除了自由基反应的可能性。此外，研究团队还测试了单烷基化卡博烷（1-MgCl-*o*-C?B??H??）与**2a**的反应，生成了单取代产物**4**，其收率为48%。随后，通过将**4**与过量的异丙基镁氯化物反应，并再次与**2a**偶联，最终获得了**3a**，其收率为75%。这一结果表明，该反应可能遵循Kumada型偶联的分步机制，即首先形成单取代中间体，再通过进一步反应生成双取代产物。

基于上述实验结果和文献报道，研究团队提出了一个合理的反应机理（见图4）。该反应的催化循环始于Grignard试剂对NiCl?的还原，生成Ni?活性物种。随后，烯基溴化物通过氧化加成反应与Ni?结合，形成[烯基-Ni2?Br(solvent)?]复合物（**A**）。接着，**A**与1,2-(MgCl)?-*o*-carborane（**B**）发生转金属化反应，生成中间体（**C**）。随后，中间体通过还原消除反应生成1-烯基-2-MgCl-*o*-carborane（**D**），并再生Ni?催化剂，从而完成一个催化循环。这一过程可以重复进行，最终生成目标产物**3a**。

综上所述，本研究开发了一种高效的镍催化交叉偶联反应，用于对位二氢化卡博烷与烯基溴化物的反应，从而实现双烯基化产物的合成。该反应不仅适用于多种官能团修饰的底物，还能够在较大反应规模下保持高产率，表现出良好的适用性和可扩展性。此外，该方法提供了一种一步法引入两个烯基功能团的途径，为构建复杂的卡博烷结构提供了重要的合成前体，具有在材料科学等领域的广泛应用前景。通过这一反应，研究人员进一步拓展了卡博烷的合成方法，为后续的功能化研究奠定了基础。