JACS:可见光诱导C-O、C-N、C-X键的硼化

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硼酸化合物在有机合成、催化、材料科学、药物发现和分析化学领域有着日益增长的重要应用。鉴于芳香族硼酸的重要性,最好能有一个单一的催化策略,能使所有常见的碳杂原子键[包括C-O、C-N和C-X(X=Cl、Br和I)键]进行硼化。自从紫外光诱导的Ar-X和Ar-N硼化被发现以来,研究人员开发了许多方法实现一些芳基杂原子键的硼化。尽管取得了令人瞩目的进展,但仍需努力开发一个更加普适的光催化策略,已实现更具可持续性和官能团耐受性的碳-杂原子键的硼化反应

 

近日,美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校Oleg V. Larionov课题组报道了一种无金属、可见光诱导的一系列碳杂原子键的硼化反应。该成果以Article形式发表在J. Am. Chem. Soc. 上(DOI: 10.1021/jacs.9b12519)。


(来源:J. Am. Chem. Soc.


首先,作者研究了C-O键的硼化。作者以芳基磷酸酯这样一类具有非常负的还原电位的物质作为可见光诱导C-O键活化的底物,并选择吩噻嗪PTH1这种普通而廉价的商品化学品作为光催化剂。作者假设PTH1可以在适当的碱存在下与芳基磷酸酯进行光诱导的质子耦合电子转移(PCET)过程,通过这种明显不同的光活化历程,有效地提高了其还原强度,并通过与二硼化试剂的均相取代实现接下来的硼化反应。研究表明,未经取代的催化剂PTH1对于芳基硼化具有独特的光催化活性,而N-氢原子被甲基或苯基(PTH2PTH3)取代后导致催化活性显著降低。而结构相似的NH-吩噻嗪PTH4表现出稍有改善的性能,可能是由于更富电子的核结构具有更强的还原性(Table 1)。


(来源:J. Am. Chem. Soc.


对照实验表明,在没有光照、PTH1或碳酸铯的条件下,硼化产物是不能生成的。加入能改善碱溶解性和相转移的试剂水和18-冠-6后观察到硼化反应速度更快,因此作者认为碱在催化过程中起到重要作用。其他碱也能促进硼化反应,但碳酸铯表现出最佳的性能(Table 2)。


(来源:J. Am. Chem. Soc.


接下来,作者扩展了光催化芳基磷酸酯硼化的底物范围。富含电子的磷酸酯(2-11)容易被硼化。与药物相关的氟取代底物(1213),以及酰胺(14)和氨基甲酸酯(15)均可以适用于该反应。带吸电子基团(如氰基,氧硼基,酯基)的芳基磷酸酯同样是合适的底物(16-18)。苯环上不同位置被取代的底物均能够顺利反应(18-20)。此外,作者还进行了克级规模的合成(317)。含有各种N-杂环的芳基磷酸酯产率较高(21-28)。此外,联苯和萘衍生的磷酸酯也容易被硼化(29-30)。作者对雌酮、雌二醇、酪氨酸、酪胺和吗氯贝胺的衍生物进行了光诱导的C-O硼化(31-35),表明该方法可用于天然酚类和药用酚类的硼化反应。


 

(来源:J. Am. Chem. Soc.


作者接着扩展该方法在C-N键硼化方面的应用(Table 4)。作者以芳基季铵盐为底物,其在PTH1-光催化下可以顺利进行C-N键硼化反应(3)。苯环上邻位、间位和对位的取代基耐受性良好(4937-41)。药物相关的含氟底物容易被硼化(39-42)。酯基和砜基(42-43),以及萘盐(30)和含杂环的产物(44-46)产率较高。此外,一些具有良好生物活性分子也可很好地进行硼化(47-48)。



 (来源:J. Am. Chem. Soc.


作者还将此方法拓展至卤代芳烃的硼化反应(Table 5)。卤代芳烃是最常用和容易得到的硼酸前体化合物,尽管氯苯和对氯甲苯的还原电位很低,但它们仍能很好地转化为相应的硼酸酯32。氧硼基、巯基、无保护的氨基、酰胺、酯和其他吸电子基团耐受性良好(161760-70)。各种二芳基和多环卤代芳烃(2930, 68-74)被转化为相应的硼酸酯,所得目标产物产率良好并与卤素离开基团无关。


 

(来源:J. Am. Chem. Soc.


杂环硼酸盐是许多交叉偶联反应的关键前体,作者评估了大量杂环前体在新催化体系中的适用性(Table 6)。众多取代吡啶硼酸酯(75-84),以及硼化喹啉、吲哚和咔唑(85-91)均能顺利反应。作者也评估了硼化杂环(92-95)的反应性能。含氧和含硫杂的环化合物也可耐受(96-100)。新的硼化反应体系在复杂的天然产物和一些药物分子中同样可以很好地进行(Table 7)。


 

(来源:J. Am. Chem. Soc.


 

(来源:J. Am. Chem. Soc.


新催化体系也可用于一步引入两个硼基,合成的二硼芳烃可作为磷光材料得到应用(Table 8)。此外,作者还以二硼酯作为硼化试剂进一步拓展了该催化体系的应范围(Table 9)。


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(来源:J. Am. Chem. Soc.


自由基时钟实验、核磁共振波谱法、荧光淬灭实验以及该催化反应的N-取代基效应等一系列的机理实验均表明,PTH1的光氧化还原催化作用是由一个质子耦合电子转移过程实现的,该过程源于PTH1-碳酸盐相互作用,从而实现以前不适用于该类光催化的底物的硼化。

 

小结:作者开发了一种无金属、可见光诱导的一系列碳杂原子键的硼化策略。光催化是由简单的,丰富易得的低分子量杂环化合物吩噻嗪PTH1和碱通过质子耦合电子转移机制以将具有低还原电位的碳杂原子键硼化,该反应具有极好的官能团耐受性。


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