【Nat. Commun.】全氟烷基链的拉链式多脱氟-单硼化反应

导读

由于C–F键的高键能与全氟烷基的化学惰性，全氟烷基链的选择性脱氟仍是一项颇具挑战性的研究课题。近日，瑞典乌普萨拉大学Jan Streuff课题组报道了一种拉链反应（zipper reaction），在保留碳骨架的前提下，可将全氟烷基化烯烃完全脱氟，从而转化为具有合成应用价值的线性烷基硼烷。该反应具备可放大性，且可通过简单过滤以氟化锂（LiF）的形式回收氟离子。该方法还可应用于偕二氟烯烃底物，其正是迭代脱氟反应过程的关键中间体。相关研究成果发表在Nat. Commun.上（DOI: 10.1038/s41467-026-77437-9）。

背景及出发点

由于C–F键的高键能，有机分子中氟取代基的脱除与取代极具挑战性。因此，C–F键活化方法的开发在过去数十年间一直是核心研究方向之一。其中，全氟烷基基团化学性质惰性且高度非极性，不仅使其脱氟反应难度极大，更导致全氟烷基化合物（PFAS）具有持久性与生物累积性，引发了诸多严峻的环境与健康问题。目前，利用分子试剂与催化剂开展的脂肪族C–F键活化研究，大多聚焦于苄位氟、烯丙位氟及α-羰基位氟底物，这些位点可通过稳定离子或自由基中间体促进C–F键断裂。相比之下，长链全氟烷基的脱氟反应难度显著更高，相关研究也更为匮乏。造成这一现状的主要原因在于，PFAS中C–F键与过渡金属试剂或催化剂发生氧化加成的过程，在热力学与动力学上均受到阻碍。尽管如此，诸多研究团队通过多种其他活化途径实现了全氟烷基化合物的脱氟反应（Fig. 1a），如强Lewis酸活化、碱诱导的（脱羧）、金属中间体的β-F消除和SET还原。尽管这些研究成果令人瞩目，但现有方法通常存在反应时间长、长链全氟烷基底物转化率低以及碳骨架断裂等缺陷。此外，这类研究往往仅通过反应混合物的气相色谱或离子色谱测定转化率来报道反应结果，而未给出分离提纯产物的实际产率。早在六十多年前就有研究报道，将多氟乙烯类化合物或3,3,3-三氟丙烯置于气相中与乙硼烷（B₂H₆）反应，可得到脱氟产物及脱氟-硼化产物的混合物（Fig. 1b）。尽管该反应选择性差且脱氟不彻底，但这些早期实例展现出了硼烷引人关注的脱氟反应活性。脱氟硼化反应也可通过过渡金属催化实现，但目前仅适用于氟代芳烃与烯烃底物，且很少能一次脱除一个以上的氟原子。近日，瑞典乌普萨拉大学Jan Streuff课题组报道了一种操作极其简便的彻底多脱氟-单硼化(polydefluorination-monoborylation)反应，该反应攻克了上述所有难题，可将烯烃键合型全氟烷基与偕二氟烯烃转化为烷基频哪醇硼酸酯（Fig. 1c）。此外，该反应可在克级规模下通过过滤直接回收以氟化锂（LiF）形式存在的氟离子。

（Fig. 1，图片来源：Nat. Commun.）

图文解析

首先，作者以β-三氟甲基苯乙烯衍生物1a作为模型底物，对反应条件进行了大量的筛选（Table 1）。筛选结果表明，当以HBpin作为硼试剂，LiOMe作为碱，2-MeTHF作为溶剂，在85 ℃下反应，可以95%的收率得到线性烷基硼烷产物2a。

（Table 1，图片来源：Nat. Commun.）

在获得上述最佳反应条件后，作者对底物范围进行了扩展（Fig. 2）。研究表明，一系列全氟烷基化烯烃衍生物，均可顺利进行反应，获得相应的产物2a-2m，收率为59-95%。其中，线性烷基硼烷均以高区域选择性作为主要产物。同时，偕二氟烯烃，也是合适的底物，获得相应的产物4a-4m，收率为47-86%。

（Fig. 2，图片来源：Nat. Commun.）

紧接着，作者对反应的实用性进行了研究（Fig.3）。首先，1e的克级规模实验，同样可以74%的收率得到线性烷基硼烷产物2e。同时，通过简单的过滤分离即可回收LiF，并可通过蒸馏进一步分离回收HBpin与MeOBpin。其次，以1e为底物，可分别进行脱氟-氧化反应（如5）及脱氟/Suzuki偶联串联反应（如6）。此外，工业用全氟烷基化合物（PFAS）氟调聚醇7经羟基消除反应，再经多脱氟-硼化反应转化为一级硼烷化合物2k，总产率为50%。

（Fig. 3，图片来源：Nat. Commun.）

随后，作者对反应机理进行了研究（Fig.4）。减少HBpin当量（conditions A）及减少HBpin/LiOMe当量（conditions B）的实验，随后对反应混合物进行了GC-MS分析发现，尽管并非所有预期中间体都能被检测到，但这两组实验结果支持迭代反应机理，且证实甲醇锂可促进1,2-脱硼-脱氟反应（Fig. 4a）。在化合物1a与DBpin的脱氟-氘代硼化实验中，苄位与高苄位的氘掺入率为50%，而原三氟甲基碳上则实现了完全氘代（Fig. 4b）。这一氘分布特征与迭代硼氢化-消除反应机理的预期分布完全吻合。氘代氟苯乙烯与HBpin的对照实验，证实了脱除硼基与氟取代基的消除步骤按反式消除机理进行（Fig. 4c）。通过对反应过程的监控发现，该反应在4小时后即已进行完全，并证实烯烃8和9为反应的主要中间体（Fig. 4d）。基于上述的研究以及相关文献的查阅，作者提出了一种合理的反应机理（Fig. 4e）。首先，该反应始于烯烃官能团的硼氢化反应，该步骤可通过LiOMe与硼形成硼酸盐配合物而加速。区域选择性由连有CF₃的烯烃碳上更高的电荷密度所控制，使硼化反应优先发生在该位点，进而生成中间体A。其次，锂阳离子活化β-位上的一个氟原子，通过如图所示的过渡态促进反式-1,2-消除反应，生成偕二氟烯烃中间体B，其通过硼氢化反应生成中间体C。随后，消除与硼氢化反应的反复进行，最终生成完全脱氟的烯烃中间体D。中间体D再以常规的直链选择性发生最后一步硼氢化反应，得到最终产物。

（Fig. 4，图片来源：Nat. Commun.）

总结

瑞典乌普萨拉大学Jan Streuff课题组开发了一种操作简便的彻底脱氟-单硼化反应，可通过"拉链式"过程将连有烯烃官能团的直链全氟烷基上的所有氟原子悉数脱除，并将其转化为直链烷基频哪醇硼酸酯。研究证实，该反应经由迭代硼氢化/反式脱氟硼化机理进行，其中偕二氟烯烃为关键中间体，而偕二氟烯烃本身也可独立发生多脱氟硼化反应。

论文信息

Zipper polydefluorination-monoborylation of perfluoroalkyl chains

Sanne L. Albers, Johanna K. Harzendorf, Marie Deliaval, Johanne Köllmann, Jan Streuff

Nat. Commun. DOI: 10.1038/s41467-026-77437-9

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