前不久，美國斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute，TSRI）的Phil S. Baran教授在Science 上報(bào)道了以烷基羧酸為原料合成烷基硼酸的研究進(jìn)展（點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)）。而在短短的三個月內(nèi)，英國布里斯托大學(xué)的Varinder K. Aggarwal教授（點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)）從相同的原料出發(fā)，同樣通過脫羧-硼化的反應(yīng)途徑實(shí)現(xiàn)了烷基硼酸的高效合成，相關(guān)工作仍發(fā)表在Science 上。乍看Aggarwal教授的工作應(yīng)是延續(xù)了前者的思路，反應(yīng)中需使用N-羥基鄰苯二甲酰亞胺預(yù)修飾烷基羧酸底物得到具有氧化還原活性的酯，隨后經(jīng)歷自由基脫羧途徑形成烷基自由基，與聯(lián)硼酸酯偶聯(lián)得到目標(biāo)產(chǎn)物。承接前人的研究思路做進(jìn)一步拓展的工作不足為奇，而突破局限得以在相同頂級期刊發(fā)表實(shí)屬少見。
這類反應(yīng)成功的關(guān)鍵在于利用Barton自由基脫羧反應(yīng)，將羧酸轉(zhuǎn)化為具有特殊活性的酯，修飾后的底物可以接受電子形成自由基陰離子，通過均裂過程消除一分子CO2，并得到相應(yīng)的離去陰離子和烷基自由基，而這種特殊的活性則定義為“氧化還原活性”。2016年，Baran教授在設(shè)計(jì)鎳催化芳基鋅試劑與二級烷基羧酸的偶聯(lián)反應(yīng)時便巧妙地利用了這一方法。以往的Barton自由基脫羧過程需要將羧酸轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的Barton酯，在鎳催化劑的作用下與芳基鋅試劑偶聯(lián)可以得到中等收率的偶聯(lián)產(chǎn)物，但與此同時產(chǎn)生的2-巰基吡啶陰離子仍具備一定的反應(yīng)活性，可以發(fā)生與烷基自由基還原消除的競爭過程，生成2-吡啶烷基硫醚副產(chǎn)物，大大降低了反應(yīng)的合成效率。設(shè)計(jì)其他具有氧化還原活性的酯，脫羧后形成不參與后續(xù)反應(yīng)的離去陰離子成為提高反應(yīng)效率的關(guān)鍵。Baran教授最終發(fā)現(xiàn)使用N-羥基鄰苯二甲酰亞胺對羧酸進(jìn)行修飾可以解決以上問題，并借助這種改進(jìn)的自由基脫羧反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了鎳及鐵催化劑參與下的脫羧Negishi （點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)）、Suzuki （點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)）以及Kumada等不同形式的C-C鍵偶聯(lián)過程。相關(guān)工作發(fā)表于一系列化學(xué)頂級期刊，可謂收獲頗豐。
在Baran教授最近發(fā)展的脫羧-硼化反應(yīng)中，B2Pin2作為硼源與鎳催化劑發(fā)生轉(zhuǎn)金屬化，生成硼酸酯基鎳活性物種，烷基羧酸轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯，在鎳催化劑的作用下發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移，均裂、脫羧形成烷基自由基，最終與鎳催化劑結(jié)合，C-B鍵還原消除得到烷基硼酸酯。其中B2Pin2需與甲基鋰預(yù)先混合形成超共價(jià)復(fù)合物來活化B2Pin2，MgBr2?OEt2作為重要的媒介可促進(jìn)B2Pin2與鎳催化劑的轉(zhuǎn)金屬化過程。
再回到Aggarwal教授這篇Science 報(bào)道的工作，他們的想法是能否通過其他反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)單電子轉(zhuǎn)移過程，從而在無過渡金屬催化劑存在的情況下誘導(dǎo)自由基脫羧的發(fā)生。對于具有氧化還原活性的N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯，酰胺與酯之間的N-O鍵均裂能相對較低，因而可能在光引發(fā)的條件下發(fā)生均裂，促進(jìn)烷基自由基產(chǎn)生，結(jié)合活性較高的硼酸酯便可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)化。于是他們使用活性更高的B2cat2作為硼源設(shè)計(jì)了如下反應(yīng)過程，底物N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯中酰胺的羰基可與B2cat2相互作用，另一個硼中心同時受到極性溶劑分子的配位作用，形成三元復(fù)合物，B-B鍵得到顯著的活化。在可見光的激發(fā)下，B-B鍵發(fā)生均裂，自由基物種43發(fā)生均裂脫羧得到烷基自由基，進(jìn)而與溶劑化的B2cat2偶聯(lián)得到目標(biāo)產(chǎn)物。產(chǎn)生的自由基硼物種44可進(jìn)一步與底物結(jié)合由此構(gòu)成循環(huán)。體系中存在著自由基硼物種44二聚/解聚的平衡過程，在熱擾動下平衡趨向于解聚。
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