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AG真人 AG平台AG真人 AG平台碳硼烷是一类由硼、碳和氢原子构成的笼状硼簇化合物，具有三维芳香性，常被看作为苯的三维类似物。其中，中性的二十面体闭式碳硼烷（C2B10H12）因其笼状刚性结构、热稳定性、高含硼量、低毒性及独特的电子效应等性质，被广泛应用于生物医药、催化剂、发光材料、配位化学和超分子化学等众多领域。
由于硼、碳原子电负性的差异，碳硼烷碳端的修饰反应常常利用其碳氢键的弱酸性（如邻-碳硼烷的pKa = 23.3 in DME）得以实现；相比之下，碳硼烷的十个硼氢键极性小且所处化学环境类似，这使得碳硼烷硼氢键的选择性修饰更具挑战性。
然而，在通常情况下碳硼烷碳端取代和硼端取代导致相反的电子效应（碳端：吸电子效应；硼端：给电子效应），而有限的合成策略限制了碳硼烷硼端衍生物的应用发展，相关功能材料的合成和性质研究相对缺乏。
近年来，过渡金属催化的硼氢键活化、芳香亲核取代和亲电取代等反应策略推动了碳硼烷硼氢键选择性官能团化反应的蓬勃发展（图1B）。然而，随着近年来对于硼簇化合物的一些新型应用场景的提出——例如硼中子俘获疗法（BNCT）抗癌硼药的合成和筛选、碳硼烷新型发光材料的构建等——也为碳硼烷的修饰化学提出了新的要求：即通过更加温和、绿色、简洁的反应将碳硼烷砌块带入有机功能分子片段，以实现相应功能材料的高效构建。
针对以上情况，香港中文大学谢作伟教授课题组及UCLA Prof. Alex Spokoyny课题组在非过渡金属催化条件下碳硼烷衍生物的自由基转化已做了创新性研究（Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 3166; J. Am. Chem. Soc.2020, 142, 4586; J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 7960; Org. Lett.2022, 24, 7497）。近期，南京大学燕红课题组以碳硼烷羧酸化合物为自由基前体，基于可见光催化的氧化脱羧反应，经由碳硼烷硼自由基中间体实现了碳硼烷富电子B(9)位点的模块化修饰（Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202205672）。但受限于碳硼烷硼氢键的高键能（calcd. 96.5−101.7 kcal/mol，图1A）和彼此键能相似所带来的选择性问题，目前上述策略均需预先活化碳硼烷指定位点的硼氢键以合成自由基前体。因此，直接从硼氢键出发，发展碳硼烷硼自由基的新型生成路径及相应的选择性修饰方法有着重要的意义。
最近，燕红教授团队报道了利用氮自由基（NCR）介导的氢原子转移（HAT）反应断裂碳硼烷硼氢键，以生成高活性的硼笼硼自由基，并由此实现了碳硼烷硼端的多样化修饰（图1C）。该反应由可见光驱动，具有反应条件温和、无需金属和氧化剂、适用范围广等特点；且相比传统的碳硼烷硼氢键活化的“异裂”型机理，该策略从自由基反应的角度为碳硼烷硼氢键的选择性修饰提供了新的视角和通路。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.3c01314）。
图1. 碳硼烷硼氢键的氢原子转移（HAT）反应及相关背景（来源：JACS）
作者合成并尝试了叔丁基酰胺和磺酰胺骨架的高亲电性氮自由基（NCR）前体（图2A），并通过自由基捕获实验成功得到碳硼烷硼自由基的捕获产物（图2B），从而证实了NCR介导的碳硼烷硼氢键HAT反应的可行性。
在此基础上，作者以间位碳硼烷为起始底物，针对硼氢键的硫化反应对反应条件进行优化（图3A）。在标准条件下，该氢原子转移反应主要发生在最为富电子的B(9)位点。同时经过DFT计算，该位点也是B–H键解离能（BDE）相对最低的位点（图3C）。除此之外，体系中仍存在少量B(5)和B(4)两个位点的副产物，通过核磁分析可确定三个硫化产物的比例约为14:1:1。
之后作者针对B(9)位点的硫化反应，分别对间位碳硼烷、对位碳硼烷和邻位碳硼烷进行底物拓展，以中等至良好的产率得到了一系列碳硼烷基芳基硫醚产物，硫化反应则均主要发生在键解离能最低的硼氢位点（图4）。该反应对于酯基、硅基、硝基、醚键等官能团以及各类杂环基团（包括噻吩、吡啶、苯并噻唑、异噁唑和苯基咔唑等）均具有较好的官能团容忍度。
此外，通过更换使用其他的自由基受体，该碳硼烷的氢原子转移反应同样可适用于其他类型的修饰反应，譬如三氟甲硫基化（图4）、硒基化、炔基化、烯基化、氰基化和卤化（图5）。证明了该HAT反应策略具有较好的反应性和适用范围。根据自由基捕获实验、机理研究（图6左）及参考文献，作者对可能的机理进行了验证和总结（图6右）。
综上所述，燕红课题组报道了二十面体碳硼烷硼簇化合物的氢原子转移（HAT）反应，从硼氢键出发直接生成亲核性碳硼烷硼自由基，并基于此实现了无金属条件下碳硼烷富电子硼位点的硫化、硒化、炔基化、烯基化、氰基化和卤化反应，从而避免了以往报道中额外的预活化过程（如自由基前体的制备、导向基团的安装等）。该反应条件温和、底物适应性优良且开辟了新的碳硼烷硼氢键选择性官能团化的合成路径，在新型硼药研发和硼簇发光材料的合成等相关领域展现了应用潜力。
