关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域

最近化院燕红教授课题组在氢键弱相互作用研究中取得重要进展。该研究首次在实验上发现了一种基于B–H键和芳环的B−H···π弱相互作用氢键。研究论文
“B−H···π Interaction: A New Type of Nonclassical Hydrogen Bonding”
最近发表于美国化学会J. Am. Chem. Soc.(DOI:
10.1021/jacs.6b01249),并被JACS选为封面及亮点文章(spotlighted by New
Type of Non-Classical Hydrogen Bonding)。同时被C&EN(titled by Novel
B-H Hydrogen Bond Observed,March 7, 2016),Chemistry World (titled by
New Type of Hydrogen Bond Discovered, March 9, 2016), X-MOL资讯
(《JACS》: 中美科学家国家发现新型氢键, March 17, 2016)
等媒体报道及评论。

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关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。过渡金属催化的不对称反应对于大量合成手性化合物以适应医药界对于手性药物日益增长的需要具有重要意义。近几十年来,出现了大量优秀的不对称反应用于合成手性分子,然而目前尚未有有效的方法应用到笼手性碳硼烷领域。十二顶点碳硼烷是由两个CH和十个BH顶点组成的笼状分子,被视为苯的三维类似物,具有σ芳香性及很好的化学稳定性,在生物医药(硼中子俘获疗法试剂)、有机光电材料、金属有机催化剂等领域有着重要的用途。然而由于不对称合成手段的缺乏,在硼笼上实现手性的研究尚处于简单手性拆分的初级阶段,大大限制了其应用于药物化学、材料化学及不对称催化等“手性”在分子设计中占有重要地位的领域。邻-碳硼烷的CH和BH位点分别位于高度对称的二十面体的十二个顶点,而取代基的引入可以降低分子的对称性,从而在硼笼上引进手性要素。例如,在1-位取代的邻碳硼烷4-或5-位再进行官能团化即可构建手性分子。

关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。非共价弱相互作用氢键X−H···π ( X = C, N, O )
广泛存在于分子间及分子内,并在生命活动及分子自组装过程中扮演了重要的角色。上述常见的X−H···π
氢键中X 的电负性大于
H。但是由于硼的正电性,通常情况下B−H化合物与芳环相互排斥而非相互吸引。然而在二硼烷和碳硼烷化合物中,三中心二电子的成键模式使得B−H键的氢原子显示微弱的正电性。B−H键的极性翻转使得在B2H6···C6H6模型和carborane···C6H6模型中B−H···π氢键可在低温条件下存在。

关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。医药的需求日益增长,对于新药物和新技术的需求也日益增加,手性化合物在药物合成中具有重要意义。过渡金属催化的不对称反应通常用于合成手性化合物。近几十年来,出现了大量优秀的不对称反应用于合成手性分子,然而目前尚未有有效的方法应用到笼手性碳硼烷领域。十二顶点碳硼烷是由两个CH和十个BH顶点组成的笼状分子,被视为苯的三维类似物,具有σ芳香性及很好的化学稳定性,在生物医药、有机光电材料、金属有机催化剂等领域有着重要的用途。然而由于不对称合成手段的缺乏,在硼笼上实现手性的研究尚处于简单手性拆分的初级阶段,大大限制了其应用于药物化学、材料化学及不对称催化等“手性”在分子设计中占有重要地位的领域。邻-碳硼烷的CH和BH位点分别位于高度对称的二十面体的十二个顶点,而取代基的引入可以降低分子的对称性,从而在硼笼上引进手性要素。例如,在1-位取代的邻碳硼烷4-或5-位再进行官能团化即可构建手性分子。

关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。中国科学院上海有机化学研究所沪港化学合成联合实验室谢作伟课题组一直致力于发展过渡金属催化选择性碳硼烷BH位点官能团化方法。在前期发展的钯催化分子内B−H键芳基化工作基础上(J.
Am. Chem. Soc.
2015, 137,
3502),通过手性拆分及衍生化确定了一对邻-碳硼烷分子内4/5-位B−H键选择性芳基化产物的绝对立体构型。并利用手性单膦配体-BI-DIME首次实现了碳硼烷笼手性化合物的高效不对称合成,以最高可达96%
ee的对映选择性高效构建含有新型手性硼笼骨架的分子内B−H键芳基化-环化产物(关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。J.
Am. Chem.
Soc
关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。关于手性硼笼分子的兼顾钻探将开启碳硼烷化学商讨的崭新领域。.2018,DOI:10.1021/jacs.8b01754)。DFT计算表明在手性催化剂金属中心对邻-碳硼烷不对称B−H亲电取代的关键反应步骤中,S-与R-构型过渡态在能量上有2.0
kcal/mol的差值,在机理上进一步验证了催化过程的立体选择性。以此为基础,关于手性硼笼分子的设计研究将开启碳硼烷化学研究的全新领域。该工作被JACS
Spotlights
Direct Chiral-at-Cage Carborane Construction
为题作了亮点介绍。

燕红教授课题组以碳硼烷为载体,利用巯基碳硼烷半夹芯铱金属有机化合物与芳基膦配体的配位作用,通过实验手段在室温下分别在固态及溶液中观测到了B−H···π氢键。通过X-射线单晶衍射技术精确地测定了B−H···π氢键的键长和键角;通过核磁共振在溶液状态下证明了由于B−H···π的成键作用,使得B−H键中氢化学位移向高场发生明显位移(>
1.5 ppm),
并对B核产生了显著影响;并通过量子化学计算揭示了B−H···π氢键的成键本质是静电作用。研究发现该类弱相互作用的强度约相当于0.35个键级,与二聚水分子内的氢键强度相当。这一新型非共价弱相互作用的发现推动了X−H···π氢键和含硼化合物超分子化学的研究,为设计高生物亲和性的含硼药物分子提供了理论指导。

图1.邻-碳硼烷的手性示意图

上述研究工作在谢作伟和副研究员邱早早共同指导下完成,期间得到了研究员唐勇、游书力和汤文军的大力支持和帮助,是沪、港两地科研人员跨领域积极合作的代表性工作。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院-香港裘槎基金会联合项目和国家自然科学基金委-香港研究资助局联合项目的资助。

上述实验工作由本校博士生张晓磊及戴慧敏完成,理论工作由美国Prof.Dieter
Cremer (Southern Methodist University)课题组完成。
该项研究得到了国家自然科学基金委及科技部的资助。

中国科学院上海有机化学研究所沪港化学合成联合实验室谢作伟课题组一直致力于发展过渡金属催化选择性碳硼烷BH位点官能团化方法。在前期发展的钯催化分子内B−H键芳基化工作基础上,通过手性拆分及衍生化确定了一对邻-碳硼烷分子内4/5-位B−H键选择性芳基化产物的绝对立体构型。并利用手性单膦配体-BI-DIME首次实现了碳硼烷笼手性化合物的高效不对称合成,以最高可达96%
ee的对映选择性高效构建含有新型手性硼笼骨架的分子内B−H键芳基化-环化产物。DFT计算表明在手性催化剂金属中心对邻-碳硼烷不对称B−H亲电取代的关键反应步骤中,S-与R-构型过渡态在能量上有2.0
kcal/mol的差值,在机理上进一步验证了催化过程的立体选择性。以此为基础,关于手性硼笼分子的设计研究将开启碳硼烷化学研究的全新领域。该工作被JACS
Spotlights 以Direct Chiral-at-Cage Carborane Construction
为题作了亮点介绍。

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图2.钯催化不对称B-H取代反应合成手性硼笼

图1.邻-碳硼烷的手性示意图

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上述研究工作在谢作伟和副研究员邱早早共同指导下完成,期间得到了研究员唐勇、游书力和汤文军的大力支持和帮助,是沪、港两地科研人员跨领域积极合作的代表性工作。该研究得到了国家自然科学基金委、中科院-香港裘槎基金会联合项目和国家自然科学基金委-香港研究资助局联合项目的资助。

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(化学化工学院 科学技术处)

图2.钯催化不对称B-H取代反应合成手性硼笼