李欢欢 燕 红 芦昌盛

综述

碳硼烷硼氢键选择性官能团化的研究进展

李欢欢 燕 红＊芦昌盛＊

(南京大学化学化工学院，配位化学国家重点实验室，南京 210023)

由于独特的三维立体结构、硼含量高、良好的热稳定性和化学稳定性等特点，碳硼烷及其衍生物在材料、催化、医药、超分子和配位化学等领域应用广泛，因此发展高效、高区域选择性的碳硼烷B-H键的官能团化的方法学备受硼化学家的关注。本文对近年来碳硼烷B-H键的官能团化的反应类型及相关反应机理予以论述，希望为后续研究提供可靠的参考。

碳硼烷；B-H键官能团化反应；区域选择性；过渡金属

0 引 言

二碳代十二硼烷是一类二十面体构型的硼簇化合物，简称碳硼烷。由于碳原子排列位置不同，碳硼烷存在3种异构体：邻位(ortho)、间位(meta)、对位(para)-碳硼烷(Scheme 1)。前两种分子具有一定的C2v对称性；后者则具有D5d对称性[1]。在惰性氛围下，邻位-碳硼烷加热至475℃时可以生成间位-碳硼烷，650℃时可以转变为对位-碳硼烷[2]。碳硼烷由于具有独特的几何结构、高硼含量、生物低毒性以及良好的热稳定性和化学稳定等特点，在材料[3]、催化[4]、生物医药[6]、超分子和配位化学[7]等领域均有广泛的应用。因此，对碳硼烷进行选择性官能团化从而得到功能性分子，一直以来都是硼化学家关注的研究热点。

图示1 C2B10Hl2的异构体及热重排[2]Scheme 1 Isomers of carborane and thermal isomerization[2]

然而碳硼烷B-H键极性弱，10个B-H键电子云密度分布、化学环境都不同，而且每个B-H键表现的反应性也不一样[8]，因此相对于碳硼烷碳端化学修饰而言，硼端修饰更具有挑战性。近年来，碳硼烷B-H键的官能团化已经取得了迅猛的发展，本文详细介绍一些已经实现B-H键官能化的例子。

1 B-H键活化

1.1 亲电取代反应实现B-H键活化

由于碳硼烷的26个骨架电子高度离域，因此它可以看作是三维的无机苯类似物，可以像平面芳香烃一样进行亲电取代反应。一般来讲，亲电取代反应优先发生在电子云密度较高的位置上。在碳硼烷结构中，2个碳原子的电负性较大而吸引、诱导电子，导致距离碳原子越远的B原子的电子云密度越大[9]；因此亲电取代顺序依次为B(9，12)＞B(8，10)＞B (4，5，7，11)。需要指出的是，该亲电取代反应不适用于B(3)、B(6)两个位置的官能团化[10]，因为二者距离2个碳原子最近，电子云密度最低。

例如：在AlCl3作用下，邻-碳硼烷与碘甲烷或溴乙烷[11a]发生Friedel-Crafts亲电取代反应，可生成单、双甚至八取代烷基化碳硼烷 (Scheme 2)。Hosmane[11b]将反应条件进一步拓展，一些含有强吸电子基团包括NO2、C(O)OMe、C(O)OPh的烷基卤代烃都可以转化成相应的碳硼烷衍生物。

图示2 邻-碳硼烷分步亲电烷基化反应[11a]Scheme 2 Stepwise electrophilic alkylation of o-carborane[11a]

在AlCl3作用下，邻-碳硼烷与硫粉均匀混合，在无溶剂密封管中加热至100～160℃反应12 h，反应混合物经还原、酸化处理可以得到9-巯基碳硼烷，9，12-二巯基碳硼烷，8，9，12-三巯基碳硼烷的混合物[12](Scheme 3)。其中，反应温度的影响非常显著，温度越高，三巯基化产物越多。

图示3 碳硼烷硫醇的合成[12]Scheme 3 Synthesis of carborane thiols[12]

邻-碳硼烷与I2单质在AlCl3作用下生成 9-I-碳硼烷[13a]；如果使用拟卤代物ICl作为碘源，可以实现八碘代得到4，5，7，8，9，10，11，12-I8-碳硼烷[10,13b]；溴、氯代碳硼烷也可以通过亲电反应实现[14]。但是，3/6-X2-o-C2B10H10(X=I，Br)无法通过此类反应实现，而是通过巢式碳硼烷二价阴离子与BX3反应来完成[15](Scheme 4)。

图示4 碳硼烷3/6-X2-o-C2B10H10(X=I,Br)的合成[15]Scheme 4 Synthesis of 3/6-X2-o-C2B10H10(X=I,Br)[15]

1.2 亲核取代反应实现B-H键活化

根据碳硼烷笼子中电子云密度分布的情况分析：硼端倾向于发生亲电取代反应，则无法进行亲核取代反应。但是，当硼端连有易离去基团时，亲核取代反应就变成可能。例如，1968年，Zakharkin[16a-b]首先将3-NH2-o-C2B10H11重氮化得到重氮盐[3-N2-o-C2B10H11]Cl，然后在等量铜盐CuX作用下顺利发生Sandmeyer或Schiemann反应，得到B(3)位卤化或羟基化产物 (Scheme 5)。值得强调的是，3-NH2-o-C2B10H11是合成碳硼烷胺基化合物最重要、最基础的反应砌块[16c-g]，如Scheme 6所示。

图示5 3-NH2-o-C2B10H11参与的Sandmeyer或Schiemann反应[16a-b]Scheme 5 Sandmeyer or Schiemann reaction involving 3-NH2-o-C2B10H11[16a-b]

图示6 邻-碳硼烷B(3)位胺基化反应[16c-g]Scheme 6 Amination of cage B(3)-H bond in o-carborane[16c-g]

图示7 [3-N2-o-C2B10H11][BF4]参与的反应[16h]Scheme 7 Reaction involving[3-N2-o-C2B10H11][BF4][16h]

2016年，谢作伟教授改进上述反应条件，得到了更加稳定的重氮盐 [3-N2-o-C2B10H11][BF4](Scheme 7)。在无金属参与的情况下，它与亲核试剂例如CN-、X-、OH-、SCN-、N3-、[PO(C6H5)2]-等很快就会发生反应(5 min内反应完全)，得到一系列B(3)取代的产物[16h]；而且收率高、反应条件简便，这为碳硼烷B(3)位功能化提供了新的思路和方法。他们认为：此反应过程中，N2的释放是决速步骤，随之生成的活性boronium中间体由于独特的p空轨道，很容易被亲核试剂捕获。

此外，Grush课题组[16i]通过高价碘试剂[9-o-C2B10H11IPh]BF4与亲核试剂反应也可以高选择性地得到B(9)取代的产物(Scheme 8)。但是，此类反应的产率并不是很理想，这是因为[9-o-C2B10H11IPh]BF4非常不稳定，很容易被一些弱碱例如水、乙醇等破坏，碳硼烷笼发生脱硼反应，笼子瓦解。

图示8 [9-o-C2B10H11IPh]BF4参与的反应[16i]Scheme 8 Reaction involving[9-o-C2B10H11IPh]BF4[16i]

值得强调的是，这几个反应也是合成卤代碳硼烷的有效途径。另外，碘代碳硼烷是碳硼烷硼端功能化最重要、最基础的合成子，关于这部分内容参见下一节介绍。

1.3 过渡金属催化的交叉偶联反应实现B-H键活化

前面介绍的Friedel-Crafts亲电取代反应尽管很便捷，但是区域选择性比较差，往往得到的是不同程度取代的产物混合物，从而增加了后续纯化操作的难度及成本。早在1982年，Zakharkin[17a]首先利用Kumada偶联反应来解决B-H活化位点选择性的问题(Scheme 9)。这类反应通过预先合成的9-I-o-C2B10H11与合适的Grignard试剂在零价钯催化下的偶联反应，从而得到B(9)取代的碳硼烷衍生物，例如烷基[17b-c]、烯烃[17d]、炔[17e-f]、苯基[17g]碳硼烷等。 同样，B(3)位官能团化[17h-i]也可以通过 3-I-o-C2B10H11与Grignard试剂的偶联反应实现。

图示9 第一例Kumada反应形成B-C键[17]Scheme 9 First Kumada-type reaction to form B-C bonds[17]

2010年，Endo[18]利用Suzuki-Miyaura偶联反应，以3-I-o-C2B10H11和苯硼酸在Pd(PPh3)4的催化作用下，生成B(3)位芳基取代的碳硼烷衍生物，并且反应有良好的官能团容忍性，例如含-OCH3、-NO2、-CHO、-CN的苯硼酸底物都适用该反应条件(Scheme 10)。但是，如果使用9-I-o-C2B10H11和苯硼酸在相同条件下反应，完全得不到偶联产物。

图示10 Suzuki-Miyaura偶联反应实现B-aryl偶联[18]Scheme 10 Suzuki-Miyaura coupling reaction to form B-aryl bonds[18]

2012年，Spokoyny[19]首先利用间-碳硼烷和 I2单质合成 9-I-m-C2B10H11，再使其与有机膦试剂HPR2在Pd2dba3/DIPPF(DIPPF=1，1′-双(二异丙基膦)二茂铁)组合催化体系的作用下，实现了B-P键的构建(Scheme 11)。

图示11 Suzuki-Miyaura偶联反应构建B-P键[19]Scheme 11 Suzuki-Miyaura coupling reaction to form B-P bonds[19]

另外，还可以通过零价钯催化的偶联反应[20]构建B-N或B-S键等(Scheme 12～13)。

图示12 Buchwald-Hartwig反应构建B-N键[20a]Scheme 12 Buchwald-Hartwig reaction to form B-N bonds[20a]

图示13 钯催化反应构建B-S键[20d]Scheme 13 Pd-catalyzed reaction to form B-S bonds[20d]

与碘代碳硼烷相比，溴、氯代碳硼烷很少被用于交叉偶联反应，主要是因为碘代碳硼烷的活性最高，而溴、氯代碳硼烷活性相对比较低，往往需要特殊的配体或者更加苛刻的条件。2016年，Spokoyny[21]使用9-Br-m-C2B10H11与胺或醇类等亲核试剂在Pd物种的催化下，实现了B-N键、B-O键和B-CN键的偶联，如Scheme 14所示。其中[L1Pd]与[L3Pd]2个物种完全没有催化活性，而[L2Pd]物种则表现出优秀的催化活性，大大提高了反应转化率。同时在此工作中，B-Br键比B-I键表现得更活泼，反应效果更佳。

图示14 通过钯催化9-Br-m-C2B10H11的偶联反应构建B-N键、B-O键和B-CN键[21]Scheme 14 B-N,B-O,and B-CN bond formation via palladium-catalyzed cross-coupling reaction of 9-Br-m-C2B10H11[21]

这2个例子均使用卤代的间位-碳硼烷，这是因为间位-碳硼烷在碱性条件下很稳定，不易发生脱硼反应。

以上偶联反应都是从B(3/9)-卤代碳硼烷起始原料出发，定位实现了B-C键、B-N键、B-O键、B-P键的偶联。但是，局限性仍存在：需要额外的步骤对碳硼烷底物进行预活化，这降低了反应效率，不符合原子经济性、步骤经济性。同时，其他位点的B-H键官能化的例子几乎没有报道。

1.4 金属诱导B-H键活化

由于16e/17e半夹心式碳硼烷金属配合物结构中含有五元MC2E2或MB2E2(E=S、Se；M=Co、Rh、Ir、Ru)类芳香金属杂环[22]，其中金属中心配位尚未饱和，而且M-E键具有极性，易被有机小分子插入，五元环则被破坏，迫使金属中心在空间位置上更容易接近B-H键，从而实现B-H键的选择性功能化。在此方面，Kang、Herberhold、金国新和燕红课题组都做了大量优秀的工作[23]。

例如1999年，Herberhold课题组[23a]通过不饱和的含双齿硫族碳硼烷配体的过渡金属化合物{Cp*Ir (E2C2B10H10)}(E=S、Se)与缺电子炔烃反应，获得了单、双烯基功能化产物(Scheme 15)。通过分离表征重要的中间体，推理验证了反应机理，其中含Ir-H-B，Ir-B键的中间体是该反应的核心。

2013年，燕红课题组[23k]报道了利用16e化合物{CpIr(S2C2B10H10)}与炔烃在室温下反应，得到B(3)降冰片烯类取代的新颖产物(Scheme 16)。其中2个关键的顺磁性含降冰片烯取代基的17e中间体(化合物2、3)的分离及结构表征对理解化学反应性起了至关重要的作用。并且DFT计算结果表明：反应经历了炔烃插入Co-S键，B-H键活化，Cp配位模式(从η5到η4，η3，η2及η1)转化，B-Cp形成以及Cp参加的Diels-Alder反应的历程(Scheme 17)。

基于单金属诱导活化B-H键的工作基础，燕红课题组将“双金属协同诱导效应”[23l]应用于B-H键活化，成功得到了B(8)甲氧基、羟基甚至氯化的产物(Scheme 18)，为B(8)官能化提供了有力的借鉴思路。同时，核磁跟踪实验也捕获到了含Rh-H-B、Rh-B和Rh-H-Rh键的重要中间体。与单金属体系相比，双金属体系非常有利于降低反应能垒。

在此之前，金国新课题组也报道过双核或者多核金属诱导B-H键活化[23m-n]的工作。如Scheme 19所示[23m]，16e化合物{Cp*Ir(S2C2B10H10)}与一价金属化合物[Rh(COD)(μ-OMe)]2在甲苯-甲醇混合溶剂中反应，得到了3种含金属-金属键的双核化合物，其中一个金属诱导毗邻的B(3/6)-H键活化，进而实现其甲氧基化或金属化反应。值得注意的是，在化合物Ⅰ中，Rh…B(3)的距离为0.297 0 nm，并没有发生金属诱导的B(3)-H键活化反应；但是B(3)顶点趋向脱除的可能性变大。这3种产物的差别可能与金属中心价态的变化有关。

图示15 过渡金属铱诱导B(3,6)-H选择性烯基化的反应机理[23a]Scheme 15 Reaction mechanism of transition metal Ir-induced B(3,6)-H selective alkenylation[23a]

图示16 过渡金属钴诱导碳硼烷B(3)-H键降冰片烯基化[23k]Scheme 16 Boron norbornyl carborane moieties via transition metal Co-induced B(3)-H selective activation[23k]

图示17 DFT研究碳硼烷B(3)降冰片烯基化产物的形成机理[23k]Scheme 17 DFT study into the formation of B(3)norbornyl carborane moieties[23k]

图示18 双金属协同诱导B(8)-H活化[23l]Scheme 18 Bimetal induced B(8)-H bond activation[23l]

图示19 金属诱导B(3/6)-H活化[23m]Scheme 19 Metalinduced B(3/6)-H bond activation[23m]

尽管单、多核金属诱导碳硼烷B-H键活化的策略发展比较成熟，但是仍然存在一些局限性，限制了其应用。例如：反应使用当量的过渡金属催化剂，成本高，反应完成后金属很难从产物结构中脱除；功能化基团的种类有限；含M-B键中间体对空气和水十分敏感，很难分离表征。

1.5 导向的金属诱导的B-M键形成

图示20 低价态金属对B(3)-H键的氧化加成[24]Scheme 20 Oxidation-addition of low state metal at B(3)-H bond[24]

早在20世纪70年代，Hawthorne课题组[24a]在碳硼烷单膦配体和低价态[Ir(C8H14)2Cl]2在环己烷的反应中发现了四元环金属产物(Scheme 20a)，这个高张力的四元环非常稳定，截至目前，仍没有后续官能化的报道。作者通过H/D交换实验证明：Ir-H键中的H来自B-H，并非是C-H。那么，B(3/6)位和B (4/5)位哪个更有可能发生活化?理论上，低价金属中心应选择性地亲电加成到B(4/5)位上。但是，该课题组后续的实验[24b]表明B(3/6)位发生活化的可能性最大(Scheme 20b)，他们使用3，6-D2-1，2-C2B10H10进行了氘代对照实验，核磁结果表明产物中存在Ir-D键的信号，更加证明了反应活化的位点为B(3/6)位。

2011年，俄国的Kozhevnikov团队[25]利用三齿碳硼烷2，2′-联吡啶配体(B^N^N)和氯铂酸钾反应得到了2种新型的五元环铂产物(Scheme 21)。由于其刚性的螯合结构，这种产物在77 K低温下的2-甲基四氢呋喃(MTHF)薄膜中发磷光。DFT计算表明这种磷光发射来源于3MLCT激发态。

2014年初，金国新课题组[26a]分别利用邻、间、对位-碳硼烷二羧酸与吡嗪桥连的Cp*Ir化合物在相同的实验条件下发生自组装，得到了基于B-H活化构筑的金属有机大环化合物和离子型的双核铱化合物(Scheme 22)。由于邻、间、对碳硼烷电子云密度分布的差异，导致产物中B-H活化位点也不一样。

2017年，金国新课题组[26b]利用偶氮碳硼烷与当量的[Cp*IrCl2]2在碱性条件下反应得到基于B(3)-H活化的新型五元环铱化合物，其中碳硼烷C-H键并没有受到影响(Scheme 23)。

图示21 刚性的五元环铂产物[25]Scheme 21 Rigid pentacyclo-platinum complex[25]

图示22 基于B-H活化构筑的金属有机化合物[26a]Scheme 22 Construction of organometallic compounds based on the B-H bond activation[26a]

图示23 偶氮导向B(3)-H键金属化[26b]Scheme 23 Azo-directed B(3)-H bond metallization[26b]

2 B-H键选择性活化及官能化

2.1 非导向的金属催化B-H键选择性活化及官能化

1988年，Sneddon[27]直接使用邻-碳硼烷与丙炔(烯基源)在5%(n/n)[Cp*IrCl2]2、质子海绵催化体系的作用下，1，2-二氯乙烷中回流2 d才得到B(3)位烯烃化产物(40%)，其中烯烃为反式构型 (Scheme 24)。这是第一例没有导向基参与的过渡金属催化B-H键活化。

2013年，谢作伟课题组[28]报道了使用N-F吡啶盐作为亲电氟化试剂，与碳硼烷在离子型 Pd(MeCN)4(BF4)2催化作用下，得到了高区域选择性的B(8，9，10，12)-四氟取代的产物(Scheme 25)。

图示25 钯催化的B-H键选择性氟化反应[28]Scheme 25 Palladium catalyzed selective tetra-fluorination of cage B-H bond[28]

图示26 钯催化的B(8/9)-H键芳基化及反应机理[29a]Scheme 26 Palladium catalyzed B(8/9)-H bond arylation and the proposed reaction mechanism[29a]

图示27 钯催化B-H键烯基化及乙酰氧化[29b-c]Scheme 27 Palladium catalyzed selective alkenylation and acetoxylation of cage B-H bond[29b-c]

图示28 通过位阻效应调控B-H键选择性活化[30a]Scheme 28 Site-selectivity of B-H bond activation controlled by the steric effects[30a]

图示29 通过位阻效应调控B-H键选择性硼基化反应[30b]Scheme 29 Site-selectivity of B-H bond borylation controlled by the steric effects[30b]

2015年，曹克课题组[29a]报道了碳端取代碳硼烷和碘苯在10%(n/n)Pd(OAc)2催化下反应，得到B(8)和B(9)芳基化产物混合物(Scheme 26)，同样仍然面临产物混合物难以分离的问题。碳硼烷碳端取代基对产率有一定的影响。作者认为：活性Cb-Pd-OAc中间体(Ⅰ)的生成是Pd催化剂对碳硼烷笼亲电进攻的过程(优先发生在B(9，12)位，其次是B (8，10)位)；随后碘苯对Ⅰ氧化加成形成Pd中间体(Ⅱ)，最后还原消除得到目标产物和I-Pd-OAc(Ⅲ)，此物种是没有活性的，需要当量Ag+盐重新生成活性的Pd催化剂进入催化循环。

此后，该课题组相继报道一些类似的研究成果[29b-c](Scheme 27)。

我们认为上述反应中B-H键活化的位点选择性，是由碳硼烷特殊电子效应决定的。当目标分子碳硼烷母体上没有导向基存在时，B-H键的位点选择性也可以通过位阻效应来调控[30]。如Scheme 28所示，当R1=H时，主要得到了B(3)位芳基化产物(81%)，GC结果显示还有13%B(4)位芳基化产物。当碳硼烷碳端引入位阻较小的甲基(R1=CH3)时，由于受到空间位阻的挤压，反应只选择性地发生在B(4)位，最后得到了单一的B(4)芳基化产物。

2017年4月，谢作伟课题组以一价铱[(COD) IrCl]2作为催化剂，联硼酸频那醇酯(B2Pin2)作为硼源，实现了邻-碳硼烷B(3，6)-H键的双硼基化反应。通过在邻-碳硼烷的碳端引入大位阻硅基来阻断B (3，6，7，11)位的可能反应，进一步实现了高位点选择性的B(4)位硼基化过程[30b]，如Scheme 29所示。

2.2 导向基辅助的过渡金属催化B-H键选择性活化及官能化

在前面几类B-H键活化策略的介绍中，关于邻-碳硼烷B(4，5，7，11)4个位点活化的研究很少有成功的报道。据文献调研，羧基是一个配位能力比较弱的导向基，而且在完成导向作用后可以有效脱除，已经广泛应用于C(sp2/sp3)-H键的选择性活化及官能化[31]，因此羧基导向基备受大家的关注。

2014年，谢作伟课题组[32a]首次将羧基引入邻-碳硼烷作为导向基团，成功地实现了B(4)-H键选择性烯基化反应，如Scheme 30所示。这是碳硼烷B-H键活化研究领域的重要突破。作者认为可能反应机理是：中性催化剂[Cp*IrCl2]2与M(OAc)n通过配体交换得到具有高催化活性的Cp*Ir(OAc)2催化剂；然后与碳硼烷羧酸底物作用形成中间体A，再经过硼氢键选择性活化后形成环金属中间体B，接着炔烃插入Ir-B键得到七元环铱物种C，接下来可以发生如下历程：C经过双质子化后释放活性铱催化剂重新进入下一个催化循环，同时也得到了羧基保留的烯烃化产物D，经过脱羧得到最终产物3；另外，C也可以经由还原消除得到副产物3′。

为了证实这种假设，作者还制备并分离了环金属中间体B(DMSO)，并且进一步通过X-射线单晶衍射确定了它的结构，有力地证明是B(4)-H键发生了活化，其中Ir-B键键长为0.212 9(7)nm。紧接着，作者直接使用B(DMSO)与炔烃在相同的实验条件反应，仍然能够得到相应的产物，由于DMSO配体存在，产率相对有所降低，但足以说明B(DMSO)就是该反应的关键中间体。

由于环金属化合物可以和炔烃、烯烃、卤代苯等底物发生插入、氧化加成、还原消除等过程，从而引入相应的功能基团。随后，该课题组相继报道了碳硼烷B-H键的选择性双烯基化、双芳基化、炔基化及杂芳基化(噻吩环)反应等等[32b-e]，如Scheme 31所示。

2016年，谢作伟课题组发展了用氧气或者空气作为氧源和氧化剂，在[Cp*RhCl2]2的催化下，简单绿色地制备B(4)-羟基化碳硼烷的方法[32f]。该反应操作十分简单，不需要额外的助氧化剂和添加剂。其反应机理如Scheme 32所示：底物1和乙酸钾发生酸碱交换生成相应的羧酸盐1′，进而与铑金属中心配位，形成硼氢键选择性金属化的中间体A。然后，氧插入Rh-B键中形成七元环金属化合物B；再经质子化后生成过氧化物C，同时释放Cp*RhCl2进入催化循环。最后，C分解、脱羧得到目标产物2。18O2同位素标记对照实验的结果揭示了产物中的氧原子来自于氧气。并且MALDI-TOF-MS(基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱)成功检测到了关键中间体B，18O2对照实验也进一步证明了该中间体。为了体现产物的重要性，作者对2进行了一系列后续多样化衍生。如Scheme 33所示：羟基可以很方便地转化成三氟甲磺酸、酯、醚等。

图示30 羧基导向碳硼烷B(4)-H键的选择性烯基化及反应机理[32a]Scheme 30 Carboxyl directed selective alkenylation of cage B(4)-H bond in o-carborane and the proposed reaction mechanism[32a]

图示31 羧基导向碳硼烷B-H键的选择性双烯基化、双芳基化、炔基化[32b-e]Scheme 31 Carboxyl directed selective dialkenylation,diarylation and alkynylation of cage B-H bond in o-carborane[32b-e]

图示32 羧基导向碳硼烷B(4)-H键的选择性羟基化及反应机理[32f]Scheme 32 Carboxyl directed selective hydroxylation of cage B(4)-H bond in o-carborane and the reaction mechanism[32f]

2016年9月，谢作伟课题组[32g]使用O-benzoylhydroxylamines类底物作氮源、Pd(OAc)2作催化剂，实现了碳硼烷B(4)胺基化反应，得到了三级胺化合物(Scheme 34)。产物还可以进一步衍生化，在Pd/C、pH2=101.325 kPa条件下得到4-氨基碳硼烷，该化合物是很重要的中间体，可用于合成B(4)胺基化合物。此外，作者使用磺酰叠氮底物实现了碳硼烷B (4)磺酰胺化反应，并提出反应很可能经历Ru=N中间体。几乎同时，燕红课题组也报道了该反应，与前者不同的是：使用[Cp*IrCl2]2/AgNTf2催化体系，反应效果高，具有广泛的底物普适性和良好的官能团容忍性。除此之外，该课题组还使用芳基叠氮、脂肪性叠氮作氮源，首次在碳硼烷 B(4)位成功引入芳基胺基、烷基胺基功能化基团[33](Scheme 35)。该反应不需要添加额外的氧化剂、配体等，是对合成碳硼烷胺基化合物的重要补充。

图示33 碳硼烷羟基衍生物2的后续官能团化[32f]Scheme 33 Sequential functionalization of compound 2[32f]

图示34 羧基导向碳硼烷B(4)-H键的选择性胺化反应[32g]Scheme 34 Carboxyldirected selective amination of cage B(4)-H bond in o-Carborane[32g]

图示35 羧基导向碳硼烷B(4)-H键的选择性磺酰胺化及芳基、烷基胺化反应[33]Scheme 35 Carboxyl directed selective sulfonamidation,aryl-and alkyl-aminaion of cage B(4)-H bond in o-carborane[33]

2.3 光驱动的B-H键选择性活化及官能化

可见光催化作为有机合成领域备受关注的策略之一，被广泛应用于过渡金属和光催化剂介导的C-C键和C-X键形成。但是在碳硼烷化学领域，可见光催化B-H键直接官能团化的策略运用得非常少。1983年，Jones Jr[34]直接使用碳硼烷和重氮乙酸乙酯作底物、全氟苯作溶剂，在光照的条件下得到了4种不同B-H键插入的产物，这4种产物可以通过GC完全分离开。核磁结果表明产物中仍然存在C-H键的质子信号，基本可以判断B-H键发生了活化(Scheme 36)。这是第一例光驱动的B-H键选择性活化。然而，这类自由基反应具有位点不易控制的缺点，这可能与卡宾的激发态有关。

2016年，谢作伟[35]报道了一例光催化的B-H键直接(杂)芳基化反应(Scheme 37)。使用有机小分子光敏剂eosin Y作为催化剂，重氮盐[3-N2-o-C2B10H10] [BF4]和(杂)芳基芳烃在室温、12 W LED(530 nm)绿光光源的条件下可以直接发生偶联反应。如果不存在光源或光敏剂，反应就不能发生。值得指出的是，该反应不需要金属共催化剂、氧化剂；而且条件温和、操作简便，具有很好的官能团兼容性，这也为B (3)-(杂)芳基化物的合成提供了新思路。反应机理如下：光敏剂eosin Y在绿光的激发下，生成激发态的eosin Y*；化合物[3-N2-o-C2B10H10][BF4]1在eosin Y*作用下发生单电子转移(SET)释放N2后生成碳硼烷硼自由基 A(o-C2B10H11·)；与此同时，杂环芳烃2直接与之加成，生成去芳香化的自由基中间体B；然后，中间体B在自由基阳离子eosin Y·+的氧化作用下(path a)或者直接经历自由基链转移反应(path b)生成中间体C，最后再脱除质子得到目标产物3。另外，往反应体系中加入自由基捕获剂TEMPO时，可以得到碳硼烷硼自由基A与TEMPO的加成产物4，从而表明该反应经由自由基历程。

图示36 Buchner-Curtius反应构建B-C键[34]Scheme 36 Construction of B-C bond via Buchner-Curtius reaction[34]

图示37 光催化下B(3)-H键直接(杂)芳基化的反应[35]Scheme 37 Photocatalysis direct(hetero)arylation of cage B(3)-H bond in o-carborane[35]

3 结论与研究展望

综上所述，B-H键的活化可以通过过渡金属或光催化来实现。B-H键活化的位点选择性可以通过特殊的电子效应、空间位阻、导向基团等策略来调控。其中，近年来发展的过渡金属催化、导向基辅助导向的策略是最具潜力的方法之一，为碳硼烷或其他硼烷硼氢键选择性官能团化提供了重要的借鉴。其核心特点是利用导向基与过渡金属通过环金属化选择性地活化B-H键，从而解决了以往B(4，5)位置的官能化问题。目前已经成功实现了B-X键(C、N、O)的转化，但是，其他类型的硼杂键还尚未开发，因此，仍然有必要设计新的导向基或者合适的底物丰富碳硼烷化学。

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Progress in Selective B-H Bond Functionalization of Carborane

LI Huan-Huan YAN Hong＊LU Chang-Sheng＊
(State Key Laboratory of Coordination Chemistry,Schoolof Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China)

Owing to the useful properties such as three-dimensional geometric structure,enriched boron content, thermal and chemical stabilities,caboranes have been widely applied in the fields of materials,catalysis, medicine,supramolecules,coordination chemistry,etc.Therefore,much attention has been paid to develop efficient and regioselective methodologies for direct cage B-H bond functionalization of carborane.In this review, the reaction categories and mechanisms about diverse cage B-H bond functionalization of carborane have been summarized,which might offer useful references for future research.

caboranes;cage B-H bond functionalization;regioselectivity;transition metal

O613.8+1

A

1001-4861(2017)08-1313-17

10.11862/CJIC.2017.166

2017-03-19。收修改稿日期：2017-05-11。

国家自然科学基金(No.21472086，21531004)和国家重点基础研究发展计划(No.2013CB922101)资助项目。＊

。E-mail：hyan1965@nju.edu.cn，luchsh@nju.edu.cn

图示24 铱催化的B(3)-H键选择性烯基化[27]

Scheme 24 Iridium catalyzed B(3)-H bond selective alkenylation[27]