惰性CH键的功能化已作为一种快速精制丰富的化学原料以获得高价值材料的方法而引起了广泛关注。CH硼化是一种通用的官能化反应，可产生有机硼烷产物，该产物是有机合成中广泛应用的中间体。自成立以来，特别是芳烃硼化已得到了广泛的开发和研究，从而产生了范围广泛的可访问且广泛适用的方法。不幸的是，脂肪族底物的类似铱催化的sp3硼酸酯化仍然受到苛刻的反应条件，在纯净底物中催化的要求以及二硼试剂的不完全转化的限制。在现有的烷烃硼化体系的局限性中，从可用性的角度来看，在纯净底物中催化的要求是最受限制的。有几种报道的铱催化的sp3硼化系统可以在较小过量的烷烃（约5当量）或限制性烷烃上运行，但每种情况都依赖于活化的烷烃底物（包括苄基或环丙烷）的反应性的提高。包括苄基或环丙烷衍生物、烷基硅烷或带有导向基团的底物。当在溶剂中使用少量过量时，未活化的底物以降低的产率进行硼化。例如，当使用纯正辛烷作为底物时，四甲基菲咯啉（Me4phen）/Ir硼化体系每当量B2pin2产生约1当量的产物，但当使用4当量正辛烷（相对于环辛烷中的B2pin2）作为溶剂进行反应时，该产率降至17%（图1）。

Figure 1. Previously reported conditionsfor iridium-catalyzed alkane borylation using Me4Phen with yields reported on adiboron basis.

前一个例子说明了大多数铱催化剂用于sp3硼化反应。二硼源B2pin2包含2当量的频哪醇硼烷基部分，但大多数铱催化的实例中，每个二硼单元仅掺入1当量的硼。该观察结果导致了一个公认的惯例，即相对于B2pin2报道了产率，当烷烃硼化中也消耗了HBpin副产物时，偶尔导致报道的产率超过100％。该限制并不扩展到用于烷烃硼化的铑体系，其中一些体系可以利用HBpin作为硼源。HBpin相对于B2pin2的反应性降低归因于两种试剂提供的焓驱动力的差异，但铑催化剂的成功表明铱系的主要限制是动力学性质的，说明合适的铱催化剂应能充分消耗硼化剂。考虑到现有系统的局限性，范德堡大学化学系，Nathan D. Schley课题组进行了使用二吡啶基芳基甲烷配体L2-L6进行烷烃硼化的研究（图2）。母体二吡啶基苯基甲烷（L2）的衍生物已作为辅助配体在其他应用中进行了研究，但以前并未在催化中使用。联吡啶基甲烷部分保留了典型dtbpy或Me4Phen配体的二亚胺主链，同时也允许加入从N-M-N平面伸出的取代基。作者的目的是，这个配体框架可能在环金属化时结合在一个面k-3模式中，这是钯和镍配合物中观察到的一种配位模式。这种面部结合模式（图3）将产生类似于Cp *配体的五电子净供体，在烷烃硼化的早期实例中被广泛使用。面部协调还可以通过在环金属化环上进行取代来调节空间和电子参数。DOI：10.1021/jacs.0c00524

Figure 2. Comparison of ligands forn-octane borylation. ^aNMR yield reported relative to the number ofmolar equivalents of B2pin2.

Figure 3. Illustration of a possible κ3 bindingmode for ligands L2−L5 and its analogy to Cp*ligands used in previous examples.

作者报道了对二吡啶基甲烷配体的探索，得到了一种高活性的烷烃硼化催化剂，它既提高了硼试剂的催化性能，又提高了硼试剂的转化率。这些改进允许在非纯条件下进行催化并改进官能团相容性。调查了配体L1-L6与正催化剂[Ir（cod）OMe] 2组合时正辛烷的硼酸酯化作用（图2）。L1仅产生痕量的辛基-Bpin。相对于亲本支架L1，L2的结果有所改善，但仍不如Me4Phen。由于次甲基位置的氟化而不同的L3与L1同样具有低收率。由于L2和L3的性能较差，我们很高兴地发现，氟化芳烃衍生物L4和L5相对于L1的收率得到了显着提高。邻二氟衍生物L6不能环金属化以产生图3所示的κ3模式，与之相比，收率很低。间氟取代的L4表现出显着的功效，几乎定量消耗了B2pin2的两个硼烷当量。按照惯例，其中产品的产量是基于1当量的B2pin2计算的，L4促进了180％的产量，反映了副产物HBpin的大量消耗。相对于已建立的配体Me4Phen，L4在类似条件和已报道的Me4phen优化条件下均显示出收率的大幅提高。因此，相对于烷烃CH硼酸酯化的已建立配体，L4代表了显着的改善。使用L4和正辛烷进行烷烃硼化反应的优化。在对照实验中，省去了前催化剂或配体，没有产物形成。尽管Cp * Rh配合物是出色的烷烃硼化催化剂，但[Rh（cod）OMe] 2 / L4并不是活性催化剂体系（表1，条目2）。使用[（Mes）Ir-（Bpin）3]作为催化剂前体，在催化剂负载量仅为1 mol%（表1，条目8）的情况下产生了定量产率。利用[（Mes）Ir（Bpin）3]，发现在120℃的反应温度下反应24小时可获得最大产率。

Table 1. Optimization of Catalytic C−H Borylation under Neat Conditions

在表1中优化的条件下，使用图4所示的底物探索了反应范围。对于几种底物，将[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4系统的结果与使用[（Mes） ）Ir-（Bpin）3] / Me4Phen在我们优化的条件下。在可用的地方，指出了使用替代反应条件的[（Mes）Ir（Bpin）3] / Me4Phen的产率。在所有情况下，我们发现与Me4Phen相比，L4的产品形成显着增加。该催化体系与醚，叔胺和酯兼容。丁基乙基醚显示出良好的β选择性，而环戊基甲基醚和己酸甲酯在甲基上进行选择性硼化。对CH键至Lewis碱键的选择性归因于先前的铱系统中的导向作用。重要的是，发现各种底物以B2Pin2为基础进行催化的sp3硼化，其收率超过100％。用这种催化剂使用纯净的底物可获得高收率，这表明它可以在降低的底物浓度下在溶剂中催化。溶剂中的硼化对于芳烃硼化是很常见的，但在sp3硼化的例子中仍然很少。几乎以前所有简单的烷烃和醚底物的sp3硼化的实例都是在纯净的底物中进行的，以获得合理的有机硼烷收率。以前在溶剂中未活化底物上进行此反应的尝试通常会导致所需有机硼烷的低产率或反应溶剂的广泛硼化。

Figure 4. Substrate scope for catalyticborylation under neat conditions. aReported GC yield with 1b, 2,c or 4%d[(Mes)Ir(Bpin)3].5eReported GC yield with [Ir(cod)OMe]2 (10% Ir) at 120 °C. fGCyields using Me4Phen under our conditions.

考虑到[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4对仲或支链烷烃的不良催化性能（图4，右），检查了潜在溶剂的选择（表S1），并得出了使用的最佳条件 在图5中。作者发现[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4系统能够在环己烷中生产可烷烃的硼化反应，而竞争性的溶剂化硼化作用可忽略不计。虽然在单当量底物的情况下反应进行至22％的收率，但高收率需要5当量的底物，与纯底物的典型要求相比有实质性的改进。

Figure 5. Substrate scope for catalytic C−H borylation conducted in cyclohexane solvent. aIsolated asoctyl-Bpin.

环己烷溶剂中sp3硼化反应底物的研究揭示了几个有趣的特征。所有在纯净条件下成功的底物在溶剂中都能很好地转化为我们的条件，尽管这意味着底物浓度下降了约15倍。此外，纯净条件下，没有进行催化硼化的内酯和酰胺底物可以在环己烷中有效地进行硼化。内酯底物是在α-支化甲基上而不是在受阻较少的正丁基上进行硼化，我们怀疑这是与之前观察到的其他Lewis碱性底物类似的导向作用的结果。这些相对极性底物的成功突出了寻找能够在溶剂中进行烷烃硼化反应的催化剂的重要性，因为这样的系统可以使C-H硼化反应实际应用于不适合纯净条件的底物。

在最优化的溶剂条件下，与纯条件相比，更少的底物的收率超过100％。目前尚不清楚[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4催化剂体系的哪些特征相对于（Me4phen）/ Ir体系增加了HBpin的消耗。当在纯净条件下单独使用HBpin作为硼源时，观察到适度的有机硼烷收率（表1，条目11）。当将B2pin2用作硼源时，该结果低于基于HBpin消耗的预期结果。但是，在与B2Pin2反应1小时后添加HBPin时，观察到大量HBpin转化，提示B2pin2和HBpin在催化剂活化中的作用不同（表1，条目12）。来自11B NMR研究的净硼酸酯化反应的结果（图6）与在催化初始阶段HBpin的大量积累是一致的。在更长的反应时间下，很明显将HBpin掺入产品中，这证明HBpin仍然是烷烃硼化的有效硼源。在Cp * Rh系统中，观察到了B2pin2和HBpin之间反应速率的相似差异。

Figure 6. B2pin2 and HBpin consumption asdetermined by 11B NMR spectroscopy

与以往的铱催化剂相比，[（Mes）Ir（Bpin）3]/L4体系在烷烃硼化反应中的性能提高可能是由于原位生成的铱物种的结构所致。在23℃下，[（Mes）Ir（Bpin）3]与L4的反应中观察到一个主要的19F nmr物种，并在催化条件下演化为几个物种。虽然还没有成功地获得解释L4在催化条件下结合模式的结构数据，但作为取代苯基的函数，反应活性的显著变化表明，在催化循环的关键步骤中，芳基并没有远离金属中心。推测芳基环金属化引起的k-3结合模式的作用是很有诱惑力的，特别是考虑到L6的性能较差, 尤其是考虑到L6的性能较差，但配体的sp2硼化可能会在金属中心附近安装一个频哪醇硼烷基团。Hartwig小组先前提出了在烷烃硼化反应中金属硼基和底物之间的二级配位球相互作用的作用。

不管L4以何种方式实现增强的烷烃硼酸酯化催化，很明显，与以前报道的铱催化剂相比，所得的[（Mes）Ir（Bpin）3] / L4催化剂体系具有主要优势。对于许多在纯净条件下的实例，B2pin2试剂及其副产物HBpin均被消耗，从而生成硼化产物。由于B2pin2通常是此类条件下的限制试剂，[（Mes）Ir（Bpin）3]/L4体系在产品产率和昂贵硼源的有效利用方面具有优势。此外，该催化剂允许在烃类溶剂中少量过量底物的硼化，而无需导向基团策略。这方面的关键进展是双吡啶基甲烷配体的应用。研究发现，母体配体的取代使催化剂的催化效率发生了深刻的变化，这表明双吡啶基甲烷配体有望为烷烃羰基化催化提供一种新的且高度可调的配体支架。作者正在进行的工作旨在了解二吡啶基芳基甲烷配体在硼酸化催化中的结合方式，以期开发出活性越来越高的催化剂。

DOI：10.1021/jacs.0c00524