**铁(II) PCP钳形配合物催化炔烃的高立体与区域选择性硼氢化反应研究**

《Organometallics》：Hydroboration of Alkynes Catalyzed by Fe(II) PCP Pincer Complexes

　　

本文报道了一种由Fe(II)催化的末端炔烃与内炔烃的立体及区域选择性硼氢化反应，所用硼源为频哪醇硼烷（HBpin，pinacolborane）。该硼氢化反应在所有情况下均表现出高度的syn-选择性。反应无需任何添加剂，催化剂用量为1–2 mol %，在45–55 °C条件下进行。一种在空气中可稳定保存的烷基Fe(II)配合物[Fe(PCPCH₂-iPr)(CH₂CH₂CH₃)(CO)₂]可作为活性预催化剂。该配合物与过量HBpin反应可生成Fe(II)频哪醇硼烷配合物[Fe(PCPCH₂-iPr)(κ²-H₂BPin)(CO)]，后者是一种同样具有催化活性的预催化剂，但因在无底物条件下会发生分解而较难操作。两种预催化剂在催化条件下均可生成高活性的氢化物催化剂[Fe(PCPCH₂-iPr)(H)(CO)]。研究人员对多种芳香族和脂肪族炔烃进行了高效且高选择性的硼化转化。基于实验数据和密度泛函理论（DFT）计算，本文提供了相关的机理见解。

**铁(II) PCP钳形配合物催化炔烃硼氢化反应的研究**

**一、研究背景与科学问题**

有机硼试剂在交叉偶联化学领域的重要性在过去几十年中日益凸显，这在很大程度上得益于硼氢化催化剂的发展，使得这类化合物易于获取。在此背景下，频哪醇硼烷（HBpin）因其自身及其硼氢化产物良好的稳定性而被广泛采用。近年来，不仅贵金属催化剂，基于锰（Mn）、钴（Co）和镍（Ni）等非贵金属的催化剂也已成功应用于该反应。在铁（Fe）催化方面，近年来也有若干炔烃硼氢化反应的报道。硼烷对C≡C键的加成通常为syn-加成，除少数例外，产物选择性一般倾向于生成更稳定的E-构型乙烯基硼酸酯（E/Z立体化学指硼烷基团的取向）。然而，如何在温和条件下以低催化剂负载量实现高E-选择性和广泛的底物适用范围，仍是有待解决的问题。此外，对该类铁催化反应的机理认识仍不够深入。因此，开发高效、高选择性且机理明确的铁催化炔烃硼氢化体系具有重要的学术价值和应用前景。

**二、研究内容与重要结论**

研究人员系统考察了一系列Fe(II) PCP钳形羰基配合物作为预催化剂在末端炔烃和内炔烃立体及区域选择性硼氢化反应中的催化活性，其中包括可于空气中稳定保存的烷基配合物[Fe(PCPCH₂-iPr)(CH₂CH₂CH₃)(CO)₂]（即配合物3b）。在详细实验研究和理论计算的基础上，提出了一个合理的催化反应机理。研究结论表明，该可稳定保存的烷基Fe(II)配合物是一种高效的预催化剂，能够在无添加剂的条件下实现末端炔烃与HBpin的立体及区域选择性硼氢化，催化剂用量仅1–2 mol %，反应温度45–55 °C，且产物具有高E-选择性。催化循环由配合物[Fe(PCPCH₂-iPr)(κ²-H₂BPin)(CO)]（配合物5）解离HBpin启动，生成催化活性的16电子Fe(II)氢化物物种[Fe(PCPCH₂-iPr)(H)(CO)]（A），该配合物5可在催化条件下由配合物3b与过量HBpin作用原位生成。该工作为铁催化炔烃硼氢化反应提供了清晰的机理图景，拓展了非贵金属催化在有机硼化合物合成中的应用。

**三、关键技术与方法**

本研究采用的关键技术方法主要包括：（1）以一系列已知的Fe(II) PCP钳形羰基配合物（配合物1–5）为预催化剂，以二苯乙炔为模型底物进行催化性能筛选和反应条件优化，使用苯为溶剂，催化剂负载量1 mol %，45 °C反应18小时；（2）在最优条件下进行底物适用范围考察，涵盖多种含吸电子和给电子取代基的芳香族及脂肪族炔烃，产物经分离纯化后通过气相色谱-质谱联用（GC-MS，以正丁基苯为内标）和核磁共振（NMR）波谱进行E/Z比测定；（3）通过汞滴实验验证体系的均相性，通过添加三乙胺（NEt₃）、三苯基膦（PPh₃）、叔丁基异腈（CN^tBu）和亚磷酸三甲酯（P(OMe)₃）等配体进行机理探针实验；（4）利用氘代底物苯乙炔-d₁和辛炔-d₁开展氘标记实验，通过²H NMR波谱分析氘原子的去向；（5）以配合物5为起点、苯乙炔（HC≡CPh）为模型底物进行密度泛函理论（DFT）计算，构建详细的自由能剖面和催化循环。

**四、主要研究结果**

（一）催化条件的优化

研究人员以二苯乙炔为模型底物，考察了已知Fe(II)配合物1–5的催化性能。结果表明，配合物3b和配合物5是最具活性的预催化剂：在苯中于45 °C下，以1 mol %催化剂用量即可获得近乎定量产率的乙烯基硼酸酯产物S1，E:Z比高达99:1。

（二）底物范围的考察

在最优反应条件下，研究人员对底物适用范围进行了系统考察。大多数含给电子和吸电子取代基的间位和对位取代内炔烃均能以优异产率和高E:Z比（可达99:1）转化为相应的硼酸酯。但当底物含甲氧基时，如1,2-双(4-甲氧基苯基)乙炔，产率降至67%。邻位取代基带来的位阻效应更为显著，如1,2-二邻甲苯基乙炔的产率仅为40%。脂肪族底物同样可转化为乙烯基硼酸酯，但需稍高温度（55 °C）以获得良好收率，例如4-辛炔以70%产率得到硼酸酯S13。噻吩基团亦可耐受，1,2-二(噻吩-3-基)乙炔以71%产率和99:1的E:Z比转化为产物S12。此外，末端炔烃也可转化为乙烯基硼酸酯，但通常需要更高的催化剂用量（2 mol %）和反应温度（55 °C）才能获得较高产率，所得硼酸酯主要为E-异构体。

（三）机理探针实验

以苯乙炔为标准底物进行的机理实验表明，加入一滴汞并未导致催化产率下降，证实了体系的均相性。加入NEt₃和PPh₃未对催化反应产生显著影响，转化率分别为98%和93%，但PPh₃的加入使E/Z比降至64:36。而加入1当量CN^tBu或P(OMe)₃则导致转化率为零或仅5%，表明反应遵循内球机理（inner-sphere pathway），因为这些强配位配体阻断了底物进入所需的空配位点。

（四）氘标记实验

以苯乙炔-d₁和辛炔-d₁为底物进行的氘标记研究表明，在苯乙炔-d₁的硼氢化产物中，86%的氘保留在末端位置，14%出现在苄位；而在辛炔-d₁中未观察到氘迁移。这些结果表明，存在一条不涉及C–D（C–H）键断裂的主要反应路径。芳香族炔烃因C–D（C–H）键酸性较高（芳香族pK_a ≈ 23，脂肪族pK_a ≈ 25），存在小程度的涉及C–D键断裂的替代路径。

（五）DFT计算与催化循环

DFT计算以预催化剂[Fe(PCPCH₂-iPr)(κ²-H₂BPin)(CO)]（配合物5）为起点（该配合物在催化条件下由配合物3b与过量HBpin反应原位生成），以HC≡CPh为模型底物。催化循环起始于配合物5解离HBpin生成16电子氢化物催化剂[Fe(PCPCH₂-iPr)(H)(CO)]（A），该解离步骤的能垒为15.3 kcal/mol。HC≡CPh与A配位生成η²-炔烃中间体B，随后经插入Fe–H键生成烯基物种C，该步骤在热力学上极为有利（ΔG = ?24.5 kcal/mol），能垒仅0.2 kcal/mol。HBpin加成至C形成范德华加合物D，进而转化为乙烯基HBpin中间体E，E经重排为F和G（三者稳定性差异在4.4 kcal/mol以内），其中从E经F至G的旋转异构化过程是催化循环中能垒最高的步骤（ΔG^? = 5.8 kcal/mol）。随后，κ¹-配位的HBpin与碳原子形成C–B键生成乙烯基硼酸酯配合物H（ΔG = ?6 kcal/mol，能垒2.4 kcal/mol）。从H经I至J的过程中，B–H键经过渡态TS_IJ（ΔG^? = 3.1 kcal/mol）逐步断裂，最终得到产物完全形成且仅松散结合的配合物J。释放产物后再生氢化物中间体A，启动下一个催化循环。从A到J的整个催化过程在热力学上是可行的（ΔG = ?35.0 kcal/mol）。值得注意的是，该转化过程不需要通过炔烃C–H键活化生成乙炔基中间体，这与近期报道的锰催化芳香族炔烃硼氢化反应机理有所不同。

**五、总结与结论**

综上所述，研究人员发现一种可于空气中稳定保存的烷基Fe(II)配合物[Fe(PCPCH₂-iPr)(CH₂CH₂CH₃)(CO)₂]（配合物3b）是末端炔烃无添加剂立体及区域选择性硼氢化反应的高效催化剂。硼氢化反应以1–2 mol %的催化剂用量，在45–55 °C下进行，具有高E-选择性。催化过程由配合物[Fe(PCPCH₂-iPr)(κ²-H₂BPin)(CO)]（配合物5，该配合物可在催化条件下由配合物3b与过量HBpin反应原位生成）解离HBpin启动，从而形成具有催化活性的16电子Fe(II)氢化物物种[Fe(PCPCH₂-iPr)(H)(CO)]（A）。研究人员已对多种芳香族和脂肪族炔烃实现了高效、高选择性的硼化转化。基于实验和计算研究，本文提供了详尽的机理见解。