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【有机】中山大学王洪根团队JACS：β-硼效应导向的烯烃的区域选择性和立体特异性亲电加成反应

时间：2023-04-13 来源： 浏览：

【有机】中山大学王洪根团队JACS：β-硼效应导向的烯烃的区域选择性和立体特异性亲电加成反应

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亲电加成反应作为基础化学教科书里的经典反应可用于构建两个相邻官能团。然而对于不对称内烯来说，亲电加成反应的区域选择性一直难以控制。目前主要借用马氏规则，通过共轭效应以及分子内反应来解决。β-硅效应使烯丙基硅的γ位更具亲核性，理论上可以控制烯烃亲电加成反应的区域选择性，然而硅基更容易被亲核试剂进攻，通常得到的是牺牲硅基的单官能团化产物。
中山大学王洪根 课题组在硼导向的官能团化领域取得了一系列成果（ Angew. Chem. Int. Ed . 2017 , 56 , 14707； Angew. Chem. Int. Ed. 2018 , 57 , 16544； Angew. Chem. Int. Ed . 2019 , 58 , 13784； Chem. Sci. , 2022 , 13 , 2981； Chem. Sci ., 2022 , 13 , 6413； J. Am. Chem. Soc . 2022 , 144 , 14380-14387）。近日， 王洪根 课题组与 加拿大多伦多大学 （University of Toronto） Andrei K. Yudin 课题组合作，开展了一类 使用β-硼效应导向的内烯区域选择性与立体特异性的亲电加成反应 ，作者发现使用烯丙基MIDA（N-甲基亚氨基二乙酸）硼酸酯能观察到与β-硅效应相似的反应活性，并且MIDA硼酸酯具有很好的亲核试剂稳定性。通过机理研究以及计算结果表明σ(C-B)键超共轭效应可以稳定β位碳正离子，诱导效应与超共轭效应共同决定了反应的区域选择性。成功构建了七类包括氢-氟化、氢-碘化、氢-氯化、氢-溴化、碘-羟基化、碘-烷氧基化、碘-氟化在内的不同官能团化产物，具有广泛的底物普适性（图1）。在氢-卤反应中，观察到了少见的顺式加成产物，而在碘-官能团化反应中则得到反式加成产物。在使用手性烯丙基MIDA硼酸酯中，作者还观察到了高的非对映选择性。相关工作发表在 J. Am. Chem. Soc .上。

图1
为了阐明β-硼效应在反应过程中的作用，作者进行了一系列的机理实验：（1）使用烯丙基硅以及其他s p 2 的烯丙基硼进行反应，都未能稳定保留硅基与硼基，反映了s p 3 的MIDA硼酸酯独特的亲核稳定性。使用B(MIDA)类似物B(TIDA)进行反应时，观察到了相似的反应活性（图2A）。（2）β-B效应所产生的区域选择性无法超过经典的马氏规则，区域选择性会取决于产生更稳定的三级碳或者苄位碳正离子（图2B）。（3）使用手性中心位于远端烯丙基底物的实验，未发现与产物相当的非对映选择性，表明立体选择性是源于立体电子效应的影响，而不仅仅因为空间位阻（图2C）。（4）高烯丙基硼的区域选择性大幅下降证明在反应过程中不仅存在诱导效应，超共轭效应在其中也起到重要作用（图2D）。（5）竞争实验发现烯丙基B（MIDA）表现出更强的反应活性，证明σ（C-B）键可以通过超共轭效应提高双键的HOMO轨道能量，使双键更具亲核性（图2E）。（6）相邻官能团对碳正离子的稳定作用可以提高溶剂化速率，而结果表明β-B(MIDA)的存在会极大提高溶剂化速率，由此显示了突出的β-硼效应（图2F）。（7）通过较小的二级动力学同位素效应（ K H /K D = 0.66）表明γ-C在过渡态中发生了从s p 2 到s p 3 的杂化，因此正电荷在β位产生（图2G）。（8）最后，通过一个氘代底物的实验证明了氢-卤化的亲电加成反应为顺式加成，并且立体选择性是底物决定的而非条件决定（图2H）。

图2
为了更深入了解β-硼效应，作者进行了一系列理论计算研究。实验结果表明对于β-位碳正离子，B（MIDA）的给电子诱导效应以及超共轭效应共同起到稳定作用，且超共轭效应起到主要作用（图3，表1-表2）。

图3

表1

表2
最后，作者得出可能的反应机理：高能级的σ（C-B）键与π*(C=C)相互作用，提高了双键HOMO轨道能量，使其更具亲核性，部分负电荷分布到硼的γ位。在氢-卤化反应中，质子优先从硼的背面进攻硼的γ-位，产生被β-硼效应稳定的碳正离子，这种稳定作用能阻止C-C键的旋转。由于位阻原因，亲核卤试剂更倾向于在硼的背面进攻碳正离子，得到顺式加成产物。在碘-官能团化反应中，经历一个三元环碘鎓离子中间体，亲核试剂从三元环背面进攻开环，得到反式加成产物。对于α-手性中心的烯丙基MIDA硼酸酯，会产生两种构象，构象1的 A 1,3 -应力更小成为优势构象，在此构象上，碘从硼的背面进攻后亲核试剂反式开环可立体选择性得到连续三手性中心的产物（图4）。

图4
为了证明该反应的应用价值，作者进行了一系列的转化应用。通过简单转化可快速制备多种官能团化产物（图5）。

图5
总结
作者利用β-硼效应实现了高区域选择性和高立体选择性的亲电加成反应，底物兼容性广，制备了广泛、复杂和高度功能化的硼化产物。并且通过机理研究以及理论计算更深入探索β-硼效应在反应过程中的作用，今后有望为更多有机硼合成化学提供新思路。
这一成果近期发表在 J. Am. Chem. Soc. ，中山大学 黎茵、范文心 、中科院广州生物医学与健康研究所 罗爽 为共同第一作者，中山大学 王洪根 教授与加拿大多伦多大学 Andrei K. Yudin 教授为共同通讯作者。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
β-Boron Effect Enables Regioselective and Stereospecific Electrophilic Addition to Alkenes
Yin Li, Wen-Xin Fan, Shuang Luo, Alina Trofimova, Yuan Liu, Jiang-Hao Xue, Ling Yang, Qingjiang Li, Honggen Wang*, Andrei K. Yudin*
J. Am. Chem. Soc ., 2023 , 145 , 7548–7558, DOI: 10.1021/jacs.3c00860
王洪根教授简介

王洪根，博士，国家高层次引进青年人才，国家优青，中山大学教授，博导。2011年于中国科学院广州生物医药与健康研究院取得博士学位，导师：朱强 研究员，张健存 研究员，2011年至2013年在德国明斯特大学进行博士后研究，合作导师：Prof. Dr. Frank Glorius，2013年9月起就职于中山大学大学。
课题组网站：
https://www.x-mol.com/groups/SYSU-Wang_Honggen

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