另辟蹊徑：《Nature》報道史壯志團隊在碳氫硼化領域進展
碳氫鍵是有機分子中最基本、最普遍的化學鍵。如何對惰性的碳氫鍵進行高效地轉(zhuǎn)化，是有機化學的前沿熱門領域。由于復雜的有機分子中通常含有多個不同類型的碳氫鍵，如何精準地活化某一個特定位置是該領域的難點。目前最有效的策略是利用導向基團與金屬配位來實現(xiàn)。從早期利用鋰試劑進行鄰位鋰化，到現(xiàn)在廣泛使用的過渡金屬參與的導向金屬化，金屬與碳氫活化一直是緊密相連的。然而，這些方法通常使用貴金屬作為催化劑，造成生產(chǎn)成本上升、產(chǎn)物中重金屬殘留等問題，這些在藥物合成中尤為突出。因此，開發(fā)無金屬參與的導向碳氫活化反應顯得十分重要。
南京大學史壯志教授課題組在非傳統(tǒng)反應位點精準官能團化領域已經(jīng)取得一系列成果（圖1）。1）利用過渡金屬催化實現(xiàn)吲哚4-7號位精準的碳氫芳基化、烷基化、烯基化、?；?，打破吲哚官能團化優(yōu)先發(fā)生在2,3號位的規(guī)律；2）發(fā)展了一系列非傳統(tǒng)反應位點的精準硼化反應。硼酸酯類化合物在材料、藥物以及化工合成中均有廣泛的應用?；谂鸹瘜W的多樣性，實現(xiàn)了對碳氫、碳氟、碳氮和碳碳鍵等進行精準切斷、硼化，得到高值的有機硼產(chǎn)物，為碳硼鍵的構建提供了新的思路。
圖1. 課題組研究基礎
在吲哚苯環(huán)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精準的碳氫硼化是一個非常重要，且極具挑戰(zhàn)的研究課題。近期，該團隊發(fā)現(xiàn)了一類無金屬參與的精準碳氫硼化方式。硼作為一種非金屬原子，有部分金屬特性。利用硼原子的金屬特性與導向基團配位，可以在無需金屬參與的情況下實現(xiàn)碳氫活化、硼化反應。其開發(fā)的方法是利用非常廉價、易得的三溴化硼作為硼源，與?；湮话l(fā)生碳氫活化，再經(jīng)過后續(xù)處理，高產(chǎn)率、高效率的得到各類硼酸酯。在吲哚氮原子上安裝叔丁?；稍谶胚岬?號位發(fā)生精準的硼化反應；在吲哚的3號位安裝叔丁酰基，就能在吲哚的4號位發(fā)生碳氫硼化反應。更重要的是，該無金屬策略適用于其它芳雜環(huán)鄰位的碳氫鍵硼化，具有非常高的普適性。在美國加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）K. N. Houk教授協(xié)助下，結(jié)合理論計算和實驗輔助，首次發(fā)現(xiàn)了三溴化硼的雙重角色：既作為反應原料又是催化劑。該發(fā)現(xiàn)不僅為碳硼鍵的構建、天然產(chǎn)物及藥物分子的合成提供了新的手段，而且簡化了反應用料，降低了反應成本，避免了在藥物合成中重金屬殘留等問題，具有重要的合成化學價值和良好的工業(yè)應用前景（圖2）。
圖2. 無金屬導向碳氫硼化
該成果“Metal-free directed C-H bond activation and borylation”，以南大為第一通訊單位，發(fā)表在Nature 正刊上(論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1640-2)。博士研究生呂佳航（南京大學、揚州大學聯(lián)合培養(yǎng)）為第一作者。文章的計算部分是與美國加州大學洛杉磯分校K.N.Houk教授合作完成。該項目得到了國家自然科學基金、江蘇杰出青年基金、江蘇省“雙創(chuàng)計劃”的大力支持。
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