碳硼烷并含氮杂环化合物的合成研究

Carboranes and their derivatives have raised much attention and have been widely applied in biomedicine, photochemistry, supramolecular and coodination chemistry as well as materials science, due to their unique three-dimensional structure, low toxicity and excellent thermal and chemical stability. It will be of great importance to regioselectively synthesize functionalized carboranes. Recently, we achieved the intramolecular C-H amination and synthesized a series of new N-heterocycles. So we have had a deep understanding about the hypervalent iodine oxidative intramolecular C-H amination. This project will first focus on the tandem oxidative and intramolecular B-H or C-H amination with thiocarboranes as the substrates to synthesize the carborane-fused thiazines, and further achieve the enantioselective synthesis. Then, a series of carborane-fused N-heterocycles will be synthesized through hypervalent iodine oxidative intramolecular B-H or C-H amination. This project will provide new methods for the synthesis of functional carboranes and increase the diversity of carborane species.

碳硼烷及其衍生物以其独特的三维立体结构、较低的毒性以及良好的热和化学稳定性等特点，在生物医学、光化学、超分子和配位化学、材料化学等领域得到了广泛应用，是近年来的研究热点之一。因此，对碳硼烷进行选择性官能团化，从而得到多种功能性碳硼烷具有重要意义。近年来，申请人以2-联芳基化合物为底物，通过分子内C-H键胺化反应高效合成了一系列结构新颖的含氮杂环化合物，并对高价碘氧化的分子内C-H键胺化反应进行了深入的研究。本项目拟用碳硼烷依次代替2-联芳基中的两个芳环，首先以硫醚类化合物为底物，通过串联氧化及分子内C-H键或B-H键胺化合成碳硼烷并硫氮杂环化合物。之后，通过手性诱导实现上述化合物的不对称合成。最后，以多种含氮化合物为底物，通过高价碘氧化的分子内C-H键或B-H键胺化合成一系列结构新颖的碳硼烷并含氮杂环化合物。本项目为功能化碳硼烷的合成提供了新思路，同时也可以扩展功能化碳硼烷的种类。

碳硼烷及其衍生物由于其独特的三维立体结构、低毒性以及良好的热稳定性和化学稳定性等特点，已经被应用于众多领域，如生物医学、光化学、超分子和配位化学、材料化学等。近年来，碳硼烷在核医学领域的发展呈多样化趋势，不仅在传统的硼中子俘获治疗（BNCT）领域有着丰富多彩的应用，而且在放射性分子成像和治疗等领域也发挥着重要作用。2020年8月我国首台硼中子俘获治疗实验装置在中科院高能物理所东莞分部研制成功，急需含硼药物与之配合，充分发挥这种靶向加放疗治疗手段造福癌症病人。碳硼烷衍生物作为高硼含量化合物，是潜在的BNCT药物分子。而含氮化合物则被广泛应用于有机药物分子中，因此，通过硼氮键的形成把含氮化合物引入到碳硼烷分子中具有重要的研究意义。本项目中，我们不但实现了分子内硼氮键的构建合成碳硼烷并含氮杂环化合物，而且实现了碳硼烷的分子间硼氮键的构建。另外，我们还发现以氮卤酰胺为卤化试剂，六氟异丙醇为溶剂可以高选择性的实现邻碳硼烷/间碳硼烷的B(9)-卤化。本项目的主要研究内容和重要成果包括：1）实现了钯催化的分子内B-H键胺化合成碳硼烷并硫氮杂环化合物；2）实现了钯催化的分子间的B-H键胺化，该反应的胺源范围非常广泛，包括一级胺源、二级胺源、氨基、芳香胺、磺酰胺、亚胺、亚砜亚胺、亚磺酰亚胺、叠氮以及各种药物分子，另外，该反应不但实现了邻碳硼烷的B-H键胺化，同时也实现了间碳硼烷的B-H键胺化；3）首次实现了铁催化的邻碳硼烷和间碳硼烷的选择性亲电胺化，该反应以大于等于17:1的选择性在无导向基团的情况下实现了邻碳硼烷和间碳硼烷的B(9)-H胺化；4）高选择性的实现了邻碳硼烷/间碳硼烷的B(9)-卤化。