張 影，趙瓊麗，何 姍，王麗瓊

(云南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500)

近年來，由于C—H功能化可以簡(jiǎn)化功能分子的合成，因而被廣泛研究和使用。有機(jī)硼化合物因其在有機(jī)合成中具有多功能反應(yīng)性，對(duì)環(huán)境、使用者友好，不僅作為高分子、材料、化學(xué)傳感器以及生物活性分子的重要組成部分，更是在有機(jī)合成中起著至關(guān)重要的作用[1]，它可作為重要的合成中間體，在天然產(chǎn)物、藥物和有機(jī)材料的構(gòu)建中起著關(guān)鍵作用，也正因如此，有機(jī)硼化合物的高效合成及轉(zhuǎn)化是合成化學(xué)、材料化學(xué)乃至制藥領(lǐng)域中一直是備受關(guān)注的研究方向[2]。

由于在合成中使用有機(jī)硼試劑能夠得到許多益處，因此越來越多的人致力于開發(fā)芳香化合物的硼化反應(yīng)。芳香硼化合物的經(jīng)典合成方法是利用芳基鹵化物進(jìn)行硼化反應(yīng)，主要有兩類方法，一種是通過鹵素金屬交換將芳基鹵化物轉(zhuǎn)化為有機(jī)金屬中間體，然后與硼酸酯反應(yīng)，得到有機(jī)硼產(chǎn)物，加酸后，可使有機(jī)硼產(chǎn)物水解成硼酸。顯然，該途徑比堿基敏感、親電或質(zhì)子官能團(tuán)不相容。另一種方法是利用芳基鹵化物與硼化試劑的金屬催化偶聯(lián)，即Miyaura硼化[3]。1995年，Miyaura小組[3]首次使用鈀催化劑實(shí)現(xiàn)了芳基鹵化物與雙頻哪醇二硼烷(B2pin2)的硼酰化。自發(fā)現(xiàn)以來，該方案已結(jié)合其無數(shù)的改進(jìn)，因其更高的官能團(tuán)相容性和更溫和的反應(yīng)條件，已被廣泛用于制備各種有機(jī)硼化合物。然而，在這兩種情況下，有機(jī)硼化合物的可用性在很大程度上取決于有機(jī)鹵化物的可用性，當(dāng)起始材料，特別是高度官能化的有機(jī)鹵化物難以獲得時(shí)，便會(huì)限制這兩種方法的應(yīng)用。因此，越來越多的研究者致力于開發(fā)新的合成路線來構(gòu)建C—B鍵，即通過一些其它豐富但相對(duì)與硼?；磻?yīng)惰性的化學(xué)鍵的裂解而形成C—B鍵。在過去的幾十年中，在研究者們不懈努力下，這一目標(biāo)獲得巨大進(jìn)展?，F(xiàn)如今，許多之前被認(rèn)為對(duì)硼?；磻?yīng)是惰性的化學(xué)鍵可直接轉(zhuǎn)換為C—B鍵，包括C—H、C—O、C—N、C—S、C—F等[4]。

在過去的研究中，C—H活化一直作為研究者比較重視的一方面，因此，在本綜述中，將主要對(duì)(雜)芳烴構(gòu)建C—B鍵的方法進(jìn)行綜述，即催化(雜)芳烴C—H硼?；磻?yīng)，其中包括(雜)芳烴的定向與非定向C—H硼?；?。

1 (雜)芳烴非定向C—H硼?；?/h2>

對(duì)于怎樣獲得有機(jī)硼化物，就原子經(jīng)濟(jì)性而言，使用硼?；鶊F(tuán)催化取代未活化的C—H鍵應(yīng)該是獲得有機(jī)硼化合物的一種非常有吸引力的方法。這種催化過程最先是由Hartwig組[5]利用錸催化劑Cp*Re(CO)3的光化學(xué)活化在烷烴上實(shí)現(xiàn)。目前，發(fā)現(xiàn)通常由2，2-聯(lián)吡啶型配體支撐的銥絡(luò)合物在C—H硼酰化反應(yīng)中是更優(yōu)越和實(shí)用的催化劑，尤其是對(duì)于芳香族原料。值得關(guān)注的是，芳烴和雜芳烴的C—H硼?；悄壳笆褂米顝V泛的非定向C—H官能化反應(yīng)，其通常是在沒有導(dǎo)向基團(tuán)的幫助下存在選擇性問題。

近年來，人們不斷開發(fā)新的催化C—H硼?；w系，發(fā)現(xiàn)一些過渡金屬配合物是此類轉(zhuǎn)化的有效催化劑。除此之外，無金屬催化也可作為此類反應(yīng)催化劑。因此，以下將以不同催化策略為導(dǎo)向來對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 Ir催化C—H硼化

自從1993年由Marder等首次合成金屬銥的復(fù)合物以來，銥催化芳基C—H鍵活化硼化反應(yīng)得到了迅速發(fā)展。1999年，Smith小組[6]第一次報(bào)道了以銥合物Cp*(PMe3)Ir(H)(Bpin)(Cp*=五甲基環(huán)戊二烯;pin=O2C2H4)催化芳烴C—H硼化。2002年，Smith小組后續(xù)研究表明，雙齒膦配體，如1，2-雙二苯基膦乙烷(dppe)能夠顯著提高C—H硼酰化的穩(wěn)定性。此后不久，Ishiyama、Miyaura、Hartwig及其同事報(bào)告指出，聯(lián)吡啶是Ir催化C—H硼?；奶貏e有效配體[7]。這些小組通過對(duì)銥的前體進(jìn)行廣泛篩選，最終確定了[Ir(cod)OMe]2是迄今為止芳烴C—H硼化最活躍的前體[8]。所對(duì)應(yīng)的催化系統(tǒng)即[Ir(cod)OMe]2、聯(lián)吡啶配體和四烷氧基二硼化物，此系統(tǒng)也被認(rèn)為是芳烴C—H硼化的基準(zhǔn)。通過這些開創(chuàng)性的研究，以及Hartwig和Sakaki的機(jī)理研究，為C—H硼?；磻?yīng)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一般來說，芳烴硼酰化的區(qū)域選擇性很大程度上受空間效應(yīng)控制，其中硼酰基團(tuán)結(jié)合到最具空間可及性的C—H位置。相反，雜芳烴硼?；奈稽c(diǎn)選擇性主要由電子效應(yīng)控制。如在五元環(huán)雜環(huán)中，會(huì)優(yōu)先在雜原子的α位的C—H鍵進(jìn)行硼酰化反應(yīng)?；谶@種反應(yīng)特性，該催化體系現(xiàn)已用于制備各種官能化(雜)芳基硼酸衍生物，并可對(duì)該衍生物進(jìn)行進(jìn)一步衍生。

因此，(雜)芳烴的C—H硼?；梢哉f提供了一個(gè)靈活可靠的平臺(tái)，通過獲得芳基硼酸酯，繼而實(shí)現(xiàn)了許多間接的芳香族C—H鍵功能化反應(yīng)。如在2010年，Hartwig小組[9]首次公開了銅介導(dǎo)的芳基硼酸和芳基硼酸酯的氧化氰化反應(yīng)。然后，在Ir催化的C—H硼酰化之后，采用這種氰化方法，可以將簡(jiǎn)單的1，3-二取代芳烴一鍋合成相應(yīng)的間取代芳腈(見圖1)。此類反應(yīng)，可使用于各種官能團(tuán)，如鹵化物、酮、酯、酰胺和保護(hù)醇等，都能與之兼容。根據(jù)這種方法，可直接由2，6-二甲基苯酚合成艾滋病藥物依特拉維林的中間體4-氰基-2，6-二甲基苯酚，產(chǎn)率可達(dá)58%。同年，Marder、Steel小組[10]發(fā)表了一種利用微波輔助，一鍋串聯(lián)Ir催化的C—H硼?；?Rh催化的烯酮序列加成反應(yīng)，通過溶劑選擇選擇性地提供芳基取代的酮或相應(yīng)的醇。在此過程中，當(dāng)使用不可氧化溶劑如甲基叔丁基醚(MTBE)作為溶劑時(shí)，得到酮產(chǎn)物。相反，如果將反應(yīng)溶劑改為異丙醇(IPA)，則可實(shí)現(xiàn)酮的進(jìn)一步還原反應(yīng)，并選擇性形成醇產(chǎn)物。

圖1 通過Ir催化的硼?；磻?yīng)實(shí)現(xiàn)芳烴的氰化反應(yīng)

1.2 Rh催化C—H硼化

雖然Rh催化的(雜)芳烴的C—H硼酰化幾乎與Ir催化的對(duì)應(yīng)物同時(shí)被發(fā)現(xiàn)。然而在過去幾十年中，對(duì)Rh催化的C—H硼?；磻?yīng)的進(jìn)一步探索和應(yīng)用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及其他。雖說對(duì)Rh催化的研究沒有對(duì)Ir等多，但仍不斷有研究者對(duì)以銠絡(luò)合物為催化劑的催化體系進(jìn)行探索，如在2015年，Beller小組[11]公開了一種以反式[Rh(PMe3)2(CO)Cl]為活性光催化劑，HBpin為硼源的(雜)芳烴C—H硼?；墓獯呋铣陕肪€。指出在溫和的條件下(r.t.-40 ℃)，可以通過該途徑獲得多種含吸電子和給電子取代基的硼酰化(雜)芳基。

1.3 Ni催化C—H硼化

2015年，Chatani小組[12]和Itami小組[13]幾乎同時(shí)發(fā)表了他們?cè)阪嚧呋?雜)芳烴C—H硼酰化方面的研究成果。他們兩組通過調(diào)整催化劑前體、配體、堿、溶劑和硼?；噭┑慕M合實(shí)現(xiàn)催化硼酰化。Itami小組提出使用鎳催化芳香族C—H硼酰化反應(yīng)的主要內(nèi)容為：即在[Ni(cod)2]催化下，CsF作為添加劑，以PCyp3為配體，B2pin2為硼?；噭?，可將苯和吲哚衍生物進(jìn)行硼?；?見圖2)。而Chatani小組所開發(fā)的反應(yīng)體系指出N-雜環(huán)卡賓配體對(duì)于有效轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，N-環(huán)己基取代衍生物是最佳配體。在兩者的研究中均反映出，當(dāng)在這些硼?；瘲l件下使用苯基底物時(shí)，需要大量過量的芳烴才能實(shí)現(xiàn)高效率，所取代芳烴的區(qū)域選擇性基本上由空間效應(yīng)控制，主要提供間位化和對(duì)位化產(chǎn)物。當(dāng)使用吲哚時(shí)，以吲哚為限制試劑，硼?；磻?yīng)效率更高，且硼?；鶇^(qū)域主要是吲哚的C2位。

圖2 鎳催化C—H硼化反應(yīng)

1.4 無金屬催化C—H硼化

在過去幾十年中，過渡金屬催化劑，特別是貴過渡金屬催化劑在芳香族C—H硼?；磻?yīng)中發(fā)揮了重要作用。盡管過渡金屬催化在這些過程中表現(xiàn)出很高的效率，但無金屬芳香族C—H硼酰化出現(xiàn)也顯示出了它的獨(dú)特魅力。如在2020年，張華小組[14]提出了以一種新型的無金屬C—H硼?；?，主要內(nèi)容是使用簡(jiǎn)單廉價(jià)的BF3·Et2O作為催化劑，穩(wěn)定的B2pin2作為硼源，吲哚、多種取代吲哚或其他雜環(huán)芳烴作為合適的底物，此方法能夠以良好產(chǎn)率獲得相應(yīng)的C2硼?；a(chǎn)物(見圖3)。

圖3 無金屬催化芳香族C—H硼化反應(yīng)

2 (雜)芳烴定向C—H硼酰化

上文已指出，催化芳烴硼?；磻?yīng)的大部分區(qū)域選擇性主要由空間因素控制，然而，由于預(yù)期的官能化有機(jī)硼烷具有巨大的合成潛力，因此現(xiàn)在許多研究小組專注于開發(fā)定向位點(diǎn)選擇性硼?；磻?yīng)。接下來我將對(duì)此方面進(jìn)行介紹。

2.1 Pd催化(雜)芳烴定向C—H硼?；?/h3>

鈀基催化劑尚未廣泛用于C—H硼酰化反應(yīng)，這是由于所得產(chǎn)物(即硼酯)易于通過與Pd(II)物種的轉(zhuǎn)化分解。然而，在2012年，F(xiàn)u等[15]人提出了鈀催化的定向鄰硼?；膶?shí)例，即以Pd(OAc)2為催化劑，苯醌為氧化劑，不需要惰性氣氛，便可在溫和條件下實(shí)現(xiàn)乙酰苯胺鄰硼?；耐耆珔^(qū)域選擇性，并獲得良好的產(chǎn)率[15]。由于形成了內(nèi)部CO—B鍵，硼片段采用四面體配位，這使得乙?；荒苡糜谶M(jìn)一步定向的鄰硼?；?見圖4)。

圖4 鈀催化乙酰苯胺在酸性條件下的單選擇性C—H硼?；?/p>

2.2 Rh催化(雜)芳烴定向C—H硼?；?/h3>

2014年，Braun[16]發(fā)表了在溫度為40℃時(shí)，以高活性硼酰銠(I)絡(luò)合物[Rh(Bpin)(PEt3)3]催化含SCF3芳烴C—H硼?；磻?yīng)，硼?；啥ㄏ蜻x擇于與SCF3基團(tuán)相連C的鄰位，故該組認(rèn)為基團(tuán)SCF3可能起到導(dǎo)向基團(tuán)的作用，且其具有高區(qū)域選擇性(見圖5)。而在室溫下用等摩爾量的[Rh(Bpin)(PEt3)3]處理苯基三氟甲基硫化物時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生鄰硼?；袜彾瘐；a(chǎn)物，以及絡(luò)合物[Rh(H)(PEt3)]。該小組認(rèn)為發(fā)生了二次催化硼?；磻?yīng)的原因是由于，通過[Rh(H)(PEt3)]和硼?；噭┑南嗷プ饔迷偕隽薣Rh(Bpin)(PEt3)3]。

圖5 Rh催化含SCF3芳烴的C—H硼?；磻?yīng)

3 結(jié)論與展望

有機(jī)硼化合物的合成作為近幾十年來有機(jī)合成中的研究熱點(diǎn)，隨著科學(xué)家們對(duì)有機(jī)硼化合物的合成研究不斷深入，使得有機(jī)硼化合物的合成反應(yīng)不斷取得突破，新的合成方法不斷被開發(fā)出來。然而，目前C—H鍵硼化仍然存在一些限制，如(1)多數(shù)反應(yīng)體系得到單雙取代混合物;(2)反應(yīng)底物類型有限;(3)與銥基催化劑相比，使用非貴催化劑的已知方法對(duì)未活化芳烴的能力仍然較差等。因此，相信在不久的將來，(雜)芳基硼酸類化合物的合成方法將會(huì)取得更大的突破，并能夠在有機(jī)合成、藥物化學(xué)及材料科學(xué)中擁有更廣泛的應(yīng)用。