双硼烷催化的炔烃磺烯基化：两个B还是不是两个B？

《Chemical Science》：A focus on double borane-catalysed sulfenylation of alkynes: two B’s or not two B’s?Open Access

　　

研究人员重点介绍了Melen、Baik及其同事（Mu-Hyun Baik, Rebecca L. Melen et al., Chem. Sci., 2026, 17, 11682, https://doi.org/10.1039/d6sc01123c）最近报道的关于B(C₆F₅)₃催化的炔烃环化磺烯基化（annulative sulfenylation）反应，该反应可生成一系列五元和六元杂环化合物。

近年来，开发地球丰产主族催化剂以替代过渡金属用于工业相关化合物的合成与官能化受到广泛关注。硼烷试剂因强路易斯酸性而处于研究前沿。与过渡金属通过金属–配体成键和反馈键协同活化键不同，硼依靠其空p_z轨道接受电子密度。三(五氟苯基)硼烷（B(C₆F₅)₃）因高亲电性和高热稳定性而应用广泛，最初用作Ziegler–Natta烯烃聚合的引发剂，后成为Stephan受阻路易斯酸碱对（frustrated Lewis pairs, FLPs）的关键组分，并作为路易斯酸用于环化、C–H活化及脱氢等有机反应。然而，在炔烃磺烯基化反应中，B(C₆F₅)₃的活化模式尚不完全清楚，尤其是是否存在多分子协同活化的问题有待阐明。为此，Melen、Baik及同事在前期烯烃硫杂环丙烷（thiiranium）中间体研究的基础上，将B(C₆F₅)₃催化体系拓展至炔烃底物，系统考察了N-(芳硫基)琥珀酰亚胺（1）与各种炔烃的环化磺烯基化反应，并深入研究了其反应机制。

研究人员发现，在B(C₆F₅)₃催化下，2-炔基苯酚（2, X = O）和保护的2-炔基苯胺（2, X = NTs）可高效转化为苯并[b]呋喃和3-磺烯基吲哚（4）；炔丙基醚（3, Y = O）、1,4-二苯基丁-1-炔（3, Y = CH₂）以及保护的炔丙基苯胺（3, Y = NTs）同样能发生反应，生成相应的六元环产物（5），产率良好。该反应对多种官能团具有耐受性。此外，苯胺和苯酚的二炔衍生物可通过环化π-扩展（annulative π-extension, APEX）反应转化为磺烯基化的多环芳香杂环，并表现出有趣的荧光性质。总体而言，研究人员提出了一种无金属的合成策略，能够获得多种具有生物相关性的杂环化合物。

为阐明反应机理，研究人员采用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）对模型酚类产物进行了计算。结果发现，与以往烯烃底物中单个B(C₆F₅)₃分子活化硫代琥珀酰亚胺的机制不同，炔烃磺烯基化反应经历双路易斯酸活化：两个B(C₆F₅)₃分子分别配位于硫代琥珀酰亚胺的两个羰基氧原子，从而生成关键的硫杂环丙烷鎓（thiirenium）中间体（图2）。DFT计算表明，从单配位硫代琥珀酰亚胺生成该中间体的能垒为23.96 kcal mol^?1，而双配位物种的能垒仅为21.77 kcal mol^?1，说明双活化途径在动力学上更有利。实验观测支持了这一双路易斯酸活化路径：将硫代琥珀酰亚胺与B(C₆F₅)₃进行滴定实验，发现当[B(C₆F₅)₃]与[硫代琥珀酰亚胺]比例较高时，双配位物种浓度最高。当催化剂负载量从10 mol%提高至20 mol%时，双活化中间体的浓度增加超过四倍，反应速率也显著加快。值得注意的是，反应体系中副产物琥珀酰亚胺能与B(C₆F₅)₃相对较强地结合，导致反应过程中有效催化剂浓度逐渐降低，从而抑制双活化物种的形成。因此，在反应后期，单活化途径可能逐渐占据主导。但研究人员令人信服地证明，反应至少在最初始阶段由两个B(C₆F₅)₃分子协同活化底物。

该发现引发了对双路易斯酸活化现象普遍性的思考。在文献中，使用两当量简单路易斯酸催化剂促进转化的例子并不少见，但通常是由于催化剂分解或副产物不可逆结合消耗了一当量路易斯酸所致；而明确证明两个路易斯酸同时结合并活化同一底物的例子则较为罕见。若底物存在双活化的可能性，则采用较高催化剂负载量以克服平衡效应、接近双活化中间体是一种值得尝试的策略。在Melen、Baik等人的工作中，路易斯酸的强度需要精细平衡：它必须足够强以（双）活化硫代琥珀酰亚胺，但又不能过强而被琥珀酰亚胺副产物完全螯合。以BF₃·OEt₂作为对照催化剂时，在10 mol%负载量下合成测试的磺烯基吲哚产物仅获得36%产率，而B(C₆F₅)₃的产率为88%。然而，若提高BF₃·OEt₂的负载量能够通过开启双活化途径而显著加速反应，则其简单易得的特性或使其成为有吸引力的催化剂选择。

总之，该研究围绕一个精巧而系统的课题展开，成功构建了一系列带有硫取代基的五元和六元杂环。除了产物本身的应用价值外，该工作还证明了两个路易斯酸在同一底物上协同作用对驱动反应的关键作用。这些结果将为未来有机转化中最优化路易斯酸催化剂的设计提供重要指导。研究结论可翻译为：本文聚焦于一项优雅而深入的研究，该研究能够生成一系列带有硫取代基的五元和六元杂环。除了产物的直接应用外，该研究还揭示了两个路易斯酸协同作用于底物以驱动反应的关键作用。这些结果将有助于为未来的有机转化设计最优的路易斯酸催化剂。