锌硼基化合物解锁超越亲核硼化的多样性反应路径

研究人员针对锌硼基物种反应性未被充分探索的问题，开展新型锌硼基化合物合成研究。通过β-二酮亚胺配体稳定锌硼键，成功实现两性亲核/亲电反应性，催化偶氮苯二硼化并揭示碳氮键断裂机制。DFT计算阐明锌硼键强共价性，为合成化学提供全新策略，发表于《Nature Communications》。

　　

在合成化学领域，硼化反应因其能高效构建碳硼键而成为关键工具，广泛应用于药物和材料分子合成。然而，传统金属硼基试剂（如锌硼基物种）的反应路径长期局限于亲核硼化模式，其多样性反应性未被充分开发。尤其锌硼键（Zn-B）的独特性质——潜在的两性亲核/亲电双重角色——因缺乏稳定合成方法而难以探索。现有锌硼基化合物多依赖锂硼基前体或大位阻配体，导致反应活性受限，无法激活惰性化学键（如C=N或N=N）。这一瓶颈阻碍了新型硼功能化分子的高效合成。为此，研究人员通过创新策略，首次从常见二硼酯出发合成稳定锌硼基化合物，揭示其超越常规的反应潜力，为绿色催化与功能分子设计开辟新途径。

香港城市大学的研究团队利用β-二酮亚胺（β-diketiminate）配体稳定锌中心，通过锌氨基化合物与B₂cat₂的复分解反应合成目标锌硼基化合物。结合单晶X射线衍射、核磁共振（NMR）和质谱（HRMS）完成结构表征。密度泛函理论（DFT）计算分析电子结构，自然键轨道（NBO）和量子拓扑（QTAIM）方法量化键合性质。反应性测试涵盖亲电体（甲基碘）、不饱和底物（二环己基碳二亚胺DCC、异腈、偶氮苯），并通过变温实验捕获中间体。催化性能评估采用10 mol%催化剂量，在甲苯中实现偶氮苯二硼化，底物拓展包括电子效应取代基。所有计算基于BP86/wB97X-D泛函，溶剂模型模拟甲苯环境。

合成与表征

研究人员以锌氨基化合物为前体，与B₂cat₂在甲苯中反应，成功合成锌硼基化合物1，收率53%。单晶结构显示其为二聚体，Zn-B键长2.055(1) ?，弱Zn-O配位形成六元环稳定结构。溶液态DOSY NMR证实单体存在，¹¹B NMR信号39.7 ppm证实三配位硼特性。DFT计算揭示Zn-B键共价性强于镁/锂硼基物种：硼自然电荷+0.478（锌+0.950），NLMO轨道显示锌贡献更高电子密度，QTAIM证实共价键本质。

锌硼基化合物的反应性

亲核性与亲电性验证
化合物1与DMAP结合形成加合物3，X射线显示锌中心亲电性强于硼。与甲基碘反应生成MeBcat（¹¹B NMR 35.2 ppm），证明硼阴离子亲核性；同时生成锌碘物种4，HRMS验证路径。与DCC反应时，1展现两性性质：60°C下形成1,2-加成中间体6（五元环结构，晶体确认），85°C转化为锌亚胺5（C=N键断裂，插入Zn-B键生成Cy-氮宾等价物）。DFT计算（图7）表明反应经TS1（能垒22.4 kcal/mol）生成INT1（6的模型），TS2（26.5 kcal/mol）完成C=N裂解，硼亲电路径能垒低于亲核路径32.3 kcal/mol。

与异腈和偶氮苯反应
1与^tBuNC反应生成C-C偶联产物7：第一个异腈插入Zn-B键，第二个进攻硼中心形成四元C₂NB杂环（C=N键长1.280–1.301 ?）。与偶氮苯反应生成锌亚胺8（N-N键长1.434(3) ?），晶体显示Zn-N和B-N键形成。

催化应用
化合物1高效催化偶氮苯二硼化（82%收率，60°C）。底物拓展表明电子效应显著：吸电子基取代底物（如对氰基、对三氟甲基）反应顺利，供电子基（如对甲氧基）不反应。循环实验验证1通过再生催化：化合物8与B₂cat₂反应可回收1。

结论与意义

本研究成功合成首例基于B₂cat₂的稳定锌硼基化合物，突破传统亲核硼化局限。其强共价Zn-B键赋予独特两性反应性：作为亲核硼阴离子构建C-B键（如与MeI反应），同时作为亲电体活化惰性不饱和键。关键突破包括：（1）实现C=N双键断裂生成锌亚胺，模拟高价金属氮宾反应；（2）异腈C≡N键还原为C=N并触发C-C偶联；（3）催化偶氮苯二硼化，媲美贵金属催化剂效率。DFT计算阐明反应机制中Zn-B键的协同反应路径，为设计类似金属硼基试剂提供理论模型。该工作发表于《Nature Communications》，不仅拓展硼化化学的反应工具箱，更为功能分子（如含硼药物前体）的绿色合成奠定基础。未来可进一步探索锌硼基物种在碳氢键硼化或不对称催化中的应用潜力。