B-烷基-硼杂二环[3.3.1]壬烷试剂促进闭壳层镍催化烷基芳基化反应以制备可编码的环辛烯单体

《ACS Central Science》：B-Alkyl-borabicyclo[3.3.1]nonane Reagents Promote Closed-Shell Nickel-Catalyzed Alkylarylation Toward Encoded Cyclooctene Monomers

本文揭示B-烷基-硼杂二环[3.3.1]壬烷（烷基-9-BBN）是一种独特的转金属试剂，可有效促进1,5-环辛二烯（COD）的镍催化烷基芳基化反应。该反应通过双电子极性机制克服了传统自由基方法的限制，为一步合成多种5,6-烷基芳基化环辛烯（AACOE）单体开辟了新途径。所得单体适用于开环易位聚合（ROMP），可获得性能可调的新型聚合物材料。密度泛函理论（DFT）计算揭示了烷基-9-BBN反应性增强的关键在于其预转金属配合物的去稳定化作用。

　　

背景与目标

为了探索前所未有的聚合物结构并调控其性能，获取新型定制单体至关重要。在先前工作中，研究者开发了1,5-环辛二烯（COD）的迭代选择性二芳基化反应，作为制备多样化环辛烯单体的一个有吸引力的平台。然而，该方法仅限于C(sp²)偶联伙伴。现有的利用C(sp³)片段的双官能化方法依赖于碳自由基的形成，这与COD不兼容。因此，发展一种能够利用C(sp³)耦合伙伴的方法，以获取带有烷基侧链的环辛烯（COE）单体，成为了一个重要的研究目标。

反应优化与关键试剂发现

为了克服上述限制，研究者将目光投向B-烷基-硼杂二环[3.3.1]壬烷（烷基-9-BBN）试剂。通过模型三组分偶联反应（碘苯^1a、COD^2a和烷基硼试剂）的筛选，发现传统的烷基硼酸酯（如烷基-Bnep酯）完全无效，而烷基-9-BBN（如4-苯基丁基-9-BBN ^3a）的引入则立即提高了产率。经过系统优化，最终确定了最佳反应条件：以NiCl₂(glyme)为预催化剂，富马酸二甲酯（DMFU）为配体，NaOMe为碱，在1,4-二噁烷和2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF）的1:1混合溶剂（0.1 M）中于35 °C下反应，可获得76%的产率该反应对搅拌速率敏感，且富马酸酯类配体对于促进从镍(II)中心还原消除并抑制β-氢消除至关重要。值得注意的是，反应需要使用芳基碘化物，而芳基氯化物、溴化物或三氟甲磺酸酯均无法得到目标产物。

底物范围

在优化的反应条件下，研究者考察了该镍催化烷基芳基化反应的底物适用性结果表明，带有供电子基（如^4b和^4c）的芳基碘化物通常比带有吸电子取代基（如^4d、^4e和^4f）的底物产率更高。反应对空间位阻敏感，但1-萘基取代的产物^4g仍能以38%的分离收率获得。该方法能耐受多种官能团，包括胺（吲哚^4h和吗啉⁴ⁱ）、酯基（^4j）、长链烷基（^4m）、全氟烷基链（⁴ⁿ）、硅基、以及各种含胺基团（如Boc-保护的哌啶^4s、甲基磺酰胺^4t、苯胺^4u和邻苯二甲酰亚胺衍生物^4v）。此外，通过使用MeMgBr与MeO-9-BBN的格氏加成反应制备Me-9-BBN(OMe)硼酸盐试剂，成功合成了苯基-甲基取代的COE^4x。该反应可放大至2.0 mmol规模，为后续聚合研究提供了充足的单体原料。

反应机理探究

为了深入理解镍催化COD烷基芳基化的反应机理以及烷基-9-BBN在促进三组分偶联中的独特作用，研究者进行了密度泛函理论（DFT）计算计算揭示了反应经历氧化加成、COD迁移插入Ni-Ph键形成烷基镍(II)碘化物（⁶）、配体交换形成预转金属配合物（^8a）、经由四元环过渡态（^TS1a）进行转金属、以及最终在DMFU配体促进下发生C(sp³)-C(sp³)还原消除的催化循环。关键发现是，与烷基硼酸酯（如ⁿBu-Bnep）形成的稳定双齿配位预转金属配合物^8b相比，烷基-9-BBN形成的预转金属配合物^8a因9-BBN上的C-H键与镍中心存在弱Agostic相互作用而稳定性较低（去稳定化）。这种基态去稳定化效应使得烷基-9-BBN的转金属能垒（8.4 kcal/mol）远低于烷基-Bnep（19.4 kcal/mol），从而解释了其优异的反应性。该发现不仅归因于烷基-9-BBN的高路易斯酸性，其预转金属配合物的去稳定化也对促进转金属速率有重要贡献。

聚合与材料性能表征

获得多种AACOE单体后，研究者评估了它们在开环易位聚合（ROMP）中的应用潜力，并对所得聚合物进行了表征。选取了基于取代基大小（长链烷基^4a、甲基^4x和Boc-哌啶基^4s′）、路易斯碱性基团（吗啉基⁴ⁱ）和氟亲和性（氟化^4n′）的五种AACOE单体进行聚合研究，并以二苯基单体^5a作为参照所有AACOE单体在标准条件下均能以高转化率（>96%）聚合，数均分子量（M_n）在20至46 kg/mol之间，分子量分布（?）在1.5至2.2之间。动力学研究表明，聚合速率通常与烷基取代基的大小相关，空间位阻较小的甲基取代单体^4x聚合最快。DFT构象分析表明，在催化活性的船椅式构象（^a）中，烷基取代基处于拟轴向位置，引入了环内的跨环张力，这影响了活性与非活性单体构象的平衡，从而解释了不同取代基对聚合速率的影响。

聚合物的热性能很大程度上取决于烷基取代基的性质。玻璃化转变温度（T_g）范围从长链烷基聚合物^P4a的-2 °C到Boc-哌啶聚合物^P4s′的61 °C。通过氢化将^P4x转化为^P4x-H₂，可显著提高热稳定性，降解起始温度（5%质量损失）从232 °C提升至399 °C。接触角测量进一步证明了材料性能的可调性：全氟化聚合物^P4n′的疏水性最强（接触角106.7°），而含哌啶的聚合物^P4s′疏水性最弱（接触角75.6°）。对^P4s′进行Boc脱保护得到^P4s′-TFA后，亲水性进一步增强，接触角降至63.9°。

结论

本研究证实了烷基-9-BBN试剂可作为有效的亲核试剂，促进1,5-环辛二烯的闭壳层镍催化烷基芳基化反应。该方法官能团耐受性广，可制备多种AACOE单体。这些单体通过ROMP可生成性能可调的新型聚合物材料。DFT计算阐明了烷基-9-BBN优于烷基硼酸酯的机理根源在于其预转金属配合物的去稳定化。这些发现为烷基-9-BBN亲核试剂在三组分偶联反应中的广泛应用提供了新见解。