【人物与科研】南京大学燕红教授课题组：电化学氧化巢式碳硼烷B-H键官能团化

导语

独特的立体结构和电子排布方式使得碳硼烷具有良好的热化学稳定性、高代谢稳定性、低生物毒性及三维σ芳香性等性质。近年来随着有机电化学合成的飞速发展，电化学氧化已被证明是氧化转化中化学氧化剂的绿色替代物。近日，南京大学燕红教授课题组通过电化学氧化，实现了巢式碳硼烷与含孤对电子杂原子的氧化偶联反应。在温和的反应条件下以良好的产率得到B-S、B-Se、B-Te、B-N（含N杂环）、B-P、B-As、B-Sb等一系列硼和杂原子成键的目标化合物，同时避免了化学计量氧化剂和金属催化剂的使用。相关成果于2020年12月29日在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202015299）。

燕红教授课题组简介

课题组成立以来一直从事碳硼烷化学的研究，主要的研究涉及以下三个方面：碳硼烷B-H键功能化，碳硼烷调控有机/金属有机分子的发光及潜在应用以及碳硼烷类衍生物的生物活性（包括用于生物探针）研究。课题组已经在国际知名学术期刊发表论文170余篇，包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Adv., Chem. Sci., 等期刊。课题组目前有副教授1名，博士生9名、硕士生4名、研究助理1名。

燕红教授简介

课题组成立以来一直从事碳硼烷化学的研究，主要的研究涉及以下三个方面：碳硼烷B-H键功能化，碳硼烷调控有机/金属有机分子的发光及潜在应用以及碳硼烷类衍生物的生物活性（包括用于生物探针）研究。课题组已经在国际知名学术期刊发表论文170余篇，包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Adv., Chem. Sci., 等期刊。课题组目前有副教授1名，博士生9名、硕士生4名、研究助理1名。

前沿科研成果

电化学氧化巢式碳硼烷B-H键官能团化

在过去的几年里，通过过渡金属催化闭式碳硼烷B-H功能化已经取得了很大的进展，与此形成鲜明对比的是，巢式碳硼烷B-H功能化研究相对较少。有机电合成作为一种强大的合成方法学，由于其绿色、清洁的特性，逐渐被应用于碳硼烷B-H键功能化。例如，香港中文大学谢作伟教授利用电化学的方法，实现了邻位碳硼烷B-H氧化（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6940-6945）。本文通过电化学氧化的策略，成功实现了巢式碳硼烷与含孤对电子的杂原子氧化偶联反应，在温和的反应条件下以良好的产率得到B-S、B-Se、B-Te、B-N（含N杂环）、B-P、B-As、B-Sb等一系列硼和杂原子成键的目标化合物，同时避免了化学计量氧化剂和金属催化剂的使用(图1)。

图1. 电化学氧化巢式碳硼烷B-H官能团化（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者首先以双苯基巢式碳硼烷与二乙基硫醚作为起始原料对反应条件进行了优化，反应在最优条件下以78%的收率得到目标化合物。在最优的反应条件下，作者对杂原子底物和巢式碳硼烷底物的适用范围分别进行了考察，结果表明，反应的产率取决于杂原子底物的亲核性，亲核性越强，反应收率越高；取代基的位阻效应也会明显影响反应效率。S、Se、Te随着原子序数的增大，其亲核性逐渐增大，反应收率也逐渐提高。此外，15主族的N、P、As、Sb在该电反应条件下，也都可以中等以上的收率得到目标化合物。值得注意的是，硼簇化合物与As、Sb的偶联反应尚未被报道。巢式碳硼烷碳原子上无论是被烷烃或（杂）芳烃取代，均能够以较高的收率得到目标化合物。

图2. 底物适用范围研究

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了挖掘该类化合物的潜在应用，首先对化合物的稳定性进行了考察，核磁跟踪实验结果表明，目标化合物在酸性和中性条件下较稳定，而在碱性条件下不太稳定；此外，化合物在固态的热稳定性也较好。当把反应规模放大到5 mmol，仍能以略微降低的产率得到B-S成键的目标化合物，说明了该电反应具有一定的实用性。将富含硼的碳硼烷硼簇与药物分子片段结合有利于硼中子俘获疗法（BNCT）试剂的开发，值得高兴的是，在该电反应条件下，巢式碳硼烷能分别与含布洛芬、吲哚美辛、环丙贝特、丙磺舒等药物片段分子有效地结合（图3）。

图3. 巢式碳硼烷对药物分子片段的后修饰

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了对反应机理进行更加深入的了解，利用桥氢被氘代的巢式碳硼烷和二乙基硫醚在标准条件下反应，最后得到桥氢未被氘代的目标化合物24，表明此反应可能经历了一个脱氢和氢迁移的过程。同时，也进行了循环伏安实验，结果表明巢式碳硼烷在反应过程中最先被氧化。根据以上实验结果以及相关的文献报道，我们提出如下可能的反应机理：巢式碳硼烷在阳极被连续两次氧化，得到阳离子中间体II，随后活泼桥氢离去，亲核底物（以二乙基硫醚为例）对缺电子的裸露B-H键进行亲核加成，最终得到目标化合物3。在该过程中，还伴随着B-H的迁移形成新的桥氢。

图4. 同位素标记实验

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

图5. 可能的反应机理

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

综上，作者通过电化学氧化实现了巢式碳硼烷与含孤对电子的杂原子氧化偶联反应。该方法利用电化学的普适性，实现了B-S、B-Se、B-Te、B-N、B-P、B-As、B-Sb等一系列硼与杂原子偶联，具有广泛的底物适用范围和良好的官能团耐受性，同时也避免了化学计量氧化剂以及过渡金属的使用，体现了有机电合成在此类反应中的合成优势。

以上研究工作由博士生陈蒙、硕士生赵德拾、及本科生徐旌凯共同完成。该项研究得到了国家自然科学基金委的资助，以及化院史壮志教授和梁勇教授的帮助。

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