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（图1）。



图1.邻-碳硼烷的手性示意图

　　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(R)-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（J. Am. Chem. Soc.2018,DOI:10.1021/jacs.8b01754）（图2）。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。



图2.钯催化不对称B-H取代反应合成手性硼笼

　　上述研究工作在谢作伟教授和邱早早副研究员共同指导下完成，期间得到了唐勇研究员、游书力研究员和汤文军研究员的大力支持和帮助，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。