近日，武汉大学高等研究院陆庆全课题组在国际期刊Nature Synthesis（《自然•合成》）在线发表了题目为Photoelectrochemically driven iron-catalysed C(sp3)−H borylation of alkanes的研究成果。论文通讯作者为陆庆全教授，第一作者为曹仰民，武汉大学为唯一署名单位。

该成果报道一种基于可见光介导的配体到金属电荷转移(LMCT)途径的光电协同催化策略，利用地球上丰富的铁作为催化剂，在光电条件下产生高度亲电性的氯自由基活化烷基C−H键，进而在低氧化电位下实现了烷烃C(sp3)−H键的硼化反应。该策略具有优异的官能团耐受性，良好的化学位点选择性。

有机硼化合物及其衍生物不仅在众多药物分子（Lxazomib、Bortezomib、Vaborbactam等）和功能材料中广泛存在，而且也是有机合成领域中一类重要的合成砌块，通过简单的化学转化可以快速、高效、精准地构建各种碳-碳、碳-杂键等。因此，如何简单、高效地合成具有重要应用价值的硼类化合物一直是合成化学的研究热点之一。

C(sp3)−H键作为有机分子中最常见的化学键之一，直接和选择性地实现非反应性C(sp3)−H键的硼化无疑是最有效的方式，对于烃类资源的优化利用也具有战略性的意义，但目前的方法主要集中于具有低键离解能C−H键（杂原子α位C−H、苄基位C−H和烯丙基位C−H）的硼化，或者依赖于使用定向基团以确保贵金属催化剂和反应物的相互作用来实现C−H键的硼化。迄今为止，仍缺乏有效且经济、温和的普通C(sp3)−H键硼化的方法。主要原因在于，相比于C(sp2)−H键，烷基C(sp3)−H键具有更高的键解离能、更低的极化度、更大的空间位阻以及含有更多的类活性位点。因此，普通C(sp3)−H键的硼化一直是有机合成中的难题。

电化学作为一种强大的绿色合成工具，为烷烃C(sp3)−H键的硼化提供了一种环境友好的方法。其中底物可以在电极表面选择性地失去或得到电子，整个反应过程中，电能和化学能直接实现了相互转化，避免了当量化学氧化剂/还原剂、贵金属催化剂和配体的使用。因此，电化学驱动的烷烃C(sp3)−H键的硼化将为烷基硼化合物的合成提供一条实用而有吸引力的途径。然而，由于普通烷烃的C(sp3)−H键具有很强的化学惰性，所需的C(sp3)−H键在被活化之前，烷基硼产物的过渡氧化、其他官能团的氧化降解以及溶剂的官能团化可能会在直接电解的情况下发生。因此，要在电化学条件下实现普通烷烃的C(sp3)−H键硼化反应的关键在于确定和作为烷基自由基受体B2cat2兼容的催化剂，其可以在超低氧化电位下循环并在温和条件下递送高度亲电的自由基以活化普通烷烃的C(sp3)−H键，从而避免烷基硼产物的过渡氧化、其他官能团的氧化降解以及溶剂的官能团化。

光电条件下金属铁催化烷基C(sp3)−H键硼化

陆庆全教授团队一直致力于烷基分子合成与转化研究，研究团队基于课题组前期光电催化的烷烃C(sp3)−H官能团化反应研究（ACS Cent. Sci.,2023, 9, 756–762;Angew. Chem. Int. Ed.,2023, 62, e202301026;Nat. Commun.,2023, 14, 7992.）以及电化学硼化反应的研究工作（J. Am. Chem. Soc.,2021, 143,12985–12991;Angew. Chem. Int. Ed.,2023, 62, e202218179.），该课题组设想是否可以寻找一种合适的催化剂，该催化剂能够在超低的氧化电位下进行电化学循环利用，并且在温和的条件下产生高度亲电的自由基以活化普通烷烃的C(sp3)−H键，从而避免烷基硼产物的过度氧化。因此，有机会解决在直接电解中由于烷烃C(sp3)−H键的化学惰性而导致烷基硼产物的过渡氧化、其他官能团氧化降解以及溶剂被官能团化的难题。

基于以上设想，该团队使用地球富含的铁作为催化剂（例如FeCl3），通过可见光介导的配体到金属电荷转移（LMCT）的途径来产生高度亲电的氯自由基以激活普通烷烃的C(sp3)−H键，从而产生烷基自由基，双联邻苯二酚硼酸酯作为自由基受体。低价的Fe2+可以在极低的氧化电位下在阳极上循环为高价的Fe3+，从而在超低氧化电位（~0.3 V vs SCE）下实现了普通烷烃C(sp3)−H键的硼化反应。该反应条件温和，具有优异的官能团耐受性，可以兼容各种氧化/还原性基团；当底物具有多个C(sp3)−H键时，优于在初级C(sp3)−H键生成硼化产物，具有较高的位点和区域选择性。随后的克级实验及气态烷烃硼化实验，进一步证明了方法的实用性。一系列的机理实验表明原位产生的氯自由基为关键中间体，揭示了反应的机理。通过比较不同光辐照度的反应效率实验显示，阳极半反应可由光源单独调制，阴极半反应可由电流精细调节，这种速率匹配调节在光电催化中对反应效率可能起着至关重要的作用。

该研究工作得到了中央组织部、国家自然科学基金委、武汉大学、高等研究院的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44160-023-00480-7

新闻链接：https://news.whu.edu.cn/info/1015/453087.htm