通过1,2-硼迁移实现的光氧化还原硼羰基化反应

《Catalysis Science & Technology》：Photoredox borocarbonylation through 1,2-boron migration

本研究通过可见光光催化还原，实现了1,2-硼迁移的羰基化反应，利用一氧化碳作为C1源捕获烷基自由基，在温和条件下高效合成结构复杂的β-硼酰亚硫酸酯，并展示了单分子功能团迁移的可能性。

　　在有机合成领域，有机硼化合物一直被视为构建复杂分子的重要基石。它们广泛应用于药物化学、功能材料、生物活性分子以及合成方法学等多个方向。近年来，随着对硼迁移反应的深入研究，科学家们在开发新的合成策略方面取得了显著进展。然而，涉及羰基化反应的1,2-硼迁移仍是一个未被充分探索的领域，目前尚缺乏有效的策略将外部的羰基基团引入目标分子中。为解决这一问题，本研究提出了一种前所未有的方法，通过可见光光氧化还原催化，实现了1,2-硼迁移与羰基化的协同过程。该方法利用一氧化碳（CO）作为一种廉价且易于获取的C1源，对迁移后产生的烷基自由基进行捕获，从而在温和条件下高效地合成结构复杂且功能多样的β-硼基硫酯类化合物。

这种反应机制不仅提供了合成β-硼基硫酯的新途径，还展示了在同一分子内实现官能团迁移的可能性。通过连续的CO?释放、1,2-硼迁移和CO插入过程，能够实现羰基与硼基在分子中的位置互换。这种官能团迁移能力在有机合成中具有重要价值，因为它允许在不破坏其他官能团的前提下，精准地调整分子结构。这在合成复杂有机分子时尤为重要，因为传统方法往往受限于反应条件的苛刻性或对官能团的兼容性不足。

为了验证该方法的可行性，研究者首先对模型反应进行了条件优化。该模型反应涉及1,3-二氧代异吲哚啉-2-基-3-环己基-3-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧杂硼烷-2-基)丙酸酯（1a）与S-(对甲苯基)4-甲基苯磺硫酯（2a）在可见光照射下进行反应。通过系统地调整催化剂种类、还原剂用量、碱的浓度以及溶剂的极性，最终确定了最佳反应条件。其中，酸性红色94（Acid red 94）作为催化剂表现出最佳的催化效率，同时乙酸乙酯（EA）作为溶剂也显示出较高的反应活性。优化后的反应体系在室温下、40 W蓝光LED照射下，经过18小时反应，能够以69%的产率高效地得到目标产物3a。

在确认最佳反应条件后，研究团队进一步考察了该反应对多种底物的适用性。结果显示，该方法在多种β-硼基NHPI酯和硫酯类底物中均表现出良好的普适性。无论是线性烷基链还是环状结构，均能顺利进行1,2-硼迁移并最终生成所需的β-硼基硫酯。此外，反应对官能团的耐受性也得到了验证，包括含有电子供体基团（如甲基、甲氧基）和电子受体基团（如三甲基硅基）的底物均能良好地参与反应。值得注意的是，该方法不仅适用于常规的烷基硫酯，还成功应用于含有烯基的硫酯类底物，通过自由基加成反应生成具有乙烯基功能的酮类产物，进一步拓展了该方法的应用范围。

为了深入理解该反应的机理，研究团队设计了一系列控制实验，以排除可能的副反应并确认关键步骤的存在。实验结果表明，自由基中间体在反应过程中起着至关重要的作用，且反应体系对光催化剂、碱、还原剂以及可见光照射均具有高度依赖性。例如，在存在自由基捕获剂（如TEMPO）的情况下，反应被完全抑制，而通过高分辨率质谱（HRMS）检测到的自由基捕获产物则进一步支持了自由基反应路径的合理性。此外，当省略其中任何一个关键组分（如光催化剂、碱、还原剂或光照）时，反应无法有效进行，这表明各组分在催化循环中扮演着不可或缺的角色。

基于这些实验结果，研究团队提出了一个可能的反应机理。该机理认为，光催化剂在可见光照射下被激发，随后通过单电子转移（SET）过程将电子转移至β-硼基NHPI酯，生成相应的自由基阴离子。随后，自由基阴离子经历脱羧反应，释放出CO?并形成更稳定的烷基自由基。该烷基自由基通过1,2-硼迁移转化为更稳定的中间体，再与CO发生反应，生成酰基自由基。最后，该酰基自由基与硫酯底物发生反应，完成最终的产物形成。这一机制不仅解释了反应的高效性，还揭示了其对反应条件的高度敏感性。

该方法的合成价值不仅体现在其对多种底物的适用性上，还体现在其对后期官能团修饰的兼容性。通过进一步的实验，研究团队展示了该方法在后期合成中的灵活性。例如，β-硼基硫酯化合物可以通过多种方式进行功能化修饰，包括转化为更稳定的三氟硼酸盐（7）、通过与乙烯基镁溴化物反应生成乙烯基化产物（8），以及通过氧化反应生成相应的醇类化合物（9）。这些反应路径表明，该方法不仅能够高效合成目标分子，还为后续的结构多样化提供了广阔的可能性。

此外，该方法在合成复杂分子中的应用也显示出其在药物化学和功能材料领域的潜力。通过在反应后期引入不同的官能团，研究者能够快速构建具有多种功能的分子，这对于开发新型药物分子或功能材料至关重要。例如，该方法可以用于构建具有特定位置的硼基官能团，从而实现对分子结构的精准调控。这种调控能力使得该方法在合成过程中具有更高的选择性和可控性，为后续的反应设计提供了新的思路。

在实验过程中，研究团队还发现，该反应的高效性不仅依赖于催化剂和反应条件，还与底物的结构密切相关。例如，当底物中含有较长的烷基链时，反应仍能保持较高的产率，表明该方法对官能团迁移的耐受性较强。同时，该反应对不同类型的硫酯底物（如含不同取代基的硫酯）均表现出良好的兼容性，进一步验证了其广泛的适用性。这些发现不仅拓展了有机硼化学的应用边界，也为未来的合成方法学研究提供了新的方向。

为了进一步证明该方法的实用性，研究团队还进行了扩大规模的实验。结果显示，该反应在从0.1 mmol到1.0 mmol的规模下均能保持较高的产率，表明其在工业化生产中的可行性。同时，该方法在不同反应条件下（如不同温度、光照强度、反应时间）均表现出良好的稳定性，为后续的放大实验和实际应用奠定了基础。

综上所述，本研究提出了一种基于可见光光氧化还原催化的新型1,2-硼迁移与羰基化反应方法，为合成结构复杂且功能多样的β-硼基硫酯提供了高效、温和且普适的策略。该方法不仅拓展了有机硼化学的应用范围，还为实现分子内官能团迁移提供了新的工具。此外，其对多种底物的兼容性和对后期官能团修饰的灵活性，进一步凸显了其在有机合成中的重要价值。这一成果有望为药物分子设计、功能材料开发以及合成化学的进一步发展提供重要的理论支持和实验基础。