硼自由基性质的调控与合成应用研究

Since the discovery of Suzuki coupling, organoboryl compounds have been intensively investigated by chemists. Boryl radicals, though studied by organ physical chemists earlier, remain largely unexplored in organic synthesis. Boryl atom can easily undergo ligand coordination through its empty P orbital, however, unlike transition metal catalysts, ligand dissociation and re-coordination are difficulty due to the strong binding. Thus, the reactivity of boryl species can hardly be regulated in the reaction. To better understand the reactivity of boryl radicals as well as to enrich boryl radical chemistry, our group started to investigate the “transition-metal like”-property of boryl radicals. Based on the coordination of boryl atom, boryl radicals are treated as a bi-functional reagent: coordinating with the substrates and also undergoing radical transformation through their radical centers. We believe this study should lead to novel “transition metal catalysis-like” directed synthetic strategies. Because of the oxytropic of boryl atom, we will focus on the coordination and activation of readily available ether and esters with boryl radicals, then, we wish to expand this method in heteroatom-directed boryl radical chemistry.

自Suzuki偶联发现以来，有机硼化合物的研究引起了化学家的广泛关注。硼自由基，尽管更早地被物理化学家研究，却较少受到有机合成化学家的重视。这可能是由于一方面硼自由基太活泼，难以控制，另一方面还因为早期对自由基的表征并没有像核磁那样方便和普及。为了更好地理解硼自由基的性质，以及拓展硼自由基在合成中的应用，本课题组率先开展硼自由基的“类金属性”研究，将硼自由基当作既可以与底物发生配位，又能够进行硼自由基反应的双功能性试剂，通过配位来调控硼自由基的活性，希望以此发展出金属催化类似的导向有机合成新策略。由于硼有亲氧特性，本项目拟从硼自由基对来源广泛的醚类、酯类化合物的配位和选择性活化入手，研究其反应特性，并期望推广到系统地研究杂原子调控和导向的硼自由基化学。

围绕硼自由基的反应活性，我们这几年主要是在硼自由基的配位性能方面做了一些工作，为硼自由基性质的调控建立了一些理论基础，并实现了一系列基于硼自由基中间体的新反应，具体情况总结如下：在研究的开始阶段，发展了吡啶配位的硼自由基摘氢官能团化(醚，胺，DMF)，实现了烷烃对异腈的插入反应，该工作中，我们基于反应在醚类溶剂中效果最好提出了硼自由基在反应中可能存在配体交换的猜想，并初步认定该硼自由基属于贫电子自由基，与常规的配位型硼自由基属于富电子自由基物种的认知是相反的；接下来，我们进一步发现给硼自由基在对乙酸乙酯摘氢时选择性摘取富电子α-氧乙基上的烷基氢，得到烷基自由基，该自由基继续同炔砜反应生成烷基炔烃衍生物，这一结果进一步用实验事实证实该硼自由基是贫电子的，并且，通过计算发现，该硼自由基的单电子，更大程度离域到了吡啶环上，导致硼带正电荷，据此，我们提出了硼自由基与乙酸乙酯发生配体交换的机制，与第一个工作结果相符；我们还发展了硼自由基对非活化烷烃摘氢炔基化反应。另一方面，考虑到硼自由基在离域过程中产生了带正电荷的硼物种，我们受此启发设想从硼路易斯酸出发发展新型的硼单电子氧化反应，也取得了成功，实现了硼路易斯酸对吲哚在可见光条件下与硫酚的交叉偶联，同时，吡咯在硼路易斯酸存在下也能够被单电子氧化，从而我们又实现了吡咯与二硫酚衍生物的可控光聚合反应，得到了若干硫掺杂的导电聚吡咯；将硼路易斯酸催化剂拓展到硼试剂，发现通过烯丙基硼试剂和喹喔啉酮的路易斯酸碱相互作用，也可以在光照条件下产生单电子氧化，实现了两类反应，包括对喹喔啉酮C-H官能团化和异腈的出入反应。综上所述，所取得的研究成果对基础研究有一定的理论指导意义，在功能和医药分子研发领域方面也具有潜在的应用前景。