通过三氟甲磺酸酐促进/微波方法可持续合成B,B′,B″-三(芳基)硼吖嗪

《Green Chemistry》：Sustainable access to B,B′,B″-tri(aryl)borazines via a triflic anhydride-promoted/microwave approach

　　

将硼和氮掺杂到有机骨架中最近引起了科学界的广泛关注。在这方面，将硼吖嗪（borazine）单元引入分子骨架赋予了独特的光（opto）电子性质，这些性质与全碳类似物显著不同。尽管硼吖嗪类化合物具有诱人的特性并在材料科学中有潜在应用，但其广泛使用受到合成挑战的阻碍。具体而言，含硼吖嗪化合物的合成通常需要严格无水的条件、延长的反应时间以及使用危险的起始原料和溶剂。为解决这些局限性，研究人员开发了一种高效且更加环境友好的催化方案，用于合成B,B^′,B^″-三(芳基)硼吖嗪（B,B^′,B^″-tri(aryl)borazine），避免了金属和溶剂的使用。通过利用微波辅助加热，研究人员优化了反应条件，显著缩短了反应时间，同时使用三氟甲磺酸酐（triflic anhydride, Tf₂O）作为亚化学计量促进剂，并最大程度减少了六甲基二硅氮烷（hexamethyldisilazane, HMDS）的用量，而不影响产率或产物完整性。据研究人员所知，优化后的反应条件首次实现了多种底物的高效合成，为进一步探索其在先进材料开发中的潜在应用提供了有前景的基础。

**论文解读：三氟甲磺酸酐促进/微波辅助可持续合成B,B′,B″-三(芳基)硼吖嗪**

**研究背景与目的**

硼吖嗪（borazine）作为苯的“价电子异构体”，由交替的硼和氮原子组成六元环，其B-N键极性导致HOMO-LUMO能隙增大、芳香性降低，从而赋予材料独特的光电性质。自2005年Yamaguchi和Che分别报道六芳基硼吖嗪（HABs）和B,B′,B″-三(芳基)硼吖嗪以来，这类化合物在有机发光二极管（OLEDs）、无金属催化、氮化硼（hBN）及硼碳氮（BCN）杂化材料、金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）、聚合物陶瓷及纳米石墨烯掺杂等领域展现出广阔应用前景。然而，现有的B,B′,B″-三(芳基)硼吖嗪合成方法存在严重缺陷：传统路线需使用剧毒溶剂（如苯）、苛刻的无水条件、长反应时间（长达10天）以及危险的硼卤化物（如BCl₃）。例如，N?th等人在2005年报道的改进方法虽获得98%产率，但需在55°C下反应10天。此外，金属催化剂的使用会带来纯化困难和环境负担。鉴于欧盟持续推动能源脱碳，开发更安全、低能耗、环境友好的合成方案具有重要科学意义和应用价值。为此，研究人员旨在建立一种无溶剂、无金属、微波辅助、三氟甲磺酸酐催化的可持续合成策略，以高效制备多样化的B,B′,B″-三(芳基)硼吖嗪。

**研究内容与结论**

研究人员设计并优化了一种新型催化方案，以2-芳基-1,3,2-二氧硼杂戊环（cyclic boronic ester）为硼源、六甲基二硅氮烷（HMDS）为氮源，在三氟甲磺酸酐（Tf₂O）亚化学计量促进剂作用下，于150°C微波加热1小时，实现无溶剂条件下的环缩合反应。该方案成功合成了系列带有不同取代基（包括吸电子和给电子基团）的B,B′,B″-三(芳基)硼吖嗪，产率最高达98%。通过系统的环境可持续性评估（E因子、时空产率STY、EcoScale、安全/危害分数SHS），证明该协议在废物产生、反应效率、安全性和整体绿色度方面显著优于文献报道方法。研究发表于《Green Chemistry》。

**主要关键技术方法**

1. **微波辅助有机合成（MAOS）**：利用微波选择性介电加热，将传统加热72小时缩短至1小时，大幅降低能耗。
2. **亚化学计量三氟甲磺酸酐（Tf₂O）促进剂**：作为强路易斯酸活化N-Si键，替代金属催化剂，避免金属污染。
3. **环状硼酸酯（boronate）作为硼源**：采用2-苯基-1,3,2-二氧硼杂戊环等五元环硼酸酯，比硼卤化物更安全、稳定，且自缩合倾向低。
4. **无溶剂条件**：HMDS既作为反应物又作为反应介质，完全摒弃有机溶剂，显著降低E因子。
5. **新型分离纯化方式**：使用更安全的庚烷替代苯、正己烷、乙醚等有毒溶剂进行产物纯化。

**研究结果**

**1. 硼源和氮源筛选**
通过比较多种硼源（环状硼酸酯、硼酸、硼氧六环等）和氮源（HMDS、HMCS），发现五元环硼酸酯（如2-苯基-1,3,2-二氧硼杂戊环）因较高的路易斯酸性和环张力，在无催化剂常规加热条件下获得32%产率；而六元环硼酸酯或硼酸、硼氧六环均不理想。HMDS因沸点适中且兼容性好被选为氮源。
**结论**：五元环硼酸酯与HMDS是最优组合。

**2. 催化剂/活化剂筛选及反应参数优化**
测试多种路易斯酸（H₂SO₄、BBr₃、AlCl₃、FeCl₃、TfOH等），仅TfOH（49%产率）和Tf₂O（75%产率）有效。进一步优化HMDS用量和反应时间，发现1 mL HMDS（缺量）、60 mol% Tf₂O、150°C微波加热1小时为最佳条件，产率达98%。对比实验表明Tf₂O而非TfOH是活性物种。
**结论**：Tf₂O通过活化N-Si键高效促进环缩合，微波大幅缩短时间。

**3. 底物适用范围与局限性**
在优化条件下，成功合成了16种带有不同取代基（F、Cl、Br、Me、OMe、CF₃、CN等）的B,B′,B″-三(芳基)硼吖嗪，产率多数在60%-98%之间。但邻位大位阻取代基（如邻位甲基、异丙基）导致产率显著下降或未得到产物；间位和对位取代基耐受性良好。
**结论**：方法普适性强，但邻位位阻是关键限制因素。

**4. 环境可持续性评估**
与文献中4种含金属/不含金属方法对比，本协议的E因子仅为29.1（远低于其他方法的50-500），STY达85.16 g L^?1 h^?1，EcoScale值66（为最高），纯化溶剂庚烷的SHS值7.402（低于苯、丙醚等）。
**结论**：无溶剂、微波加热、无金属、短时间及绿色纯化策略共同实现了显著的环境效益。

**总结讨论**

讨论部分总结了本研究的三大贡献：1）提出了克服传统硼吖嗪合成苛刻条件的催化方案，在无溶剂和微波条件下运行；2）使用硼酸酯替代BCl₃，结合微波和溶剂减少，带来低E因子和优良EcoScale值；3）拓宽了硼吖嗪合成工具库，为N-H硼吖嗪的可持续后功能化开辟新路径。

**研究结论翻译**：总之，研究人员开发了一种优化的B,B′,B″-三(芳基)硼吖嗪合成方案，实现了显著的效率和环境效益。通过对替代硼源和氮源的评估，确定了2-苯基-1,3,2-二氧硼杂戊环和六甲基二硅氮烷为理想试剂。微波辅助有机合成与强路易斯酸活化剂三氟甲磺酸酐的应用，在显著提高产物产率的同时大幅缩短了反应时间。此外，使用HMDS作为反应物和反应介质，并避免金属基催化剂或添加剂，实现了简化的后处理过程，从而获得了比现有方法更低的E因子，突出了所开发方案有限的环影响，EcoScale值也证实了这一点。该方法的通用性通过其对多种官能团的兼容性得到进一步证明，实现了有价值的硼吖嗪衍生物的合成。总之，本工作丰富了硼吖嗪化学的合成工具库，并突显了在化学研究与开发中建立更环境友好工艺与实践的重要性。