Angew：新型Lewis超强酸应用于C-F和S-F键的活化

导读

近日，德国帕德博恩大学Jan Paradies与德国卡尔斯鲁厄理工学院Frank Breher团队合成了一系列氧化还原-响应（redox-responsive）的二茂铁取代硼烷和硼酸酯衍生物。实验和计算研究表明，二茂铁配体氧化为二茂铁离子（ferrocenium）导致Lewis酸的酸性急剧增加，并超过SbF5的酸性。此外，合成的Lewis超强酸，可用于催化C-F和S-F键的活化。文章链接DOI：10.1002/anie.202216959

正文

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

Stephan团队报道了利用受阻Lewis酸碱对（FLP）实现了H2的异裂（heterolytic），并且在氢化反应中得到了首次的应用。虽然B(C6F5)3是最常用的Lewis酸，但其仍存在一定的局限性，因为FLP的反应性强烈依赖于其单个组分的Lewis酸性和Lewis碱性。硼衍生的LAs比B(C6F5)3的酸性较弱，可用于官能团化分子的氢化反应。同时，基于膦基的强LAs已实现了具有高度挑战性的键的活化。尽管阳离子鏻（phosphonium）或硼离子通常超过SbF5的Lewis酸性，因此其是一种Lewis超强酸（LSA），但对于硼烷的例子却很少，主要是由于硼烷固有的高反应性，从而使它们的合成和纯化具有挑战性。目前，通过电化学过程生成LSA是克服这一挑战最为实用的方法。氧化还原活性基团可用于改变化学实体（chemical entities）。此外，带有外围阳离子基团的硼烷或阳离子硼烷，能够显著增加Lewis酸性。

二茂铁基团（Fc）是一种公认的可逆氧化还原活性基团，具有构建目标的Lewis酸的潜力。目前，化学家们已经合成了几种二茂铁硼烷，如Fc-B(C6F5)2（1a）和Fc-B(C6Cl5)2（1b）。虽然化学家也报道了1a的（准）可逆氧化还原行为，但对于具有不同Lewis酸性或其潜在催化应用仍有待进一步的探索。然而，Jäkle课题组报道了通过氧化附加的二茂铁单元来提高有机硼烷的Lewis酸性。近日，德国帕德博恩大学Jan Paradies与德国卡尔斯鲁厄理工学院Frank Breher团队报道了一种二茂铁/二茂铁离子取代硼烷和硼酸酯衍生的Lewis超强酸，并成功应用于具有挑战性的C-F和S-F键的活化，实现了新的C-C和S-C键的构建。因此，作者进行了四种硼衍生物1a-1d的合成（Figure 1）。

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CV实验表明，化合物1a-1d具有准-可逆氧化还原行为。同时，C6Cl5基团显示出最强的吸电子效应，这与先前的观察结果一致。通过用弱配位阴离子（wca）的银盐（如Ag[Al(OC4F9)4]或Ag[SbF6]）氧化1a-1d，可生成相应的Fc+基阳离子配合物2a-2d（Scheme 1）。

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同时，作者通过X-射线衍射分别对新型化合物1c、1d、2d、3a和3b进行了表征（Figure 2）。

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其次，作者分别对1a-1d、2a-2d、3a和3b进行了相关的间距、键长与键角的计算（Table 1）。同时，作还对1a-1d和2a-2d进行了相关的Lewis酸性的测定（Table 2）。计算结果表明，这些硼烷可归类为LSAs。氧化的Fc+衍生物2a、2b和2d是一种比B(C6F5)3更强的LAs。

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紧接着，作者使用2b作为催化剂，将其应用于C-F键的芳基化反应中（Scheme 2）。研究表明，几种不同取代的芳香族化合物与噻吩底物，均可与苄基氟（4）反应，获得相应的苄基化产物7a-7e，收率为62-97%。其中，取代的苯7b和噻吩7e衍生物，具有较低的区域选择性。

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随后，在Lewis酸性硼烷2a和三乙基硅烷（6a）的存在下，8a中的CF3基团更具反应性，可在室温下顺利进行还原反应，可以99%的收率得到甲苯产物9，并且反应时间仅为5 min（Scheme 3a）。然而，当使用氯衍生物2b作为催化剂时，在反应22小时后，仅以32%的收率得到甲苯产物9。令人惊讶的是，在Lewis酸性硼烷2a和烯丙基硅烷（6b）的存在下，三氟甲基苯（8a）可顺利进行烷基化反应，可以47%的收率得到金刚烷基衍生物10a。类似的，以三氟甲基环己烷（9b）为底物时，也可以43%的收率得到产物10b（Scheme 3b）。这些产物的形成最可能涉及CF3基团的三重烯丙基化和随后Lewis酸催化的三聚（通过碳阳离子配合物）的过程。

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最后，作者对S-F键的官能团化反应进行了研究（Scheme 4）。五氟硫烷基（SF5）是一种异常稳定的官能团。到目前为止，只有剧烈的还原Birch条件才能使SF5基团转化为硫醇。值得注意的是，当使用2a作为催化剂，五氟硫基苯衍生物11a-11c，均可在温和的条件下顺利反应，获得相应的硫醇产物12a-12c，收率为78-89%（Scheme 4a）。同时，在使用[Et3Si][B(C6F5)4]的对照实验中，11a也能够转化为12a，因此2a可能充当引发剂。其次，当使用具有空间位阻的叔丁基二甲基硅烷（6c），可直接生成硅烷保护的硫醇13a和13b，收率为47-93%（Scheme 4b）。此外，在芳香族化合物、三乙基硅烷和2a存在下进行反应时，可生成相应的二芳基硫醚14a-14e，收率为10-70%（Scheme 4c）。尽管收率偏低，但这些实例代表SF5基团首次转化为新的C-S键的应用。SF5基团活化的机理尚未研究，但这些产物的形成表明阳离子有机硫配合物的原位生成。

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总结

德国帕德博恩大学Jan Paradies与德国卡尔斯鲁厄理工学院Frank Breher团队通过易得的氧化还原活性二茂铁硼烷直接合成了一种新型的Lewis超强酸。基于Fc的单电子氧化过程将Lewis酸性增加了1.4-1.5倍（FIAsolv），并生成了Lewis超强酸。其次，二芳基二茂铁离子硼烷2a-2b在C-F和S-F键的活化中具有活性，实现了相应的还原、烷基化和芳基化反应。值得注意的是，该反应首次将有机-SF5基团催化转化为硫醇、硅基和二芳基硫醚。

文献详情：

Laura Köring, Arne Stepen, Bernhard Birenheide, Simon Barth, Maxim Leskov, Roland Schoch, Felix Krämer, Frank Breher,* Jan Paradies*. Boron-Centered Lewis Superacid through Redox-Active Ligands: Application in C–F and S–F Bond Activation. Angew. Chem. Int. Ed.2023, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202216959