手性铑催化碳硼烷 B-H 键位点及对映选择性官能团化：开辟新路径

在化学合成中，碳硼烷（icosahedral boron?carbon molecular clusters）的位点及对映选择性官能团化极具挑战。研究人员开展了碳硼烷笼状 B-H 键的不对称 Rh (II) 催化反应研究，成功实现高选择性转化。这为碳硼烷在多领域应用开辟了新道路。

　　碳硼烷，作为一种二十面体硼 - 碳分子簇，就像化学世界里的 “神奇积木”，在医药和材料化学领域有着巨大的应用潜力。在医药方面，它可用于硼中子俘获治疗（BNCT），精准打击癌细胞；在材料领域，能赋予材料独特的结构和光学性能。然而，长期以来，化学家们在操控碳硼烷时遇到了难题。碳硼烷高度对称的结构使得在其特定位置引入特定基团，并控制新引入基团的手性变得异常困难，就好比在一个光滑且规则的球面上精准地放置微小零件，还要保证零件的方向完全符合预期，这极大地限制了碳硼烷在各个领域的深入应用。

为了解决这些难题，韩国江原国立大学（Kangwon National University）的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于碳硼烷笼状 B-H 键的官能团化反应，致力于实现位点和对映选择性的精准控制。研究结果令人振奋，他们成功开发出一种有效的位点和对映选择性 B-H 插入反应，利用手性铑 (II) 催化剂，使供体 / 受体卡宾与碳硼烷的笼状 B-H 键发生反应，构建出具有外消旋碳立体中心（与碳硼烷笼硼相邻的碳立体中心）的邻 -、间 - 和对 - 碳硼烷 ，反应具有出色的位点选择性（区域选择性比 > 50:1 r.r.）、对映选择性（99% e.e.）和高收率，且底物范围广泛。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在实验操作上，通过对反应条件进行大量探索，筛选不同的催化剂、溶剂、反应温度和底物比例等，确定最佳反应条件；利用核磁共振（NMR）和手性高效液相色谱（HPLC）分析产物的区域异构体比例和对映体过量值。在理论计算方面，运用密度泛函理论（DFT）进行量子力学计算，研究反应的过渡结构，解释位点和对映选择性的起源；使用拓扑邻近表面（TPS）分析、非共价相互作用（NCI）分析和电子分解分析（EDA）等工具，直观展示分子间的相互作用 。

下面来详细看看研究结果：

• 反应优化：研究人员以 1,2-(DMPS)₂O-C₂B₁₀H₁₀（1a）与甲基 2 - 重氮 - 2 - 苯基乙酸酯（2a）的反应为模型，在二氯甲烷（DCM）中，40°C 下尝试了多种四羧酸二铑催化剂。发现非手性催化剂中，Rh₂(OAc)₄能得到混合区域异构体，产率 87%，区域异构体比例 2.6:1，但产物为外消旋体；Rh₂(oct)₄产率相对较低（71%），但位点选择性高（14:1）。考察多种手性催化剂后，发现 Rh₂(S -TCPTTL )₄表现出色，产率定量，位点选择性 29:1，对映选择性 25% e.e. 。进一步研究发现，溶剂和反应温度会影响对映选择性，最终确定三氟甲苯（PhCF₃）为最佳溶剂，降低反应温度至 0°C 时，对映体过量从 42% 提高到 51% ，且 1.0 mol % 的催化剂负载量就能实现定量产率。
• 底物范围：研究人员对邻 - 碳硼烷的底物范围进行了考察。当未取代、硅基或苄基二取代的邻 - 碳硼烷（1a - 1d）与甲基 2 - 重氮 - 2 - 苯基乙酸酯（2a）反应时，目标产物（3aa - 3da）产率均为定量，但选择性受邻 - 碳硼烷取代基影响。如 1,2-(TMS)₂·0·C₂B₁₀H₁₀（1b）反应时，能以高位点和对映选择性（22:1 r.r. 和 55% e.e.）得到 3ba 。研究重氮底物范围发现，芳基和酯基上的取代基对对映选择性起重要作用，如 2,2,2 - 三氯乙基 2-(4 - 溴苯基)-2 - 重氮乙酸酯（2d）与 1b 反应，能以 96% 的产率、高位点和对映选择性（25:1 r.r. 和 99% e.e.）得到 3bd 。此外，间 - 和对 - 碳硼烷也能顺利发生反应，且都能获得较好的产率和选择性。
• 实用性验证：为证明该催化方法的实用性，研究人员对邻 - 碳硼烷进行了大规模的 B-H 插入反应，使用 1.01 g（3.50 mmol）的 1b，反应完成后成功进行一锅脱硅基反应，以高收率（85% 和 91%）和出色的对映选择性（99% e.e.）得到脱硅基产物 。
• 圆二色谱、反应性比较及合成应用：通过圆二色谱（CD）光谱和 X 射线晶体学确定了产物的对映体关系和绝对构型。竞争实验表明，不同亲卡宾体与碳硼烷的反应活性顺序为 1,4 - 环己二烯（1,4-CHD） >> 二氧戊环 > 三甲基硅基碳硼烷（1b） >> 四氢呋喃（THF） 。对反应产物进行进一步官能团化，如用 DIBAL-H 处理 5 得到相应醇 10，产率 75%，立体化学保真度未受影响；用锌和乙酸将三氯乙基酯转化为羧酸 11，产率 89%，对映体过量未受影响；通过 Sonogashira 和 Buchwald-Hartwig 交叉偶联反应对 6 进行转化，分别以 86%（89% e.e.）和 68%（86% e.e.）的产率得到所需的内炔 12 和二芳基胺 13 。
• 机理研究：氘标记实验表明 B-H 插入反应通过协同机制进行。利用密度泛函理论（DFT）计算得到了手性二铑卡宾催化碳硼烷 B-H 插入反应的过渡结构，计算结果与实验观察到的位点和对映选择性相符。通过拓扑邻近表面（TPS）可视化分析揭示了反应选择性的起源，即空间位阻相互作用决定了 B-H 插入过程的选择性 。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功开发出碳硼烷笼状 B-H 键的位点和对映选择性插入反应，构建出具有外消旋碳立体中心的碳硼烷，且选择性和产率高，底物范围广。同时，通过理论计算揭示了反应的过渡结构和选择性起源。这一研究成果为二十面体配合物的真正位点选择性转化和对映选择性官能团化开辟了有效途径，通过形成新的 B-C 键实现外消旋手性，有望推动碳硼烷在医药、材料等多个领域的广泛应用，具有重要的科学意义和应用价值。