兰州大学许鹏飞教授团队Chem. Sci.：NaBAr₄在光催化[3+2]环化反应中的应用：硼氮杂环化合物的构筑-上海善施科技

通讯作者：许鹏飞教授

作者：秦浩妮、姜浩文、赵毅、Saira Qurban、王柯淳

近年来，有机硼化学的发展凸显了有机硼氮杂环化合物在合成、材料和药物领域的广泛应用。其中，1,4,2-diazaborole类似物——一类五元硼氮杂环化合物——引起了研究者们的广泛关注。尽管Klzhakethil Mathew Sadhu教授、G. Pawelke教授、Gerhard Erker教授及Kota Miyata教授等在尝试使用各种硼试剂合成此类化合物方面已经取得了显著进展，但开发寻找商业可获得的、廉价稳定的硼试剂仍然是一个重要目标（Scheme 1A-1B）。

硼中心自由基在有机硼化学中具有重要发展前景。其中，利用路易斯碱稳定的4c-7e硼自由基前体如卡宾硼烷、胺硼烷等被广泛研究，但中性3c-5e硼自由基由于极度缺电子，相对来说并不稳定而未得到充分探索。四苯基硼酸钠，一种商业化、廉价且稳定的硼试剂，作为中性二苯基硼自由基的前体，已在光氧化还原催化中取得了一些显著的突破性进展，尤其在生成关键碳自由基领域。如2022年，夏纪宝教授利用二苯基硼自由基来活化苄醇的C-OH键，实现了可见光氧化还原催化下苄醇和CO₂的还原偶联；2023年，汪清民教授引入DMSO作活化试剂，通过实现二芳基硼自由基的α裂解，产生芳基自由基，实现了二芳基硼自由基的新用途。2024年，Upendra K. Sharma教授成功将二苯基硼自由基用于卤原子提取中。然而，四芳基硼钠盐在直接构建C–B键中的应用仍未得到充分探索（Sheme 1C）。

Scheme 1：研究背景（来源：Chem. Sci.）

针对以上问题，兰州大学许鹏飞教授课题组最近通过利用腈类化合物有效稳定中性二芳基硼自由基，实现了C–B键直接构筑，展示了光氧化还原催化实现四芳基硼酸钠进行C–B键构建的重大进展。这项工作中，作者采用四芳基硼酸钠为硼源，并结合光氧化还原催化，通过[3+2]环化反应成功合成了多种硼氮杂环，尤其是1,4,2-diazaborole类似物。在反应过程中，腈类化合物作为路易斯碱，成功稳定了中性二芳基硼自由基，形成RCN-BAr₂自由基物种。该物种具有双重反应性：既有亲电性的氰基碳，又有亲核性的硼自由基，从而使其作为三原子合成子参与到[3+2]环化反应，与不饱和亚胺以及烯烃类底物发生反应，成功实现了多种硼氮杂环尤其是1,4,2-diazaborole类似物的高效合成。

首先，作者选择了亚胺1a和四苯基硼酸钠2a为模型底物，对反应条件进行了大量的筛选（Table 1）。筛选结果表明，当加入4 mol% [Ir(dF(CF₃)ppy)₂dtbbpy]PF₆，20 mg 4 Å分子筛，3.5eq 亚胺1a，以及0.5 mL MeCN与0.5 mL DCM，在0℃下光照27 h时，可以以91%的收率得到目标化合物4aa。控制实验明确表明，光催化剂和光源在该[3 + 2]环化反应中起着不可或缺的作用。

Table 1：反应条件优化（来源：Chem. Sci.）

在确定最佳反应条件后，作者对底物进行了扩展探究，首先测试了多种来源于芳香胺的亚胺化合物。如Table 2所示，将给电子基团以及吸电子基团引入到芳环上均能以中等至优异的产率得到目标产物。此外，未取代的苯胺和2-萘胺衍生的亚胺也显示出不错的产率。随后，作者对硼源的种类进行探索，用4-甲基苯基和2-萘基替代四苯基硼酸钠中的苯基后，仍然可以实现目标反应。接下来，作者对其他腈类化合物进行了尝试，除乙腈外，环丙腈、异丁腈和4-甲氧基苯甲腈也能成功转化，展示了该方法的广泛适用性。化合物4aa的构型通过X射线晶体结构分析确定（CCDC 2381718）。

Table 2: 不同芳香胺衍生的亚胺与硼源、腈类化合物的适用范围（来源：Chem. Sci.）

紧接着，作者探究了多种来源于α-酮酯的亚胺化合物，如Table 3所示，该反应对于来源于α-酮酯的亚胺提供了中等至良好的产率，尽管随着酯基空间位阻的增加，产率有所降低。随后，将给电子基团引入α-酮酯的芳环中同样可以实现目标反应，值得注意的是，当碘取代基引入到对位时，产率达到了89%，这显示出该反应具有不错的耐受性。

Table 3: 不同α-酮酸酯衍生的亚胺的适用范围（来源：Chem. Sci.）

为了进一步拓宽该策略的适用性，作者成功将四苯基硼酸钠应用于与烯烃的光催化[3 + 2]环化反应中。其中，带有吸电子取代基的苯乙烯和富电子的1,1-二苯乙烯在上述模板反应中，均能以中等至良好的效率下得到相应的硼氮杂环化合物（Table 4）。为了验证方法的实用性，作者进行了放大量实验，成功合成了1.1g 4aa，产率为77%（Table 5a）。这些结果突显了作者开发的策略在合成一些硼氮杂环化合物方面的优势，包括温和的反应条件和广泛的官能团兼容性等。

Table 4: 四苯基硼酸钠与苯乙烯类化合物的光催化[3+2]环化反应（来源：Chem. Sci.）

随后，作者对反应机理进行了研究（Table 5）。首先，对照实验结果表明，光照和光催化剂的存在对于反应的进行是不可或缺的（Table 1：entry 16–17）。其次，自由基捕获与自由基钟实验结果表明，反应涉及自由基的机理（Table 5b）。荧光猝灭实验表明，亚胺和四苯基硼酸钠均能猝灭激发态的光催化剂；然而，亚胺1a表现出更为显著的效果（Table 5d，left）。开关灯实验表明，任何链反应过程都是瞬时的，并且光照在产物形成中起着关键作用（Table 5d，right）。氢提取反应间接确认了自由基中间体II的存在（见ESI：FingureS3†）。此外，亚胺二聚产物的发现为自由基偶联路径提供了证据。然而，不能完全排除硼自由基通过单电子转移机制直接攻击亚胺的可能性（见ESI图S8†）。

Table 5: 克级反应与机理探究（来源：Chem. Sci.）

基于以上机理探究，作者提出了一个相对合理的反应机理，如Scheme 2所示。在光照下，激发态的Ir^(III)与亚胺发生单电子转移（SET），生成α-氨基自由基阴离子I和相应的Ir^(IV)。随后，该Ir^(IV)物种将四苯基硼酸钠氧化，生成二苯基硼基自由基，并回到基态。乙腈与二苯基硼自由基配位，形成中间体II。中间体I和II随后发生自由基–自由基交叉偶联生成III。中间体III中的氮阴离子与氰基发生亲核加成，最终生成目标产物1,4,2-diazaborole类似物。

Scheme 2：提出的可能机理（来源：Chem. Sci.）

在这项研究中，许鹏飞教授团队提出了廉价且稳定的四芳基硼酸钠在光氧化还原催化中构筑C–B键的新用途。利用腈类化合物稳定中性硼自由基，通过光催化[3+2]环化反应，成功实现了大量硼氮杂环化合物的合成，尤其是1,4,2-diazaborole类似物。这种方法具有温和的反应条件、简便的底物制备和广泛的适用性等优点，并能够灵活兼容多种官能团。除了在拓展1,4,2-diazaborole类似物合成路线中的突出表现外，该研究还凸显了四芳基硼酸钠在光氧还原催化中的反应多样性、在硼氮杂环化合物合成中的巨大潜力。未来，该研究团队将继续探索四芳基硼酸钠在硼化学中的创新应用以及更具挑战性的转化。

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