2024年1月31日，武汉大学陆庆全课题组在惰性烷烃硼化反应领域取得新进展，相关研究成果以“Photoelectrochemically driven iron-catalysed C(sp3)−H borylation of alkanes”为题发表在Nature Synthesis期刊上。
该课题组报道一种基于可见光介导的配体到金属电荷转移（LMCT）途径的光电协同催化策略，利用地球上丰富的铁作为催化剂，产生高度亲电性的氯自由基以活化烷基C−H键，从而实现了在温和条件下烷烃C(sp3)−H硼化反应。论文通讯作者为武汉大学陆庆全教授，第一作者为武汉大学博士研究生曹仰民，武汉大学为唯一署名单位。
有机硼化物及其衍生物作为有机合成领域中一类重要的合成砌块，广泛应用于医药、农药、功能材料的合成等领域中（图1a）。非活化的脂肪烃C(sp3)−H键的直接硼化是最有效的方式，但也是具有挑战性的途径。与C(sp2)−H键硼化相比，由于C(sp3)−H键的固有惰性，导致C(sp3)−H硼化的研究较少，目前大多数用于C(sp3)−H硼化的方法集中于低键离解能（α-杂原子、苄基和烯丙基体系）的相对活化的C−H键，或者依赖于使用强定向基团以确保贵金属催化剂和反应物的相互作用，相比之下，惰性烷烃中强的、非极性的、中性的C(sp3)−H键的直接硼基化很少被探索（图1b）。因此发展新颖、高效的硼化物合成法一直是有机方法学领域的一个研究热点。
图1：光电条件下金属铁催化烷基C(sp3)−H键硼化。
陆庆全教授团队一直致力于烷基分子合成与转化研究，并取得了一系列研究进展（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 12985–12991; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1389–1395; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202218179; ACS Cent. Sci., 2023, 9, 756–762; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202301026; Nat. Commun., 2023, 14, 7992; J. Am. Chem.Soc., 2024, 146, 1984−1991），近日，陆庆全教授课题组在Nat. Synth.上报道了光电化学驱动铁催化烷烃C(sp3)−H硼化反应（图1c）。该方法条件温和，具有优异的官能团耐受性，可以兼容各种氧化/还原性基团；当底物具有多个C(sp3)−H键时，优于在初级C(sp3)−H键生成硼化产物，具有较高的位点和区域选择性。
图2：反应条件的优化。
作者通过一系列条件优化，确定最优条件为FeCl3为金属催化剂，石墨毡为反应电极，LiCl为电解质，在室温条件下，1与B2cat2和2在乙腈中反应，以75%的分离收率烷基硼化合物3（图2）。
图3：C(sp3)−H键硼化的底物范围。
图4：硅烷硼化的底物范围。
在确定最优条件后，对一系列底物的兼容性进行了考察（图3、图4）。这种温和的C(sp3)−H硼化反应具有广泛的底物范围，具有优异的官能团耐受性，可以兼容各种氧化/还原性基团；当底物具有多个C(sp3)−H键时，优于在初级C(sp3)−H键生成硼化产物，具有较高的位点和区域选择性。随后的克级实验及气态烷烃硼化实验，进一步证明了方法的实用性。一系列的机理实验表明原位产生的氯自由基为关键中间体，揭示了反应的机理。通过比较不同光辐照度的反应效率实验显示，阳极半反应可由光源单独调制，阴极半反应可由电流精细调节，这种速率匹配调节在光电催化中对反应效率可能起着重要的作用。
图5：克级实验及甲烷硼化。
图6：自由基捕获实验。
图7：机理研究。
图8：控制实验及反应机理。
该研究工作得到了国家中组部、国家自然科学基金委、武汉大学、高等研究院的支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-023-00480-7
