有机硼化合物具有独特的理化性能，在功能材料、生命科学和有机合成中应用十分广泛，尤其作为一种重要的有机合成中间体，被广泛应用于多种C-C键和C-X键的高效构建。因此，发展快捷高效、绿色环保的合成方法，来制备结构和功能多样性的有机硼化合物具有十分重要的应用前景。
中国科学技术大学汪义丰（点击查看介绍）课题组一直致力于发展新型的自由基硼化方法来制备有机硼化合物。在研究过程中，他们发现利用氮杂环卡宾-硼烷（NHC-BH3）作为硼自由基前体时仍存在一些问题，例如硼自由基的产生主要依赖偶氮类或过氧类等自由基引发剂的热裂解攫氢，该单一的产生方式造成了硼化反应模式缺乏多样性（图1a）。因此，发展硼自由基新的产生方式，设计新的硼化反应路径具有重要的意义。光催化反应具有高效迅捷、绿色环保等优点而被认为是极具应用前景的领域之一。因此，作者设想发展光催化条件下，单电子氧化产生氮杂环卡宾-硼自由基的新策略和新途径，用于合成以往难以合成的有机硼化合物（图1b）。
图1. 氮杂卡宾硼自由基与不饱和烯烃/炔烃的反应模式
为了找到合适的氧化还原催化剂促进单电子转移生成氮杂卡宾-硼自由基。作者首先对底物1a和2a的氧化还原电势进行了研究（图2）。结果表明，1a的氧化电势为0.76V，并且没有还原峰；2a的还原电势为-1.41V。通过与常用的Ir催化剂氧化还原电势比对，发现Ir(ppy)3的IrIV/IrIII = 0.77V，IrIV/ *IrIII= -1.73V，与1a, 2a的电势匹配。根据以上实验结果，作者设计了一种光催化条件下单电子氧化的硼自由基的产生方法，并用于脱氟硼化产物的合成。
图2. 脱氟硼化反应的途径
基于以上设想和设计，作者接着对脱氟硼化反应的反应条件进行了筛选和优化，发现使用Ir(ppy)3为催化剂，KF作碱，DMF为溶剂时，此脱氟硼化反应的产率最高（图3）。
图3. 脱氟硼化的条件筛选与优化
作者在最优条件下考察了此脱氟硼化反应的底物适用范围。结果表明，具有不同取代基团的三氟丁-2-烯酸酯和三氟丁-2-烯酰胺均可高效转化为相应的脱氟硼化产物。同时，很多天然产物和药物的衍生物都适用于该策略，为后期引入硼原子提供了良好的途径（图4）。
图4. 底物范围
利用该策略不仅可以实现脱氟硼化反应，并且当选用对二苯腈为氧化剂时，在α,β-不饱和烯烃存在下还可以实现烯烃的芳硼化反应。各种烯烃都可以实现这个转化，以中等的收率得到目标产物；将对苯二腈换为其他的芳基腈化合物也可以得到芳硼化产物（图5）。
图5. 底物范围
作者最后验证该催化反应机理。Stern-Volmer实验显示原料2a, 2i, 2g和4a优先与激发态的Ir(ppy)3反应（图6A）；电化学实验证明IrIV(ppy)3可以单电子氧化1a并且生成氮杂环卡宾-硼自由基（图6B）；三元环开环实验显示该反应通过自由基过程（图6C）。
图6. 机理研究
基于以上实验结果，作者提出了可能的反应机理。对于脱氟硼化反应（如图7A），首先，光氧化还原催化生成NHC-硼自由基(II)和自由基阴离子(III)，DFT计算表明NHC-硼自由基交叉偶联到自由基阴离子(III)具有较低的活化吉布斯能量（ΔG≠ = + 6.3 kcal/mol）的α位得到中间体(IV)，最后失去一分子氟负离子得到目标产物3a。对于自由基芳硼化反应，作者也提出了一个可能的反应途径(如图7B)。首先，光催化下单电子氧化生成NHC-硼自由基和自由基负离子（V），接着硼自由基加成到肉桂酸酯的α位生成中间体(VII),然后自由基负离子（V）优先与中间体(VII)位阻较小的一侧发生交叉偶联生成中间体(VIII),最后失去氰基负离子得到产物6a。
图7. 脱氟硼化和芳硼化反应可能的反应机理
总结
中国科学技术大学汪义丰教授课题组报道了光催化条件下单电子氧化产生硼自由基，并且利用此策略实现不饱和烯烃的脱氟硼化和芳硼化反应。该反应具有策略新颖、底物适用性广泛、反应条件温和、官能团耐受性好等特点，为氮杂卡宾硼自由基反应开拓了一种创新性的思路，丰富并进一步升级了氮杂卡宾硼自由基反应类型。在本文的审稿过程中，中南大学阳华课题组也报道了一例类似的光催化硼化反应 [1]（点击阅读详细）。
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New Radical Borylation Pathways for Organoboron Synthesis Enabled by Photoredox Catalysis
Jing Qi, Feng-Lian Zhang, Ji-Kang Jin, Qiang Zhao, Bin Li, Lin-Xuan Liu, Yi-Feng Wang
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201915619
参考资料：
1. Xia, P. J.; Song, D.; Ye, Z. P.; Hu, Y. Z.; Xiao, J. A.; Xiang, H. Y.; Chen, X. Q.; Yang, H., Photoinduced Single-Electron Transfer as an Enabling Principle in the Radical Borylation of Alkenes with NHC-Borane. Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 6706-6710
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201913398
导师介绍
汪义丰
https://www.x-mol.com/groups/yifeng_wang
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