在過(guò)去的二十年中，硼化已成為替代許多原料化學(xué)品中豐富非活性碳?xì)滏I的一種手段。氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）過(guò)程可以克服惰性C(sp³)-H鍵的強(qiáng)鍵解離能（BDEs），從而將原料烷烴轉(zhuǎn)化為增值的精細(xì)化學(xué)物質(zhì)。然而，HAT試劑的高反應(yīng)性，加上不同的C(sp³)-H鍵強(qiáng)度之間的微小差異，使直鏈烷烴的位點(diǎn)選擇性轉(zhuǎn)化成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在此，中山大學(xué)胡鵬教授等人提出了一個(gè)在具有小空間位阻的襯底中光催化分子間自由基取樣過(guò)程，用于鐵催化的末端C(sp³)-H鍵的硼?；ǚ侵ф溚闊N。機(jī)理研究表明，該反應(yīng)通過(guò)一個(gè)可逆的HAT過(guò)程進(jìn)行，隨后是碳自由基的選擇性硼?；?，硼-亞砜配合物可能有助于所觀察到的高末端區(qū)域選擇性。

相關(guān)文章以“Terminal C(sp³)-H borylation through intermolecular radical sampling”為題發(fā)表在Science上。

長(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)家一直在尋求通過(guò)C-H鍵官能團(tuán)化，高效且可持續(xù)地將非反應(yīng)性原料烷烴轉(zhuǎn)化為增值精細(xì)化學(xué)品。過(guò)渡金屬催化作用的出現(xiàn)使得芳香族化合物中C(sp²)-H鍵和具有定向基團(tuán)的底物中C(sp³)-H鍵的功能化取得了很大的進(jìn)展。盡管如此，以選擇性的方式直接改性惰性烷烴仍然是一個(gè)主要的挑戰(zhàn)，只有少數(shù)使用貴金屬催化劑的開創(chuàng)性研究被報(bào)道。此外，C-H鍵對(duì)過(guò)渡金屬催化劑的反應(yīng)性通常依賴于相應(yīng)的鍵酸度（圖1A），末端炔烴和芳香環(huán)優(yōu)先與烷烴片段反應(yīng)，導(dǎo)致底物對(duì)C(sp³)-H鍵功能化的限制。

相比之下，C-H鍵對(duì)均解的活性主要依賴于鍵的解離能（BDE），其中C(sp³)-H鍵的BDE水平最低（圖1A）。因此，通過(guò)活化物質(zhì)，C(sp³)-H鍵的裂解可以通過(guò)HAT（氫原子轉(zhuǎn)移）過(guò)程，使其與芳烴、烯烴甚至末端炔部分相容，而C(sp³)-H鍵被裂解形成烷基自由基以進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)。盡管HAT是各種化學(xué)、環(huán)境和生物過(guò)程中的一種基本機(jī)制，但傳統(tǒng)的HAT反應(yīng)通常需要應(yīng)用化學(xué)計(jì)量的HAT前驅(qū)體或苛刻的條件。在分子內(nèi)，HAT策略已被用于包含可產(chǎn)生自由基的定向基團(tuán)的基質(zhì)，促進(jìn)遠(yuǎn)端C-H鍵的裂解。

然而，在溫和的條件下實(shí)現(xiàn)C(sp³)-H鍵的分子間均解通常需要使用高活性的HAT試劑，這通常表現(xiàn)出較低的區(qū)域選擇性，并導(dǎo)致產(chǎn)物混合物。C(sp³)-H鍵之間的BDE值的細(xì)微差異是選擇性較差的另一個(gè)原因，盡管在熱力學(xué)上，亞甲基或甲基由于其鍵強(qiáng)度較低，代表了首選的反應(yīng)位點(diǎn)（圖1B）。為了解決這個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，一些巧妙的研究使用了具有C(sp³)-H鍵的底物，具有不同的空間位阻或不同的電子性質(zhì)，以產(chǎn)生區(qū)域選擇性的C(sp³)-H功能化產(chǎn)物。然而，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單烷烴的選擇性修飾，特別是非支鏈的末端功能化，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)（圖1B）。

本文考慮了兩種一般的途徑來(lái)解決使用正己烷作為模型分子的區(qū)域選擇性挑戰(zhàn)（圖1C）。第一個(gè)途徑涉及一個(gè)區(qū)域選擇性的HAT，然后是功能化。然而，由于前面所指出的困難，這一過(guò)程迄今為止只實(shí)現(xiàn)了適度的末端選擇性。作為一個(gè)例子，之前報(bào)道了空間受阻底物末端甲基選擇性硼化的開創(chuàng)性工作，該底物使用原位形成的氯自由基-硼“酸”配合物作為選擇性HAT催化劑。這種方法抽象了空間無(wú)阻礙的C(sp³)-H鍵，并實(shí)現(xiàn)了不尋常的選擇性。然而，當(dāng)應(yīng)用于直鏈底物（如戊烷）時(shí)，該系統(tǒng)表現(xiàn)出不令人滿意的區(qū)域選擇性。

第二種途徑從非選擇性HAT步驟開始，使初級(jí)和二級(jí)自由基的形成，然后是自由基采樣程序，以實(shí)現(xiàn)末端功能化產(chǎn)物的形成。非反應(yīng)性次級(jí)自由基通過(guò)反向HAT反應(yīng)恢復(fù)到底物分子（圖1C），當(dāng)系統(tǒng)能夠根據(jù)空間位阻區(qū)分初級(jí)自由基和次級(jí)自由基時(shí)，這種策略似乎更可靠。氯化鐵（III）已被確定為一種很有前途的前驅(qū)體，用于通過(guò)光誘導(dǎo)配體到金屬電荷轉(zhuǎn)移（LMCT）過(guò)程生成氯自由基。

圖1. 通過(guò)HAT實(shí)現(xiàn)非支鏈烷烴中C(sp³)-H鍵選擇性的挑戰(zhàn)

圖2.?簡(jiǎn)單基底的范圍

圖3.?進(jìn)一步的應(yīng)用

圖4.?機(jī)理研究

圖5. 機(jī)理的進(jìn)一步提出

綜上，本文通過(guò)氯化鐵光催化實(shí)現(xiàn)了具有不同空間位阻的非支鏈烷烴和底物的區(qū)域選擇性端C(sp³)-H硼?；Ｅc傳統(tǒng)的金屬催化方法不同，該方法證明了在C(sp²)-H和C(sp)-H鍵上選擇性功能化C(sp³)-H鍵的能力，顯示出廣泛的官能團(tuán)耐受性。該策略為通過(guò)HAT實(shí)現(xiàn)區(qū)域選擇性C(sp³)-H鍵功能化提供了一種簡(jiǎn)單方便的方法，特別是對(duì)于具有小空間位阻挑戰(zhàn)性的底物。

Miao Wang, Yahao Huang, Peng Hu*, Terminal C(sp³)-H borylation through intermolecular radical sampling, Science (2024).?