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米测MeLab

2025-07-29

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

有机硼化合物不仅是钯催化Suzuki-Miyaura偶联反应中常用的非毒性中间体，还能方便地转化为多种有价值的官能团，如氨基、羟基、烷氧基和卤素基团。除了这些常见的转化，有机硼烷独特的反应性还促成了“同系化反应”的发展，通过向碳-硼键中插入一个或多个碳原子来修饰有机骨架。

关键问题

然而，同系化反应的发展主要存在以下问题：

1、传统同系化反应局限于sp³碳原子插入

传统同系化反应仅限于sp³杂化碳原子的插入，从而形成新的烷基硼化合物。虽然近期发展了一些实现C(sp²)插入的转化方法，可以将有机硼烷同系化为硼烯烃，但这些方法在反应范围和烯烃几何构型的控制方面仍存在局限性。

2、新发展的C（sp²）插入方法应用范围受限

目前可用的C(sp²)插入同系化方法依赖于化学计量量的有机锂或格氏试剂来生成关键的硼酸盐中间体，这限制了这些转化的应用范围。此外，产生多取代烯烃的同系化反应是立体专一的，需要具有预先确定烯烃几何构型的复杂起始材料。

新思路

有鉴于此，华盛顿大学Gojko Lalic等人展示了一种催化的C(sp²)-插入同系化，用于从简单的烷基硼烷和炔基硼酸酯区域和非对映选择性合成复杂的三取代二硼烯。该工作展示了所得产物在模块化和立体选择性合成高取代烯烃中的广泛反应范围和应用。此外，作者提供了证据支持一种独特的机理，负责在反应中观察到优异的立体选择性。

技术方案：

1、探索了在铜络合物存在下烷基硼烷和乙炔基硼酸酯的偶联反应

作者探索了铜催化的烷基硼烷和乙炔基硼酸酯偶联反应，反应对底物电子和空间性质敏感，可用于烯烃扩链及多种官能团化产物合成。

2、提出了邻位二硼基烯烃合成策略

作者提出一种新策略，从短烯烃前体合成邻位二硼基烯烃，用于复杂三取代烯烃的模块化合成。该方法利用更活泼的硼基，便于后续芳基化和烷基化。

3、探索了N-杂环卡宾负载的铜催化剂在二硼基烯烃合成中的反应机理

作者发现，铜催化剂与乙炔基硼酸酯反应生成乙炔化铜中间体，与烷基硼烷反应生成硼化物络合物，随后发生1,2-金属酸盐移位和金属转移生成产物。这一过程还涉及烯基铜与乙炔基硼酸酯的transmetallide现象，为铜催化转化提供了新思路。

技术优势：

1、成功开发了催化C(sp²)插入同系化反应

本工作开发了一种催化C(sp²)插入同系化反应，克服了现有方法的局限性，首次实现了从简单烷基硼烷和炔基硼酸酯出发，区域和非对映选择性地合成复杂三取代二硼烯烃。

2、解析了确保高立体选择性的独特反应机制

研究提供了支持其独特反应机制的证据，该机制解释了所观察到的优异立体选择性，假定机制使得烯烃形成中的区域选择性和非对映选择性都受到机械约束，确保只形成一种烯烃异构体。

技术细节

烷基硼烷的同系化反应

作者探索了在铜络合物存在下烷基硼烷和乙炔基硼酸酯的偶联反应。最佳反应条件为5 mol% CuCl、6 mol% LiOi-Pr和20 mol% RuPhos，使用N-杂环卡宾连接的烷氧基铜催化剂时，反应速率更高，但最高产率仅为70%。富电子的二烷基联芳基膦配体表现最佳，且膦配体用量需超过铜源以提高产率。对照实验表明，催化剂的三种组分（铜源、醇盐和膦配体）均不可或缺。烷基硼烷是反应的关键底物，而炔基硼酸酯的电子性质和空间位阻对反应有显著影响。该偶联反应还可与原位硼氢化结合，实现烯烃的二碳扩链，适用于多种官能团化烯烃，产率中等到高。

图  烷基硼烷的同系化反应

二硼基烯烃产物的转化

作者提出了一种新的合成策略，用于从较短的烯烃前体获得具有不同硼基的邻位二硼基烯烃，这些化合物可作为复杂三取代烯烃合成的关键核心。与传统炔烃二硼化方法相比，该策略使用更活泼的硼基，便于后续芳基化和烷基化反应。实验发现，在金属催化的交叉偶联反应中，二烷基硼基表现出更高的反应活性，而末端硼酸酯则因空间位阻而反应性较低。通过选择性交叉偶联，成功合成了一系列立体定向的三取代烯基硼酸酯（23-26），这些产物可进一步加工为有价值的三取代烯烃。此外，二硼基烯烃还可通过过氧化氢氧化转化为甲基酮，进一步拓展了其合成应用范围。

表  反应进展

图  二硼基烯烃产物的转化

机理分析

研究通过一系列实验探索了N-杂环卡宾负载的铜催化剂在二硼基烯烃合成中的反应机理。首先，乙炔基硼酸酯与IPrCuOt-Bu发生化学计量反应，生成末端乙炔化铜络合物（29），该络合物被X射线晶体学表征，并在反应中表现出良好的催化活性。乙炔铜29与烷基硼烷的化学计量反应迅速生成硼化物络合物（31），¹¹B NMR光谱显示了其快速形成。然而，31在室温下迅速分解，导致分离尝试失败。通过¹¹B NMR光谱原位监测催化反应，发现31是关键中间体，但其迅速分解。研究提出，31通过1,2-金属酸盐移位生成烯基铜中间体（31a），随后与乙炔基硼酸酯发生金属转移生成产物。此外，烯基铜络合物（32）与乙炔基硼酸酯的化学计量反应生成E-链烯基硼酸酯（33）和乙炔铜29，表明transmetallide过程的可行性。这种金属转移反应为设计新的铜催化转化提供了可能，可用于将硼基引入有机硼化合物中。

图  机理分析

展望

总之，本研究开发了一种催化方法，用于将两种有机硼化合物加成偶联，生成具有不同关键柄的三取代烯烃。所得二硼基烯烃产物可通过亲电试剂官能化，转化为有价值的立体定向三取代烯基硼酸酯，进而加工为三取代烯烃。机理实验表明，反应过程中形成硼酸盐络合物，随后发生铜诱导的1,2-金属酸盐重排生成杂环烯烃。此外，烯基铜络合物与炔基硼酸酯之间发生独特的transmetallide过程，安装第二个硼基并再生催化剂。

参考文献：

Gardner, B.W., Lalic, G. Catalytic C(sp2) homologation of alkylboranes. Nat. Chem. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41557-025-01854-4