兰州大学许鹏飞教授团队Org. Lett.：可见光催化下硼自由基产生的新方法-上海善施科技

通讯作者：许鹏飞教授

作者：姜浩文、秦浩妮、王艾连、张瑞

背景介绍

含硼化合物在材料科学、药物开发和有机合成等领域中起着举足轻重的作用，其中特别是有机硼化合物，因其在 Suzuki-Miyaura 交叉偶联以及 Chan-Lam 偶联等反应里的广泛应用，近些年来，对于这类化合物合成方法的开发备受瞩目。

随着硼自由基化学的快速发展，利用路易斯碱硼烷例如N-杂环卡宾硼烷（NHC-BH3）和胺硼烷(R3N-BH3)来进行碳硼键的构筑已经成为一个热门的研究领域。然而，相较于NHC-BH3的低氧化电位（E1/2=0.76 V vs SCE）以及较弱的硼氢键键能（BDE=74.5 kcal/mol），胺硼烷，例如最为经典的三甲胺硼烷，却由于其较高的B-H键解离能（BDE=101 kal/mol）以及较高的氧化电位（E1/2=1.73 V vs SCE），往往需要相对苛刻的条件去活化。那么如何通过更加简单易得的方式产生胺硼烷自由基，成为了目前该领域亟待解决的问题之一。

图1：胺硼烷自由基（来源：Org. Lett.）

近日，针对上述科学问题，兰州大学许鹏飞教授团队实现了一种利用三甲胺甲酸硼烷（Trimethylamine Carboxyborane）在可见光催化下脱羧的方式来生成硼自由基，并且在反应中发现，该化合物的氧化电位仅为E1/2=0.36 V vs SCE，且该化合物的制备过程无需柱层析分离，空气条件下稳定，可以长期保存。此外，该方法在复杂分子的后期硼化中也表现出高度的兼容性。

该反应选用三甲胺甲酸硼烷、醛亚胺作为底物，在进行一系列条件筛选后，确定的最佳反应条件为：亚胺的用量为0.1 mmol，三甲胺甲酸硼烷的用量为0.12 mmol，光催化剂Ru(bpy)3(PF6)2的用量为2 mol%，碳酸铯的用量为0.2 mmol，溶剂为DMSO（1 mL），在氮气氛围下，456nm蓝光照射12小时。该反应表现出良好的底物普适性，一系列缺电子烯烃以及醛亚胺类底物均能以优异的产率得到相应的烯基硼化产物。

图2：亚胺类底物适用范围（来源：Org. Lett.）

在最优条件下，作者进一步探讨了该方法在不同底物上的适用性。首先是对亚胺的硼化反应，结果显示多种带有不同电子效应取代基的亚胺均可在温和条件下实现高效反应。特别是带有卤素、三氟甲基和氰基等吸电子基团的亚胺底物展现出较高的反应活性和产率，同时作者发现葡萄糖和果糖取代的亚胺也能够很好地参与反应（图2）。

图3：烯烃类底物适用范围（来源：Org. Lett.）

此外，作者还对多种功能性烯烃的硼化反应进行了探索。这些烯烃包括药物相关分子和复杂的化学骨架结构，如用在治疗注意力缺陷多动症（ADHD）的原料药物阿托莫西汀和抗抑郁药物度洛西汀等。实验表明，这种新型光催化方法对复杂分子的功能化具有良好的兼容性，为药物合成提供了新的选择（图3）。

图4：反应机理探索（来源：Org. Lett.）

为了深入理解反应机制，作者进行了系列机理验证实验，包括荧光猝灭实验、自由基捕获实验以及自由基钟实验。实验结果表明，碱的存在对于三甲胺甲酸硼烷的活化至关重要。在荧光猝灭实验中，碳酸铯显著增强了三甲胺甲酸硼烷与光催化剂之间的相互作用。此外，自由基捕获和自由基钟实验也支持了硼自由基的生成和加成过程的发生（图4）。

图5. 反应机理（来源：Org.Lett.）

基于这些实验，团队提出了一个合理的反应机制：三甲胺甲酸硼烷在碱作用下生成羧酸盐中间体，并被激发态光催化剂氧化后脱CO2生成硼自由基，随后该自由基与亚胺或烯烃反应，最后经历一步质子化生成目标产物（图5）。该机制的验证不仅为后续研究提供了理论依据，还为有机硼化学中自由基生成和控制带来了新思路。

该研究证明了三甲胺甲酸硼烷在光催化条件下生成硼自由基的潜力，为自由基硼化反应的实现提供了一种温和且高效的新途径。该方法的底物兼容性广泛，对多种结构复杂的分子均能实现功能化，具有很好的应用前景。未来，研究团队将继续探讨三甲胺甲酸硼烷在其他自由基反应中的应用，希望能进一步拓展其在有机合成中的应用范围。

这一成果的发表，不仅为有机硼化学提供了新思路，也为未来的有机合成、药物开发和材料科学带来了新的可能。希望通过本文的介绍，读者能对有机硼化学这一领域有更深入的了解，也期待更多研究者加入其中，共同推动该领域的发展。另外，该成果与Leonori课题组在J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 24042–24052发表的成果为同步进行。

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