在众多的有机硼化合物中，烯基硼酯是一类具有独特结构的有机合成子，拥有碳碳双键和硼酯两个官能团，从而使得这一类化合物可以发生Suzuki 偶联、Zweifel 反应、烯烃的氢官能团化、双官能团化、环加成等多种转化反应，常用于复杂分子和天然产物的有机合成。因此，发展烯基硼酯的高效合成方法以及设计合成高活性的相应催化剂具有十分重要的意义。近期，北京大学王剑波课题组与计算化学研究所雷鸣课题组合作报道了一种从简单易得的原料出发，新型高效的选择性合成烯基硼酯的方法，并通过理论计算对反应机理进行了研究，指出β-氢化物消除过程中Pd -H基团与C=C双键基团的轨道相互作用是产生立体选择性的原因。相关成果以全文发表在J. Am. Chem. Soc.上(https://doi.org/10.1021/jacs.1c02331)。北大王剑波课题组负责实验工作，我所雷鸣课题组负责理论研究工作。
如图1A所示，我们利用钯催化简单易得的对甲苯磺酰腙与联硼化合物的氧化偶联反应来合成烯基硼酯。反应具有温和的反应条件、较广的底物普适性和较好的官能团兼容性。如图1B所示，整个催化循环由六个基元步骤组成，分别是：卡宾形成、硼基迁移插入、β-H消除、还原消除和氧化加成反应步骤。
图1.（A）钯催化对甲苯磺酰腙的氧化硼化反应，（B）钯催化对甲苯磺酰腙的氧化硼化反应的机理。
与实验相结合，采用DFT方法，我们探究了整个催化反应的机理（见图2）。计算结果表明整个催化循环的决速步是转金属化步骤，其能垒为24.25 kcal/mol。此外，Bpin的迁移插入步骤的能垒仅为0.09 kcal/mol，表明钯卡宾物种很容易发生，与之前钯催化卡宾偶联反应的计算研究结果相一致。
图2. 催化活性中心B1催化N-磺基腙氧化硼化反应的自由能面图。所有的能量都相对于B1(单位:kcal/mol)。
实验表明，在钯配合物催化的N-磺酰腙氧化硼化反应中，主要产物为三取代烯基硼酸酯E型异构体。为了揭示该反应立体选择性的本质特征，我们以图3A的反应作为计算反应模型，对选择性决定步骤即β-H消除步骤进行了研究。如图3B所示，从C4到C5，可以生成两种不同构型的产物，计算结果表明生成E构型和Z构型产物的能垒分别为1.76和4.85 kcal/mol，解释了在实验中观察到的立体选择性。
图3.（A）钯催化的三取代烯基硼酸盐的合成反应，（B）钯催化β-H消除步骤的自由能面图。路径E和路径Z分别表示最终产物为E异构体(蓝色)和Z异构体(黑色)。(单位:kcal/mol)。
为了进一步揭示立体选择性的来源，作者进行了能量分解DIA分析和NBO分析，如图4所示，DIA分析表明，两个构型选择性决定过渡态的能量差异主要是由轨道的相互作用引起的，NBO分析进一步证实该相互作用主要是Pd-H基团和C=C基团之间的相互作用。
图4. (A) TSC4-5E和TSC4-5Z的DIA分析；(B) TSC4-5E和TSC4-5Z中电子给体和受体分子轨道重叠NBO视图
综上所述，该文发展了一种高效的钯催化钯催化N-磺酰腙氧化硼化合成烯基硼酸盐的方法，底物适用范围广，原料丰富、简单易得，选择性高，这一研究为烯基硼酯的合成带来了新的机遇。该文的第一作者为北京大学博士生平一凡同学，第二作者为我所2019级硕士研究生王锐同学和2017级硕士研究生王骞阅同学。此工作获得了国家自然科学基金面上基金项目的支持。