【ACS Catal.】帝国理工学院Mark R. Crimmin：镁催化苄亚基环丁烷C−C σ键的硼氢化反应

导读

近日，帝国理工学院化学系Mark R. Crimmin团队报道了一种通过镁(II)配合物催化的苄亚基环丁烷开环硼氢化反应来制备硼酸酯的方法。硼酸酯产物经由环丁烷环中单一C−C σ键的形式硼氢化获得，在广泛的底物范围内均表现出完全的化学选择性以及优异的E/Z选择性。催化过程经由苄亚基环丁烷的氢镁化、β-烷基迁移开环以及随后的镁−硼复分解三个步骤进行。

硼酸酯是构建碳–碳键和碳–杂原子键的多功能合成砌块，常被用作药物、农用化学品及多种功能材料制备过程中的重要中间体。通常，硼酸酯由碳–氢键或碳–卤键的硼化反应制备，或由烯烃、二烯烃、炔烃等不饱和碳–碳键的硼氢化反应获得。然而，这些反应在生成复杂产物时实现对选择性的精准控制仍是难点。近年来，环状张力烷烃中碳–碳σ键的硼氢化反应已成为应对这一难题的较好策略。目前已有一些过渡金属催化剂体系被用于三元环和四元环中碳–碳σ键的活化与官能团化（图1）。相比之下，亚烷基环丁烷的开环硼氢化反应则远为少见，这很可能源于亚甲基环丙烷与亚甲基环丁烷之间环张力的显著差异。据作者所知，目前并无从亚烷基环丁烷出发选择性制备单硼化产物的催化方法。而此类转化所生成的硼酸酯将保留有价值的C＝C双键。在此，作者报道了一种高选择性的镁催化方法，通过苄亚基环丁烷的硼氢化反应制备带有远端烯烃官能团的末端硼酸酯。

（图1，源于ACS Catal.）

图文解析

先前工作：作者前期工作表明，亚甲基环丁烷与β-二亚胺稳定的镁氢化物[1a]₂反应，生成开链的镁烷基产物2a（图2a）。基于此，作者设想可以通过有机镁配合物与硼氢试剂之间的已知复分解反应，发展催化硼氢化过程，从而释放产物并再生[1a]₂。2a与HBpin的化学计量反应可干净地生成硼酸酯3a，同时重新生成[1a]₂。尝试以类似物[1b]₂进行催化反应时，并未发生开环，而是得到了C＝C键的硼氢化产物3b（图2b）。相比之下，亚甲基环丙烷在[1b]₂催化下发生非选择性硼氢化，经开环得到1,4-二硼化丁烷3c（图2c）。底物与条件之间反应性的差异，在于Mg/B复分解与β-烷基迁移两者相对速率的竞争。四元环在催化条件下不利于开环。为此，作者将底物改为苄亚基环丁烷，以利于电荷稳定化，期望以此降低β-烷基迁移的能垒，使其能够与复分解步骤竞争。

（图2，源于ACS Catal.）

苄亚基环丁烷底物的催化研究：作者对苄亚基环丁烷4a进行了考察，发现：在2.5 mol%[1b]₂和2当量HBpin存在下，于C₆D₆中130°C反应20 h，可选择性地生成5a，分离收率82%，E/Z选择性为97:3（图3）。

（图3，源于ACS Catal.）

在最优反应条件下，一系列苄亚基环丁烷（4a‒4r）与HBpin反应20 h，可选择性地生成5a‒5r（图4a）。这系列产物源于环丁烷环中C−C σ键的形式硼氢化，具有高的化学选择性和E/Z立体控制。预催化剂[1b]₂在催化循环过程中的热稳定性极为优异，大大促进该反应进行。反应方案兼容芳环对位上一系列吸电子基团和给电子基团。多种官能团可在该催化转化中得以保留（5a‒m）。相比之下，二芳基取代的底物发生非选择性反应，生成二硼化产物的混合物（图4b）。

（图4，源于ACS Catal.）

作者进一步深入了解该催化反应及其选择性控制问题。将[1b]₂与4f反应14 h，可分离得到有机镁中间体2b，并通过多核NMR波谱对其进行了表征。向体系中加入HBpin并继续加热反应6 h，即生成硼酸酯5f（方案1）。这个数据与催化反应经由氧化还原中性机理进行的结论一致：机理包括苄亚基环丁烷的初始氢镁化、β-烷基迁移开环，随后发生镁与硼烷之间的复分解反应。催化剂形态的复杂性可能源于镁配合物与硼烷物种之间可能存在的可逆反应。

（方案1，源于ACS Catal.）

密度泛函理论计算中，以镁预催化剂[1b]₂的二聚体形式作为零点，模拟了4a与HBpin的反应（图5）。4a的硼氢化反应可生成未观测到的动力学产物3d，反应总体上为适度放能过程。然而，由于镁到硼的复分解步骤能垒较低，3d的生成是可逆的。动力学中间体最终可通过先恢复为Int‑3，再经由β-烷基迁移过渡态TS‑5E。从Int‑4到TS‑5E的能跨度为24.8 kcal mol⁻¹，这不仅表明该过程在130°C下可进行，而且该能垒与经由TS‑2的底物氢镁化能垒高度相当。基于该计算模型，这两个过渡态之一或两者均可成为决速步骤。

（图5，源于ACS Catal.）

化学选择性的来源与E/Z立体选择性的机理解释：产物5a‒5r的化学选择性生成，可根据缓慢的氢镁化步骤的相对速率得以合理解释。作者在催化条件下考察了[1b]₂与β-甲基苯乙烯的反应。转化率不足10%，且无明显证据表明生成了氢金属化中间体，这表明在该温度下该步骤具有挑战性（图6b）。5a‒5r中E‑立体异构体的选择性形成，源于β‑烷基迁移过渡态TS‑5中C−C σ键断裂的区域选择性。

（图6，源于ACS Catal.）

（图7，源于ACS Catal.）

总结

总体来说，Mark R. Crimmin报道了一种由结构明确且热稳定性优异的镁氢化物配合物催化的、高度化学选择性和立体选择性的苄亚基环丁烷C−C σ键形式硼氢化方法。推测催化过程经过以下顺序：苄亚基环丁烷的初始氢镁化，随后通过β-烷基迁移发生开环，再经复分解步骤将烷基链从镁转移到硼。化学选择性的源于张力环苄亚基环丁烷的烯烃氢镁化反应速率远快于β-取代苯乙烯。对E-立体异构体的高度偏好，则源于β-烷基迁移过渡态中的电荷稳定效应（图7）。作者报道的反应代表了苄亚基环丁烷催化硼氢化反应中一个罕见的实例，也是首个以高选择性获得单官能团化硼酸酯的方法。

论文信息

Magnesium-Catalyzed Hydroboration of C−C σ-Bonds of Benzylidene

Cyclobutanes

Wenbang Yang; Joseph M. Parr; Esther Raga; Mark R. Crimmin *

ACS Catal. (2026) https://doi.org/10.1021/acscatal.6c04818

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