南京大学谢劲课题组：可见光诱导双核金催化偕二氯烷烃的发散性去氯硼化反应

导语

近年来，有机硼化合物凭借其独特的理化特性，在有机合成、药物研发及材料科学等领域展现出广阔的应用前景。当前，制备烷基硼酸酯主要利用过渡金属催化的卤代烃硼化反应、不饱和C=C键的加氢硼化过程以及C−H键的氧化硼化等。然而，这些方法通常存在官能团耐受性不足、反应条件严苛以及区域选择性控制不佳等问题。此外，利用光诱导去官能化自由基硼化反应只能将C-X键转化为单一的C-B键。因此，发展一类高效催化体系实现不同结构单元的烷基硼酸的精准合成仍然是该领域一直存在的挑战。南京大学谢劲课题组长期致力于变价金催化的化学转化 (J. Am. Chem. Soc.2023, 145, 14865; Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202305121; Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202304019; Nat. Commun.2023, 14, 3551; Nat. Synth.2023, 2, 338; Nat. Catal.2022, 5, 1098; Sci. China Chem.2021, 64, 1958; Chem. Soc. Rev.2021, 50, 1874; Chem. Rev.2021, 121, 8868; J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 3187; Chem.2019, 5, 2718)。在前期研究基础上，该研究团队成功地实现了可见光诱导双核金催化偕二氯代烷烃参与的发散性自由基去氯硼化反应。相应成果近期发表于Nat. Commun.2024, 15, 3721（https://doi.org/10.1038/s41467-024-48085-8）。

前沿科研成果

可见光诱导双核金催化偕二氯烷烃的发散性去氯硼化反应

首先，作者选择(3,3-二氯丙基)苯（1a）和双联邻苯二酚硼酸酯（2）作为模板底物进行条件筛选（图1）。当使用3 mol% [Au(dcpm)Cl]2 (PC1) 作为光催化剂，N,N-二乙基甲酰胺为反应溶剂，在室温条件下使用蓝色LED照射24小时。随后加入频哪醇及三乙胺反应1小时，能够以73%的分离收率得到去氯双硼化产物（3）。随后作者也筛选了其他不同的光催化剂，包括三核金催化剂、fac-Ir(ppy)3、Ru(bpy)3(PF6)2以及Eosin Y，但在标准条件下均不发生反应（Entries 4-6）。此外，作者考察了其他硼试剂，如联硼酸频那醇酯，发现该双硼化过程也是不发生的。当使用390 nm灯照射时，该反应也能以中等收率获得相应的目标产物。控制实验表明，催化剂和灯源对于双核金催化去氯双硼化反应是不可或缺的。

图1 反应条件筛选（来源：Nat. Commun.）

随后，作者考察了双核金催化偕二氯代烷烃去氯双硼化的底物兼容性。如图2所示，该反应具有良好的官能团普适性。不同取代的和环状偕二氯代烷烃均能顺利参与反应，以中等至优异的收率获得相应的双硼化产物。对于含有烯烃和炔烃的底物，反应也不受影响。此外，该方法也适用于复杂天然产物与药物分子的后期双硼化过程，如米托坦、奥沙普秦、维生素E、亚油酸和苯丁酸氮芥。

图2. 双核金催化去氯双硼化底物范围 （来源：Nat. Commun.）

当使用具有刚性骨架或者空间位阻较大的偕二氯代烷烃底物在双核金催化下能够顺利发生去氯单硼化反应，以中等到优秀的收率得到大位阻的α-氯代烷基硼酸酯产物（图3）。除了合成α-氯代烷基频哪醇酯衍生物，该反应也可以通过其他二醇与儿茶酚酯中间体发生酯交换来实现不同环状硼酸酯衍生物的高效合成。

图3. 双核金催化去氯单硼化底物范围（来源：Nat. Commun.）

紧接着，作者发现在氟化钾存在下能够顺利实现双核金催化的去氯氢硼化反应（图4）。研究发现，苯丙基偕二氯烷烃的芳基上不论是吸电子基团还是给电子基团，去氯氢硼化反应均不受影响并能够以中等至优异的产率得到目标产物。不同环状取代的偕二氯代烷烃都可以在标准反应条件下转化为所需的产物。该反应同样也适用于复杂分子的后期修饰。

图4. 双核金催化去氯氢硼化底物范围 （来源：Nat. Commun.）

为了证明该方法的实用性，作者也进行了克级规模实验，同样获得了令人满意的结果。利用连续流合成技术能够显著提升去氯硼化的反应效率。此外，可以将产物中C-B键进行多种官能团转化，进一步提升合成价值（图5）。

图5. 合成应用（来源：Nat. Commun.）

随后，作者对双核金催化的去氯硼化反应的机理进行了详细研究（图6）。自由基捕获实验表明该反应经历了自由基过程。控制实验说明α-氯硼酸酯是形成最终产物的可能中间体，氘代实验则证明了氢硼化反应的氢源主要来自于溶剂。紫外-可见实验可以看出溶剂络合的B2cat2与双核金催化剂之间存在相互作用。核磁追踪实验进一步验证了上述的结果。

图6. 机理探究（来源：Nat. Commun.）

最后，作者提出了可见光诱导双核金催化发散性去氯硼化反应的可能机制（图7）。首先，酰胺类溶剂与B2cat2原位生成溶剂络合的双硼复合物（75）。随后，该复合物与双核金催化剂弱配位形成新的双核金复合物（76）。在可见光照射下，形成激发态中间体（77）。其随后与偕二氯代物发生内层单电子转移，产生相应的氯烷基自由基中间体。该高活性的自由基物种可以快速发生形式上的分子内自由基加成过程，得到α-氯代硼酸酯中间体（80），并释放Au(I)-Au(II)中间体（81）及α-硼氨基自由基（82）。最后，自由基物种82与Au(I)-Au(II)中间体发生单电子氧化生成α-硼氨基自由基阳离子（83）并完成催化循环。另一方面，生成的α-氯代硼酸酯中间体（80）可以发生后续的接力去氯自由基硼化生成双硼化产物（84），或者通过与溶剂发生氢原子转移过程得到氢硼化产物（85）。

图7. 可能的反应机制（来源：Nat. Commun.）

综上所述，谢劲课题组发展了可见光诱导双核金催化偕二氯代烷烃的发散性去氯硼化反应。在温和条件下，从来源广泛的偕二氯代烷烃出发，能够合成一系列结构多样高附加值的烷基硼酸酯、α-氯硼酸酯和偕二硼酸酯（“一石三鸟”）。机理研究表明，双核金催化剂和溶剂络合的B2cat2之间的弱配位作用在惰性C−Cl键活化以及接力去氯硼化过程中起着重要作用。

该工作以“Dinuclear gold-catalyzed divergent dechlorinative radical borylation of gem-dichloroalkanes”为题发表在Nature Communications（https://www.nature.com/articles/s41467-024-48085-8）。南京大学2020级博士生嵇成龙为该论文的第一作者，谢劲教授为论文通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金（22122103, 22101130）、国家重点研发计划（2022YFA1503200，2021YFC2101901）、中央高校基本科研业务费专项（020514380304, 020514380252, 020514380272）、江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX23_0104）、配位化学国家重点实验、江苏省先进有机材料重点实验室和化学与生物医药创新研究院（ChemBIC）的支持。

教授简介

谢劲，化学/化学工程博士生导师，课题组长。2017年7月加入南京大学化学化工学院和配位化学国家重点实验室开展独立科研工作。研究方向为金属有机化学、自由基化学与战略有机新材料，通过分子构筑新概念和新策略的发展与创新，跨学科解决科学领域中存在的重大挑战。已在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Nat. Chem., Nat. Catal., Nat. Synth., Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.等国际著名学术期刊发表论文80余篇，被引5500余次；申请专利20项，授权国际专利1项，中国专利12项。研究成果多次被Nat. Catal., Synform, Synfacts等亮点介绍，Angew. Chem.在“Author Profile”专栏进行了人物专访介绍。现受邀担任国际学术期刊Gold Bulletin和Frontiers in Chemistry的副主编; Science China Chemistry、Chinese Journal of Chemistry、Heteroatom Chemistry、《合成化学》、《有机化学》和Chemical Synthesis等期刊（青年）编委。

邀稿

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