导语
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有机硼化合物由于其性质稳定，易于转化为各种官能团，已经成为有机合成中的重要中间体。烯烃的硼氢化反应是合成有机硼化合物的重要方法，然而末端烯烃的不对称硼氢化反应因复杂的区域选择性和立体选择性，面临一定的挑战。近年来，许多过渡金属配合物(Rh, Cu, Fe, Co等)被用于催化硼氢化反应(图1)，其中钴配合物被广泛报道用于烯烃、炔烃、醛和酮的硼氢化反应。为了合成手性有机硼化合物，上海有机所黄正课题组和浙江大学陆展课题组独立报道了Co-IPO配合物(IPO=噁唑啉亚胺吡啶配体)催化1,1-二取代芳基烯烃的不对称硼氢化反应，此反应生成反马氏的S构型的产物，并具有高产率和高选择性(J. Am. Chem. Soc. 2014, 136: 15501–15504; Org. Chem. Front. 2014, 1: 1306–1309)。然而， Co-IPO配合物催化的硼氢化反应还没有详细的理论研究，其区域选择性和立体选择性尚未阐明。近期，为了揭示Co-IPO配合物催化硼氢化反应的区域和立体选择性的来源，北京化工大学计算化学研究所雷鸣课题组采用密度泛函理论(DFT)方法研究了Co-IPO配合物催化芳基末端烯烃硼氢化反应的反应机理，揭示了IPO配体对反应选择性的影响，并通过配体调变设计出一种催化剂可用于生成马氏产物。相关成果发表在Org. Lett.上 (DOI: 10.1021/acs.orglett.5c00809)。
图1. 过渡金属催化末端烯烃对映选择性硼氢化反应的实验研究。（来源：Org. Lett.）
前沿科研成果
作者首先研究了催化活性物种的形成。如图2(a)所示，催化剂A1与HBpin发生反应生成Co-H或Co-Bpin物种。计算结果表明，相比于Co-Bpin物种，Co-H物种(A4)更容易生成，生成A4的反应能垒为14.0 kcal/mol。因此，该研究提出A4为反应的催化活性物种。图2(b)和2(c)展示了反应中烯烃的四种可能插入模式，对应A-D四条反应路径。路径A和路径B采用反马式硼氢化过程，其中烯烃的re面和si面分别与A4的Co金属中心配位，形成S和R构型产物(2a和3a)；路径C和路径D采用马式硼氢化过程形成同一非手性产物(4a)。研究指出整个反应催化循环主要包含三个步骤：烯烃插入、σ键复分解以及产物的释放。计算结果表明，在烯烃插入步骤中，马式硼氢化路径C和D的烯烃插入过程比反马式路径A和B更为容易。从计算得到四条路径的反应能垒看，烯烃插入过程在路径C和D中为可逆过程，而在路径A和B中可逆过程较难发生。在随后的σ键复分解步骤中，由于配体空间位阻效应，路径C和D具有较高的反应能垒，而路径A和B中较易发生。总之，该反应中路径C和D的计算得到的反应能量跨度分别为32.5 (A6→TSC7-8)和30.4 kcal/mol (A6→TSD7-8)，在温和条件下较难发生。路径A比路径B更优势，烯烃插入步骤为整个反应的手性决速步骤，沿路径A生成的反马氏S构型产物为主要产物，这与实验结果一致。
图2. (a)活性催化物种的生成A4 vs A4-Bpin；Co-IPO配合物催化的(b)反马式以及(c)马氏硼氢化反应的自由能面图。（来源：Org. Lett.）
作者进一步对烯烃插入过程的过渡态TSX5-6 (X=A-D)进行了能量分解分析。结果表明，如图3所示，TSC5-6具有最小的底物变形能ΔEdef(sub)使其最为稳定。同时TSC5-6中底物C1-C2-C3-C4的二面角(160.2°)大于在其他三个过渡态中观察到的二面角，这也证明了ΔEdef(sub)对过渡态的能量有显著影响。在手性决定步骤过渡态TSA5-6和TSB5-6中可以观察到烯烃底物的甲基和亚胺配体上的苄基的空间位阻，TSA5-6具有更小的底物与催化剂变形能，这也解释了路径A的烯烃插入过程相比于路径B更为优势。此外，通过埋藏体积百分比的计算可以得到路径C的σ键复分解过渡态TSC7-8(%VBur=90.2)具有较大的空间位阻。
图3. TSA5-6、TSB5-6、TSC5-6和TSD5-6的能量分解分析。（来源：Org. Lett.）
值得注意的是，由于IPO配体的大空间位阻，阻碍了其在路径C的反应。因此，作者将IPO配体的-NPhiPr2调变为-NCH3，以减小配体的空间位阻。计算结果表明，设计的催化剂在催化烯烃不对称硼氢化反应中生成马氏产物变为了优势反应路径(图4)。
图4. 配合物E1催化的马氏硼氢化反应的自由能面图。（来源：Org. Lett.）
综上所述，该文采用DFT方法研究了Co-IPO配合物催化芳基端烯硼氢化反应的机理，揭示了其区域和立体选择性的来源，计算结果表明，该反应的烯烃插入及σ键复分解过程共同决定了反应的选择性，烯烃插入步骤为手性决定步骤， IPO配体的大空间位阻取代基在决定反应的区域和立体选择性起了非常重要的作用。通过对该Co催化剂配体的分子修饰，生成马式产物的反应路径可以变为优势反应路径。该理论研究为揭示廉价Co过渡金属配合物催化烯烃硼氢化反应的分子机制提供了重要的理论参考。该文的第一作者为计算化学所2022级博士研究生史晓帆，此工作获得了国家自然科学基金面上基金项目和北京市自然科学基金项目的支持。