C–H 键硼化反应是构建有机硼化合物的重要方法，而有机硼化合物在有机合成、药物化学以及功能材料领域具有广泛应用价值。相比传统官能团转化策略，过渡金属催化的 C–H 硼化反应具有原子经济性高、步骤简洁等优势，因此成为近年来 C–H 活化研究的热点。

然而，对于单取代芳烃而言，其不同位置的 C–H 键在键能和电子性质上差异较小，使得区域选择性控制成为该类反应的核心挑战。近期实验研究发现，在 Ir 催化芳香酯 C–H 硼化反应中，只需改变 N,B 型配体的用量，即可实现 ortho 与 meta 产物之间的选择性切换。这一现象极具启发意义，但其选择性来源与反应机理尚不清楚。

为了解释这一现象，本文通过密度泛函理论（DFT）计算系统研究了该反应的机理及区域选择性来源。

研究背景

在经典的 Ir 催化 C–H 硼化体系中，常见活性物种通常为 (N,N)IrIII(Bpin)3 等五配位结构，其通常只产生 meta/para 硼化产物，而难以得到 ortho 产物，原因在于邻位存在较大的空间排斥。

若反应体系中存在 可配位的导向基团，则可能形成具有两个空位的 四配位 Ir 物种，底物通过配位作用靠近金属中心，从而实现 邻位选择性 C–H 活化。

2023 年的实验研究进一步发现：

• 配体用量较少：主要生成 ortho 硼化产物
• 配体用量较多：反应转变为 meta 硼化

这说明体系中可能存在不同活性物种之间的动态平衡，并且其比例受配体浓度控制。

基于这一推测，作者提出两种可能的活性物种：

1️⃣ (N,B)₂IrIII(Bpin)
2️⃣ (N,B)IrIII(Bpin)₂

并通过理论计算系统研究它们的反应路径及选择性来源。

主要研究内容

1 活性物种的形成与配体用量的关系

DFT 计算表明，在反应体系中存在两类关键活性物种：

（1）配体过量时

形成五配位 Ir 物种

(N,B)₂IrIII(Bpin)

该物种仅有 一个空配位位点，不利于底物配位导向，因此更容易发生远程 C–H 活化。

（2）配体不足时

体系中更容易形成

(N,B)IrIII(Bpin)₂

该结构为 四配位 Ir 物种，具有 两个空配位位点，能够与底物羰基发生配位，从而诱导邻位 C–H 活化。

因此，配体用量改变 → 活性物种比例改变 → 区域选择性改变。

2 meta 选择性的反应机理

当活性物种为 (N,B)₂IrIII(Bpin) 时，反应经历典型的 IrIII / IrV 催化循环：

主要步骤包括：

1. 底物配位
2. C–H 氧化加成
3. 配位重排
4. B–C 还原消除
5. B₂pin₂氧化加成
6. HBpin 还原消除

计算发现该路径中 速率决定步骤为 C–H 氧化加成。

与传统 Ir 催化体系不同的是：

C–H 活化并不是由 Bpin 的 B 原子辅助完成，而是由 N,B 配体中的 B 原子参与协同活化。

这一特殊的协同作用显著降低了反应能垒。

3 meta 区域选择性的来源

计算结果显示三种 C–H 活化过渡态的能垒为：

meta < para < ortho

其中：

（1）ortho 不利

邻位存在 tert-butyl 基团的空间排斥，导致过渡态明显升高。

（2）meta 优于 para

作者发现：

tert-butyl 与 Bpin 之间存在弱色散作用

这一弱相互作用稳定了 meta 过渡态。

因此 meta 选择性来源于：

• 空间位阻
• 弱非共价相互作用

两者的协同作用。

4 ortho 选择性的反应机理

当活性物种为 (N,B)IrIII(Bpin)₂ 时：

底物羰基可以与 Ir 中心配位，从而形成导向活化体系。

该路径同样经历 IrIII / IrV 催化循环，关键步骤包括：

1. 底物配位
2. 邻位 C–H 氧化加成
3. 氢迁移
4. B–C 还原消除

计算表明：氢迁移步骤为速率决定步骤。

由于底物羰基配位使邻位 C–H 靠近金属中心，因此最终得到 ortho 硼化产物。

四、总结与启示

本文通过系统的 DFT 计算揭示了 Ir 催化芳香酯 C–H 硼化反应中配体用量调控区域选择性的本质原因。研究表明，配体浓度改变会影响两种关键活性物种 (N,B)₂IrIII(Bpin) 与 (N,B)IrIII(Bpin)₂ 的相对比例：前者仅具有一个空配位位点，导致反应通过特殊的 N,B 配体协同 C–H 活化机制生成 meta 硼化产物；而后者具有两个空位，可与底物羰基配位，从而实现 导向的邻位 C–H 活化。此外，meta 选择性不仅受到空间位阻影响，还受到 tert-butyl 与 Bpin 之间弱色散作用的稳定效应调控。该研究揭示了配体数量调控催化选择性的全新策略，为今后通过催化剂结构或配体比例精准调控 C–H 功能化区域选择性提供了重要理论指导。

文章链接

https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.5c05218