陳 晶，趙海濤，肖小燕，趙 慧，王小佳

（天津大學理學院，天津300072）

有機硼化合物[1－4］是有機和生物化學中非常重要的一類合成中間體，不僅能構建有機化合物中常見的化學鍵（如C－O鍵、C－C鍵、C－N鍵等），還具有很高的生物活性[3］，在科研、醫(yī)藥和電子工業(yè)等領域都有著重要的用途。因此，有機硼化合物的合成和應用逐漸成為了有機化學領域的研究熱點。

隨著金屬有機化學的迅猛發(fā)展，過渡金屬催化越來越廣泛地被運用到有機硼化合物的合成。過渡金屬催化的硼化反應[5－6］相較于傳統無催化的硼化反應，具有反應活性和效率高、立體選擇性和區(qū)域選擇性好等優(yōu)點，受到研究者的普遍重視，成為目前金屬有機催化、有機合成等相關領域的研究熱點。

迄今為止，關于過渡金屬 Pd[6－8］和 Pt[9－11］催化不飽和化合物的硼化反應已被相繼報道，但過渡金屬Ni催化的硼化反應的報道卻相對較少，而Ni相較于Pd、Pt來說具有價格低廉和來源廣泛的優(yōu)點，因此對過渡金屬Ni催化的硼化反應的研究具有重要意義。

Ni與其同族元素Pd、Pt在催化硼化反應上具有不同的化學反應性質，主要是由Ni－BR2的不穩(wěn)定性造成的[12］。1971年，Mindiola課題組[13］首次合成了穩(wěn)定的 Ni的單硼化合物（PNP）Ni[B－（catechol）］（圖1），開辟了過渡金屬Ni催化的硼化反應的新領域。

作者從硼氫化反應、雙硼化反應、β－硼化反應、硼化開環(huán)反應以及硼化偶聯反應等5個方面對過渡金屬Ni催化不飽和化合物的硼化反應進行綜述，并簡單地介紹相關的反應機理。

圖1 （PNP）Ni[B－（catechol）］的結構Fig.1 The structure of（PNP）Ni[B－（catechol）］

1 硼氫化反應

硼氫化反應是一種常見的合成反應。最早使用的硼氫試劑是硼烷（B2H6）。隨著硼氫化反應的不斷發(fā)展，各種性能優(yōu)異的硼氫試劑不斷被發(fā)現，如鄰苯二酚硼烷以及HBpin等。

2009年，Morken課題組[12］最先報道了 Ni（0）催化的1，3－丁二烯及其衍生物的端位硼氫化反應，并對該硼氫化產物進行水解，得到伯醇。該反應使用Ni的配位化合物Ni（cod）2和磷配體PCy3（Cy為環(huán)己基，下同）作為催化劑，使1，3－丁二烯與硼氫試劑HBpin反應，合成了1，4－硼氫化產物，反應的立體選擇性較高，反應過程如圖2所示。

Morken等還對該反應的反應機理進行了研究。通過光譜分析發(fā)現，Ni（0）經配位等一系列步驟最終形成1，4－硼氫化產物，反應機理如圖3所示。

圖2 Ni催化的共軛二烯烴的1，4－硼氫化反應Fig.2 The Ni－catalyzed 1，4－h(huán)ydroboration of conjugated dienes

圖3 Ni催化的共軛二烯烴硼氫化反應的反應機理Fig.3 The mechanism for Ni－catalyzed hydroboration of conjugated dienes

2 雙硼化反應

2010年，Morken課題組[14］在硼氫化反應的基礎上，將硼氫試劑 HBpin換成雙硼試劑B2（pin）2，在60℃下使B2（pin）2與共軛二烯烴發(fā)生反應，以高立體選擇性生成了1，4－雙硼化產物，反應過程如圖4所示。該反應對硅醚等官能團具有很好的包容性，反應過程不受任何影響。最終水解產物收率能達到90%以上。

圖4 Ni催化的共二軛烯烴的1，4－雙硼化反應Fig.4 The Ni－catalyzed 1，4－diboration of conjugated dienes

Morken課題組通過實驗發(fā)現，Ni與Pd和Pt不同，只能催化共軛雙烯雙硼化，不能催化苯乙烯等單烯雙硼化；并認為該反應按其提出的硼氫化機理進行；未對Ni不同于Pd、Pt的原因給出合理的解釋，仍有待進一步研究。

3 β－硼化反應

α，β－不飽和羰基化合物在過渡金屬催化下發(fā)生的硼化反應能順利地將硼基引入到羰基的β位上，因此該反應受到了廣大研究者的極大關注。

2007年，Yorimitsu和 Oshima課題組[15］報道了Ni（0）配位化合物催化α，β－不飽和酯和酰胺的β－硼化反應，該反應使用Ni（cod）2配位化合物和磷配體PCy3作催化劑，較好地實現了二、三、四取代的α，β－不飽和酯和酰胺的β－硼化反應，并能得到取代在羰基β碳原子上的硼化一、二、三級化合物，且反應收率較高，反應過程如圖5所示。

圖5 Ni催化的α，β－不飽和酯和酰胺的β－硼化反應Fig.5 The Ni－catalyzedβ－borylation of α，β－unsaturated esters and amides

Yorimitsu和Oshima課題組還提出了該反應可能的反應機理，認為反應經歷η2－配位、η3－配位、轉移金屬化、還原消除及質子分解生成β－硼化產物的過程如圖6所示。

圖6 Ni催化的α，β－不飽和酯和酰胺β－硼化反應可能的反應機理Fig.6 The plausible mechanism for Ni－catalyzedβ－borylation ofα，β－unsaturated esters and amides

該工作很好地彌補了貴金屬Pt、Rh、Cu配合物只能催化α，β－不飽和醛酮β位的硼化的局限性，拓寬了底物范圍，應用前景更為廣闊。

4 硼化開環(huán)反應

2009年，Yorimitsu和 Oshima課題組[16］在β－硼化反應的基礎上，報道了芳基環(huán)丙基酮的硼化開環(huán)反應。該反應在催化劑 Ni（cod）2、配位化合物B2（pin）2和IMes·HCl的作用下以92%的收率得到開環(huán)產物硼酸，反應過程如圖7所示。該反應因形成官能團化的烷基硼酸而具有較廣的用途。

圖7 Ni催化的α，β－不飽和酯和酰胺的硼化開環(huán)反應Fig.7 The Ni－catalyzed borylative ring－opening reaction of α，β－unsaturated esters and amides

此外，該課題組發(fā)現貴金屬Pd的催化效果遠低于Ni，因此大大降低了使用成本。而且通過對環(huán)丙基進行修飾，能夠得到選擇性較好的開環(huán)產物，即C－C鍵的斷裂在空間位阻較小的一端進行。然而該反應只適用于羰基鄰位為吸電子基團的底物，對于鄰位基團為富電子基團時很難進行。

5 硼化偶聯反應

2008年，Morken課題組[17］首先報道了 Ni（0）催化劑、磷配體PCy3催化的雙烯及醛的硼化偶聯反應。該反應使用THF作溶劑，在室溫下即可反應，得到高收率和高立體選擇性的硼化偶聯產物，反應過程如圖8所示。該反應條件對芳香醛類底物特別適用，均能得到較高收率的產物。且反應過程中通過控制1，3－戊二烯的構型可以發(fā)現，該反應以得到反式產物為主，不受底物構型的影響。可能是空間位阻的原因，反式結構更穩(wěn)定。

圖8 Ni催化的雙烯、醛和B2（pin）2的硼化偶聯反應Fig.8 The Ni－catalyzed borylative coupling reaction of diene，aldehydes and B2（pin）2

2010年，Morken課題組[18］將磷配體PCy3換成商業(yè)可得的P（SiMe3）3，對硼化偶聯反應進行了進一步的研究。通過硼氫化、氧化后可以得到不同類型的區(qū)域和立體選擇性可控的1，3－二羥基類化合物。該條件下芳香醛、雜環(huán)芳香醛及其衍生物均可得到高立體選擇性產物，反應過程及配體對硼化偶聯的影響如圖9所示。

圖9 配體對Ni催化的硼化偶聯的影響Fig.9 Effect of ligand on Ni－catalyzed borylative coupling reaction

雙硼試劑也能催化酮和雙烯發(fā)生偶聯反應。2011年，Morken課題組[19］通過改變配體實現了雙烯和酮的硼化偶聯反應。該方法不僅適用于芳香烷基酮也適用于雙烷基酮，且反應的區(qū)域選擇性與醛和雙烯的偶聯有著巨大的差異，當底物為芳香甲基酮時，得到1，3－二羥基類產物；當底物為雙烷基酮時，得到1，5－二羥基化合物。對此結果Morken課題組認為羰基鄰位基團對產物生成有影響（圖10）。

圖10 羰基鄰位基團對產物的影響Fig.10 Effect of carbonyl ortho group on the products

同時，Morken課題組對比了苯乙酮和苯甲醛硼化偶聯的區(qū)別（圖11），通過改變底物可控制產物的合成，且產物具有較高的選擇性，對以后的合成具有重要的指導意義。

圖11 苯乙酮與苯甲醛的硼化偶聯反應Fig.11 Borylative coupling reaction of acetophenone and benzaldehyde

2009年，Cheng課題組[20］報道了 Ni（0）催化的炔及α，β－不飽和酮的硼化偶聯反應，如圖12所示。

圖12 Ni催化的炔、乙基乙烯酮和B2（pin）2的硼化偶聯反應Fig.12 The Ni－catalyzed borylative coupling reaction of alkynes，ethyl vinyl ketone and B2（pin）2

通過特定的PnBu3配體和混合溶劑體系，可以得到高區(qū)域選擇性的產物：硼基團選擇性加成在帶有取代基的炔烴碳原子上，且產物為順式構型。該課題組通過實驗提出了該反應2種可能的機理，一種如圖13所示，另一種則包括氧化加成、配位、插入及質子分解的過程。

圖13 Ni催化的炔、酮和B2（pin）2的硼化偶聯反應可能的機理Fig.13 The plausible mechanism for Ni－catalyzed borylative coupling reaction of alkyne，ketone and B2（pin）2

6 結語

近年來，基于過渡金屬Ni催化的硼化反應研究取得了一定的進展，對硼氫化反應、雙硼化反應、β－硼化反應、硼化開環(huán)反應以及硼化偶聯反應等5種類型的硼化反應進行了總結，并對相關的反應機理進行了討論。過渡金屬Ni催化的大多數硼化反應均具有反應條件溫和、反應速度快、區(qū)域選擇性高和立體選擇性高等優(yōu)點，為構建C－O鍵、C－C鍵、C－N鍵等常見有機化學鍵提供了一種簡潔、高效的方法。因此，研究過渡金屬Ni配合物催化反應的性質，進一步發(fā)展和完善催化硼化反應，是該類反應今后的發(fā)展熱點和研究方向。

然而，由于目前Ni催化的大多數硼化反應的機理仍然存在不少爭議，因此在今后的研究中，通過更為深入的機理實驗以及理論計算等工作對反應機理進行更深入的探討和研究尤為重要，也將有助于該研究領域的進一步拓展和成果的更廣泛應用。

[1]BRAUNSCHWEIG H，COLLING M.Transition metal complexes of boron－synthesis，structure and reactivity [J］.Coordination Chemistry Reviews，2001，223（1）：1－51.

[2]BROWN H C，GUPTA S K.1，3，2－Benzodioxaborole，a convenient monofunctional hydroborating agent.Simple new synthesis of alkaneboronic esters and acids from olefins viahydroboration[J］.Journal of the American Chemical Society，1971，93（7）：1816－1818.

[3]IRVING A M，VOGELS C M，NIKOLCHEVA L G，et al.Synthesis and antifungal and antibacterial bioactivity of cyclic diamines containing boronate esters[J］.New Journal of Chemistry，2003，27（10）：1419－1424.

[4]MEARS R J，WHITING A.β－Boronate carbonyl derivatives：Synthesis and evidence for the intervention of boronate“ate”－complexes in enolate alkylations[J］.Tetrahedron，1993，49（1）：177－186.

[5]BAKER R T，NGUYEN P，MARDER T B，et al.Transition metal catalyzed diboration of vinylarenes[J］.Angewandte Chemie International Edition in English，1995，34（12）：1336－1338.

[6]BURKS H E，LIU S，MORKEN J P.Development，mechanism，and scope of the palladium－catalyzed enantioselective allene diboration[J］.Journal of the American Chemical Society，2007，129（28）：8766－8773.

[7]MOLANDER G A，TRICE S L J，KENNEDY S M，et al.Scope of the palladium－catalyzed aryl borylation utilizing bis－boronic acid[J］.Journal of the American Chemical Society，2012，134（28）：11667－11673.

[8]CHOW W K，YUEN O Y，SO C M，et al.Carbon－boron bond cross－coupling reaction catalyzed by－PPH2containing palladiumindolylphosphine complexes[J］.Journal of Organic Chemistry，2012，77（7）：3543－3548.

[9]LIU B W，GAO M，DANG L，et al.DFT Studies on the mechanisms of the platinum－catalyzed diboration of acyclic alpha，betaunsaturated carbonyl compounds[J］.Organometallics，2012，31（8）：3410－3425.

[10]BELL N J，COX A J，CAMERON N R，et al.Platinum catalysed 3，4－and 1，4－diboration ofα，β－unsaturated carbonyl compounds using bis－pinacolatodiboron[J］.Chemical Communication，2004，（16）：1854－1855.

[11]YOSHIDA H，OKADA K，KAWASHIMA S，et al.Platinum－catalysed diborylation of arynes：Synthesis and reaction of 1，2－diborylarenes[J］.Chemical Communications，2010，（46）：1763－1765.

[12]ELY R J，MORKEN J P.Regio－and stereoselective Ni－catalyzed 1，4－h(huán)ydroboration of 1，3－dienes：Access to stereodefined（Z）－allylboron reagents and derived allylic alcohols[J］.Journal of the American Chemical Society，2010，132（8）：2534－2535.

[13]ADHIKARI D，HUFFMAN J C，MINDIOLA D J.Structural elucidation of a nickel boryl complex.A recyclable borylation Ni（Ⅱ）reagent of bromobenzene[J］.Chemical Communications，2007，（43）：4489－4491.

[14]ELY R J，MORKEN J P.Ni（0）－Catalyzed 1，4－selective diboration of conjugated dienes[J］.Organic Letters，2010，12（19）：4348－4351.

[15]SHIOMI T，ADACHI T，TORIBATAKE K，et al.Asymmetricβboration ofα，β－unsaturated carbonyl compounds promoted by chiral rhodium－bisoxazolinylphenyl catalysts[J］.Chemical Communicaitons，2009，（40）：5987－5989.

[16]SUMIDA Y，YORIMITSU H，OSHIMA K.Nickel－catalyzed borylation of aryl cyclopropyl ketones with bis（pinacolato）diboron to synthesize 4－oxoalkylboronates[J］.The Journal of Organic Chemistry，2009，74（8）：3196－3198.

[17]CHO H Y，MORKEN J P.Diastereoselective construction of functionalized homoallylic alcohols by Ni－catalyzed diboron－promoted coupling of dienes and aldehydes[J］.Journal of the American Chemical Society，2008，130（48）：16140－16141.

[18]CHO H Y，MORKEN J P.Ni－Catalyzed borylative diene－aldehyde coupling：The remarkable effect of P（SiMe3）3[J］.Journal of the American Chemical Society，2010，132（22）：7576－7577.

[19]CHO H Y，YU Z，MORKEN J P.Stereoselective borylative ketone－diene coupling[J］.Organic Letters，2011，13（19）：5267－5269.

[20]MANNATHAN S，JEGANMOHAN M，CHENG C H.Nickelcatalyzed borylative coupling of alkynes，enones，and bis（pinacolato）diboron as a route to substituted alkenyl boronates[J］.Angewandte Chemie International Edition，2009，48（12）：2192－2195.