港科大孙建伟组JACS：不对称有机催化在碳硼烷化学中的首次应用- 大数跨境

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2025-01-21

导读：香港科技大学孙建伟教授课题组首次实现了手性碳硼烷胺衍生物的合成。该工作创新性地将不对称有机催化的策略应用到碳硼烷化学领域。

胺衍生物在生物学中普遍存在，并且非常广泛存在于药物化学中的重要功能单元中。一般通过氨或胺的烷基化，腈、叠氮化物或亚胺的还原，以及氢胺化烯烃或炔烃来合成。另一方面，人们的兴趣也逐渐转移到带有有机氮基团的碳硼烷衍生物的合成。例如，碳硼烷-氨基酸或-核苷组合是硼中子捕获疗法（BNCT）中癌症治疗的优秀候选者。此外，碳硼烷的胺类以及其他衍生物也被用作过渡金属配合物的配体和功能分子的组装单元，使其在催化和功能性材料领域得到了广泛的应用。但由于碳硼烷簇合物具有独特的三维σ芳香性和特殊的电子诱导效应（碳端取代-吸电子、硼端取代-推电子），这在为其带来广泛应用的同时也在功能化方面造成了很大的麻烦。因此，尽管碳硼烷的功能化近年来取得了一些进展，但仍然存在很多问题难以解决，如碳硼烷衍生物的不对称合成；如何实现1-氨基-邻碳硼烷（1-NH₂-o-C₂B₁₀H₁₁）的直接烷基化。

图1. 邻碳硼烷胺衍生物简介

近期，香港科技大学孙建伟教授课题组首次实现了手性碳硼烷胺衍生物的合成（图1C）。该工作创新性地将不对称有机催化的策略应用到碳硼烷化学领域。通过手性磷酸作为催化剂，在原位生成高活性的邻亚甲基苯醌（o-QMs），从而实现了1-氨基-邻碳硼烷（1-NH₂-o-C₂B₁₀H₁₁）的直接烷基化，克服了其因极低亲核性而难以烷基化的问题（图2）。值得一提的是本课题组设计合成的新型骨架磷酸催化剂C1在这里表现最优。该反应的最优条件是DCM作为溶剂，10%催化剂用量，室温搅拌36 h，可以以92%的产率和95%的ee 值获得产物。

图2. 条件优化

在最优条件下，作者进一步研究了这种手性磷酸催化的碳硼烷胺直接烷基化反应的普适性（图3）。一系列不同取代的QM前体顺利反应，并且还能适应稠环和间位QM。

图3. 底物（QM）适用范围

此外，经过不断探索，作者发现Nap-QM前体也可以适用于该C-N键的构筑（图4）。底物适应范围更加广泛，如可兼容杂环。

图4. 底物（Nap-QM）适用范围

令人高兴地是，该策略还适用于碳硼烷硫酚的不对称烷基化，首次实现了手性含硫碳硼烷衍生物的合成。这再次证明了有机催化策略对手性碳硼烷化学的应用。

图5. 碳硼烷硫酚底物拓展

产物转化表明该碳硼烷胺衍生物具有进一步可修饰的空间，这为构筑新型基于碳硼烷的手性药物分子，催化剂或功能性材料提供了新的机遇。

图6. 产物转化

机理实验表明该反应经历QM中间体过程。QM中间体的生成是该反应的决速步，接着是亲核底物的进攻；手性磷酸在这里有着双功能作用，同时活化两个底物。DFT研究发现B-H和H-C之间的双氢键作用（H^δ−···H^δ+）对手性控制起到非常重要的作用。

图7. 机理研究

总结

该工作首次实现了手性碳硼烷胺衍生物的合成，克服了1-氨基-邻碳硼烷（1-NH₂-o-C₂B₁₀H₁₁）因极低亲核性而难以烷基化的问题。该方法不仅具有条件温和，底物范围广，产率高和对映选择性优异的优点，还能够非常专一地产生二级胺产物。值得一提的是，该方法也同样适用于碳硼烷硫酚的不对称烷基化。该研究很好地体现了不对称有机催化与无机硼簇化学的结合，为碳硼烷的功能化和手性化学开辟了新的途径。

相关研究成果近期发表在Journal of the American Chemical Society，香港科技大学孙建伟教授和张超深博士为该论文通讯作者，论文的第一作者为博士后徐红磊。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Organocatalytic Asymmetric Synthesis of o-Carboranyl Amines

Hong-Lei Xu, Minghui Zhu, Herman H. Y. Sung, Ian D. Williams, Zhenyang Lin, Chaoshen Zhang*, Jianwei Sun*

J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c16062

导师介绍

孙建伟

https://www.x-mol.com/university/faculty/7073

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