端炔的硼化-迁移加成-氧化和硼化-氧化

杨占会，陈洋

北京化工大学化学学院有机化学系，北京 100029

硼氢化-氧化是一个非常经典的有机反应，具有很高的合成应用价值，在很多年前就被写入基础有机化学教材中。端烯和端炔可与硼烷发生连续三次顺式、反马氏加成，分别得到三烷基硼烷和三烯基硼烷，随后再用碱性过氧化氢氧化，得到相应的伯醇或醛(图1a，1b)。端烯和端炔的硼氢化-氧化是国内外教材的重点讲授内容[1,2]。本文在上述知识的基础上，介绍端炔的两类新型反应——硼化-迁移加成-氧化和硼化-氧化[3]，希望能够对学生学习起到发散性的启发作用，为有机化学教学提供参考和借鉴。

硼化-迁移加成-氧化[3]的反应过程如图1c所示。端炔在强碱存在下，生成炔负离子，再与三烷基硼烷发生硼化反应，得到炔基硼负离子；得益于硼负离子的推电子作用(超共轭效应)，炔基的另一端(β-位)具有较强的亲核性，易与亲电试剂发生加成反应；同时，硼原子上的烷基R2发生1,2-迁移，加成到炔基的α位，得到烯基硼化物；最后用氧化剂处理，得到酮。端炔的硼化-氧化如图1d所示，炔基负离子与硼酸酯发生亲核取代反应，得到炔基硼酸酯；在亲核试剂存在下发生氧化反应，生成羧酸或其衍生物。上述两类反应可通过一锅法的形式进行。需要注意的是，与炔基三烷基硼负离子不同，烷基硼、烯基硼和炔基硼中的亲核位点是α-位(图1)。

图1 端烯和端炔的硼氢化-氧化(a，b)，端炔的硼化-迁移加成-氧化(c)和硼化-氧化(d)

图2给出了端炔1的四种硼化-迁移加成-氧化反应，产物为酮和酯；这些反应均可使用一锅法操作。Brown课题组[4]以盐酸为亲电试剂，成功将端炔转化为α-单取代酮2。在Pelter课题组[5–7]的报道中，炔基硼负离子对卤代烃、硫酸酯、磺酸酯、三烷基氟硼酸氧鎓盐等亲电试剂进行亲核取代，生成的烯基硼烷中间体经氧化，得到α-双取代酮3。在Utimoto课题组[8]的报道中，环氧乙烷为亲电试剂，反应经历了炔基硼负离子对环氧的亲核开环，最终氧化产物为γ-羟基酮4。

图2 端炔的三种类型硼化-迁移加成-氧化反应

2019年，Ohtawa等[9]在天然产物(−)-bilobalide的全合成中创造性地发展了端炔的硼化-氧化反应，将其用于酯的合成(图3)。他们以硼酸三甲酯替代前人常用的三烷基硼烷，在硼化反应结束后，直接向反应体系中加入过量间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)，一并进行质子化和氧化，最终得到分子内酯化产物8。在生成酯的反应中，Ohtawa和Shenvi没有进行详细的机理研究。他们推测，端炔醇5同时发生O-和C-硼化，随后被m-CPBA氧化，产生中间体烯酮6或酸酐7；硼酸酯部分经氯化铵水溶液处理后，释放出的醇羟基与酸酐或烯酮部分反应，得到酯8[9]。

图3 Ohtawa和Shenvi等报道的硼化-氧化反应和推测的烯酮或酸酐中间体

2020年，赵万祥教授等利用端炔的硼化-氧化策略开发出了一类高效合成羧酸、酯和酰胺的方法，并对反应机理进行了研究(图4)[10]。以硼酸异丙基频哪酯(i-PrOBpin)为硼化试剂，与炔基负离子反应，得到炔基硼酸频哪酯(9)[11,12]；随后以Oxone (2KHSO5·KHSO4·K2SO4)为氧化剂，在不同的条件下，分别与水、醇和二级胺反应，生成相应的羧酸10、酯11和酰胺12。pH对反应能否发生起着重要作用。例如，在丙酮/水条件下，当pH为1.0时，无羧酸产物10生成，因为中间体9发生了脱硼质子化，生成了原料端炔；当pH为7.3时，可高产率生成羧酸10。此外，硼酸三甲酯(B(OMe)3)、硼酸三乙酯(B(OEt)3)和硼酸三丁酯(B(OBu)3)也可作为硼化试剂，但活性较i-PrOBpin弱些。以碱性过氧化氢(H2O2/NaOH)为氧化剂，该反应不能发生；m-CPBA可作为高效氧化剂。反应机理涉及对炔基硼酸酯9的氧化和炔基的1,2-迁移。中间体炔基硼酸频哪酯14经水解，得到炔醇15，随后异构化为烯酮16。烯酮作为高活性中间体，可与一系列的亲核试剂发生加成反应，得到羧酸及其衍生物。

图4 赵万祥等报道的硼化-氧化反应及机理

本文介绍的端炔硼化-迁移加成-氧化反应和硼化-氧化反应，涉及到炔氢的酸性、硼化物的缺电子性、炔烃的亲电加成、卤代烃的亲核取代、环氧乙烷的亲核开环、烃基的 1,2-迁移、硼烷的氧化等内容，与基础有机化学知识结合密切，又有一定程度的拔高。硼氢化-氧化、硼化-迁移加成-氧化和硼化-氧化三种策略，可将端炔转化为醛、酮、羧酸、酯和酰胺，构成了较为完整的知识链。同时讲授这三类反应，可丰富学生的知识积累，提高学生的认知能力。