约20%的药物及30%的农药分子中含有碳氟键，而含氟有机分子无法自然合成。所以利用含氟构筑单元合成有机氟化物的研究，日益受到关注。该类化合物在药物、杀虫剂、催化剂和材料等领域有广泛应用。尽管选择性氟化已经取得了极大的进展，但是选择性的合成多氟有机化合物仍然极具挑战。新加坡国立大学化学系的吴杰博士（点击查看介绍）课题组开发了使用光催化剂和氢原子转移催化剂的协同作用，实现N-杂环卡宾硼烷的直接B–H键活化，最终得到多氟有机物脱氟硼烷基化产物（图1）。氟代有机硼烷可以作为构筑多氟有机物的结构单元。
图1. 多氟有机物高选择性的脱氟硼烷基化
研究发现在室温下，底物与Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6（PC1）（1 mol%）、硫醇（S1）（10 mol%）和NaOAc（0.5 equiv）混合，在THF（0.05 M）中反应，可以高产率生成脱氟硼烷基化产物（图2）。以具有与PC1类似氧化还原特性的有机染料4CzIPN为光催化剂，用S2替换S1，可以实现高效的无过渡金属光催化脱氟硼烷基化。全氟芳烃、五氟芳烃、四氟芳烃、三氟芳烃、甚至是二氟芳烃都能够进行选择性脱氟硼烷基化反应。反应中，碳氟键的断裂有高区域选择性。同时该反应官能团耐受性良好，包括乙酰基、酯基、芳基溴、氨基、腈基等。有趣的是作者发现当多氟代芳烃取代基对位没有被取代时，得到顺式硼氢化产物。位阻较大的N-杂环卡宾硼烷也能参与到C–F键的硼烷基化中。
图2. 多氟芳烃的去氟硼烷基化
图3. 偕二氟烯烃的脱氟硼烷基化反应
该合成策略可拓展到偕二氟烯烃的脱氟硼烷基化反应中，在光催化剂[Ir(dF(CF3)ppy)2(5,5’-dFbpy)]PF6和HAT催化剂硫醇（S2）的协同作用下，加入碱DIPEA作为添加剂，THF作为溶剂，在室温、蓝光LED照射下，偕二氟烯烃与N-杂环卡宾硼烷反应，得到一系列脱氟硼烷基化产物（图3）。
图4. 三氟甲基取代烯烃的脱氟硼烷基化反应
该合成策略也可以拓展到三氟甲基取代烯烃的脱氟硼烷基化反应中，在光催化剂4-CzIPN和HAT催化剂硫醇（S2）的协同作用下，加入碱DIPEA作为添加剂，乙酸乙酯作为溶剂，在室温、蓝光LED照射下，三氟甲基取代烯烃与N-杂环卡宾硼烷反应，得到脱氟硼烷基化产物（图4）。
作者对反应机理也进行了研究，根据一系列控制实验、氘代实验、量子产率测试、荧光淬灭实验等结果，提出了反应的催化循环（图5）。在多氟芳烃和偕二氟烯烃的脱氟硼烷基化反应中，光催化剂被激发后，首先将硫醇氧化，得到巯基自由基与还原态的催化剂，该自由基与N-杂环卡宾硼烷反应生成硼基自由基。还原态的催化剂可以被多氟芳烃或偕二氟烯烃氧化，得到多氟芳基自由基负离子，之后与硼基自由基结合，同时脱掉氟负离子，最终得到脱氟硼烷基化产物。多氟芳烃的硼氢化反应产物是通过硼自由基加成到多氟芳基自由基负离子上之后，进行质子化得到的。三氟甲基取代烯烃的脱氟硼烷基化反应中，生成的硼自由基首先与三氟甲基取代烯烃发生加成反应，之后再经过还原，脱除氟负离子得到最终产物。
图5. 脱氟硼烷基化反应机理
最后，作者对产物进行了进一步转化（图6），多氟芳基硼烷可以被转化为多氟芳基硼酸或进一步脱氟硼烷基化。多氟芳基硼烷中的B-H键也可以被Selecfluor氟化。三氟甲基取代烯烃脱氟硼烷基化产物（偕二氟烯丙基硼烷）可以被H2O2氧化得到偕二氟烯丙基醇，也可以在酸性条件下被醇解生成偕二氟烯丙基硼酸酯。
图6. 脱氟硼烷基化产物的转化
通过光氧化还原和氢转移催化诱导的B–H键活化，以原子和氧化还原经济的方式开发了一种实用的多氟芳烃、偕二氟烯烃和三氟甲基烯烃的脱氟硼烷基化反应。反应选择性很高，可以与过渡金属催化的脱氟硼化反应相互补充。具有不同氟代程度和多功能化的氟代有机硼烷可通过简单操作，在温和的条件，甚至是无过渡金属催化条件下获得。反应产物作为多氟代有机物的构筑单元可能在含氟药物、催化剂、材料的合成方面得到广泛应用。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。本文第一作者为徐文刚博士，中国石油大学（华东）新能源学院特任副教授。
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Visible‐Light‐Induced Selective Defluoroborylation of Polyfluoroarenes, gem‐Difluoroalkenes, and Trifluoromethylalkenes
Wengang Xu, Heming Jiang, Jing Leng, Han-Wee Ong, Jie Wu
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201911819
导师介绍
吴杰
https://www.x-mol.com/university/faculty/49776
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