作为苯环的三维类似物，碳硼烷具有多种用途，如在硼中子俘获疗法（BNCT）中用作药物，在有机金属和配位化学中用作新型配体，还能在超分子设计和材料中用作建筑材料。但由于碳硼烷结构的特殊性，导致其难以进行衍生化，进而限制了它的应用范围。因此，发展新型碳硼烷官能化的合成方法是十分必要的。由于十个笼状B-H键之间的位点选择性问题以及B-H键较低的反应活性，硼笼分子的官能化极具挑战性。近日，韩国江原大学Phil Ho Lee教授课题组解决了上述难题，他们经串联的B(4)-C键和分子内C-C键的形成实现了首例铱催化的碳硼烷和炔丙醇的环化茚基化反应。此外，经连续的B-H键活化、脱水和脱羧反应也实现了铱催化碳硼烷的区域选择性1,3-二烯基化。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.0c02{attr}2164{/attr}1）。
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
起初，作者以碳硼烷1a与炔丙醇2a为模型底物，对过渡金属催化剂进行了研究（Table 1）。以[Cp*IrCl2]2为催化剂，AgSbF6和NaOAc为添加剂，1a和2a在二氯乙烷中于80 ℃反应12小时，以56%的收率得到1,3-二烯基化产物5a。接着，作者对多种不同的溶剂进行筛选。出人意料的是，溶剂体系决定着反应的路径。当反应在均三甲苯中进行时，以最高65%的收率选择性地得到1,3-二烯基化碳硼烷5a。相比之下，使用三氟乙醇则会选择性地以76％的收率得到茚基化的碳硼烷钠盐3a，进一步将温度降低至60 ℃可将收率提高至定量（entries 7-8）。产物3a在甲苯溶剂中会继续进行脱羧反应，以定量收率得到茚基化产物4a。对照实验表明，NaOAc是环化反应的关键因素。
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
得到最佳反应条件后，作者探讨了炔丙醇的适用范围（Table 2）。芳基炔丙醇2上取代基的电性对反应有着极大的影响。含给电子基（如甲基、甲氧基等）的底物可顺利得到相应的茚基化碳硼烷（4b-4e、4l-4p）。相反，4-氟取代的炔丙醇与1a反应分别以65%的收率和35%的收率形成了环化茚基化的碳硼烷4f与1,3-二烯基化的碳硼烷5d。由于在三氟甲磺酸作用下，1,3-二烯基化的碳硼烷5a可以经环化得到4a（收率为95%），因此作者将4f和5d的混合物置于三氟甲磺酸中，最终以76% 的收率“一锅”生成环化茚基化的碳硼烷4f。连有其他吸电子基的炔丙醇2与1a经类似的“一锅法”反应后即可以63%至81%的收率得到相应的茚基化产物（4g-4k）。多种环烷基取代的炔丙醇也是合适的底物，并以良好收率得到相应的产物（4r-4u）。此外，一系列烷基或芳基取代的碳硼烷也能经B(4)-H活化，随后经环化茚基化反应得到目标产物（4v-4b’）。
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
接着，作者考察了碳硼烷的选择性1,3-二烯基化的普适性（Table 3）。间、对位连有不同电性取代基的苯基炔丙醇都能顺利反应，以中等至良好的收率得到相应的产物5b-5i。另外，环烷基取代的炔丙醇2j-2k也与该体系兼容的。
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
基于机理实验和和以往的研究工作，作者提出了一个合理的反应机制（Scheme 3）。起初，活性的铱催化剂与碳硼烷经B(4)-H活化得到环铱中间体A，其与炔丙醇2配位，再经B(4)-选择性迁移插入得到中间体C。化合物C接着脱羟基得到中间体D，经两种不同途径可将其转化为茚基化和1,3-二烯基化产物。在茚基化路线中，中间体D经分子内芳族取代反应得到前体E，接着经芳构化和质子化得到羧酸钠3并使催化剂再生。然后，3在甲苯中加热顺利脱羧，从而生成所需的B(4)-H环化茚基化产物4。在B(4)-二烯基化路线中，中间体D脱水生成了中间体F，其经还原消除和脱羧得到二烯基化产物5。由于碳硼烷具有强吸电子特性，作者认为反应中间体C中铱金属的电子密度不足，因此经羟基消除的碳正离子D更有可能是反应的中间体。
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
总结：作者发展了首例铱催化碳硼烷和炔丙醇的环化茚基化反应。该反应经脱水的分子内亲电芳香环化反应连续构建了B(4)-C键和分子内的C-C键，并以中等至优异的收率得到了一系列B(4)-茚基化碳硼烷衍生物。此外，作者经连续的B-H键活化、脱水和脱羧反应也实现了铱催化的区域选择性1,3-二烯基化，进而制备了多种B(4)-二烯基化碳硼烷衍生物。
