烷基硼化合物是非常重要的合成前體，可以很容易地轉(zhuǎn)化為包含各種有價(jià)值的官能團(tuán)；這些硼化化合物廣泛用于材料科學(xué)和藥物化學(xué)等領(lǐng)域。近幾十年來(lái)，過(guò)渡金屬催化和光誘導(dǎo)的烷基鹵化物硼化已成為合成烷基硼化合物的通用方法。然而，這些策略中的每一個(gè)主要依賴于過(guò)渡金屬催化劑、配體、化學(xué)計(jì)量數(shù)量的活化劑和/或較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。因此，需要開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單、更溫和、更有效的合成烷基硼化合物的方法。
電化學(xué)，其中電子被用作可持續(xù)且本質(zhì)安全的氧化還原試劑，代表了有機(jī)合成中一種環(huán)境友好的方法。此外，可以從電化學(xué)反應(yīng)中消除高能化學(xué)還原劑、過(guò)渡金屬催化劑和阻止大規(guī)模合成的配體。因此，未活化的烷基鹵化物的直接電化學(xué)硼化應(yīng)該為構(gòu)建烷基硼化合物提供一條實(shí)用且有吸引力的途徑。值得注意的是，金屬催化的烯烴硼氫化反應(yīng)是制備有機(jī)硼烷最重要的方法之一。相比較而言，烷基鹵的電化學(xué)硼化設(shè)有本位-選擇性以及自由過(guò)渡金屬和可持續(xù)的條件。然而，未活化的烷基鹵化物，尤其是溴化物和氯化物，是不活潑的并且難以還原。迄今為止，未活化烷基鹵化物的電還原很少被探索(Figure 1a)。
介體在提高反應(yīng)效率、控制反應(yīng)選擇性、避免過(guò)度還原產(chǎn)物和電極鈍化方面起著至關(guān)重要的作用。武漢大學(xué)陸慶全教授團(tuán)隊(duì)和戚孝天教授課題組報(bào)道了烷基鹵代物的電化學(xué)硼化反應(yīng)——快速、規(guī)?；苽渫榛鸹衔?，該文章發(fā)表在J. Am. Chem. Soc。關(guān)于這一點(diǎn)，硼化合物，如B2cat2，它不僅在硼原子上構(gòu)成空p軌道接受電子，而且具有良好的穩(wěn)定性，可能提供這樣的機(jī)會(huì)。值得注意的是，B2cat2也是一種容易獲得的硼源，可有效地捕獲烷基鹵還原產(chǎn)生的碳中心自由基，從而為合成烷基硼化合物提供了新的渠道（ Figure 1b ）。
為了探究提出的假設(shè)的可行性，首先進(jìn)行了循環(huán)伏安法 (CV) 實(shí)驗(yàn)。顯然，還原起始電位大約為-1.3 V (Figure 2a)。該電位比減少烷基鹵化物所需的起始電位明顯更正；例如，CyI、CyBr 和 1-氯-3-苯基丙烷的起始還原電位分別約為 -1.65 V、–2.1 V 和 -2.6 V。此外，控制電位實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)工作陰極的電位設(shè)置為 -1.7 V 時(shí)，烷基硼產(chǎn)物1 的產(chǎn)率為 38%（figure 2b)。值得注意的是，為該實(shí)驗(yàn)選擇的電位比還原 CyBr 所需的電位更正，但足以直接還原B2cat2。這些結(jié)果表明，B2cat2的還原優(yōu)先發(fā)生，這可以介導(dǎo)陰極和鹵代烷之間的電子轉(zhuǎn)移。
隨后，在對(duì)包括溶劑、電極和電解質(zhì)在內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行廣泛評(píng)估后，發(fā)現(xiàn)使用鎂作為陽(yáng)極和碳布作為陰極，電流為150 mA，DMAc為溶劑，nBu4NBF4為電解質(zhì)，在室溫條件下反應(yīng)，可以以 83% 的產(chǎn)率獲得所需的烷基硼產(chǎn)品1(Table 1)。
在最優(yōu)條件下，研究了烷基溴的適用范圍。如Figure 3所示，一系列的伯，仲和叔烷基溴化物在標(biāo)準(zhǔn)條件下順利反應(yīng)，獲得所需的烷基硼酸酯（1 - 31），中度至良好的產(chǎn)率。值得注意的是，在氯化物存在下獲得了烷基溴的高度化學(xué)選擇性硼化（32）。此外，一系列二溴化物或含有烯烴的單溴化物，在標(biāo)準(zhǔn)條件下均可與B 2cat2 進(jìn)行雙硼化和三硼化反應(yīng)，獲得產(chǎn)物 33 - 39 ，收率為37-84%。
作者接下來(lái)將這種硼化反應(yīng)擴(kuò)展到烷基碘。在存在各種可還原官能團(tuán)的情況下，這種電還原硼酸化以對(duì) C-I 鍵的高度偏好發(fā)生，包括氯 ( 42 )、炔基 ( 43 )、酮 ( 44 )、酯 ( 45 ) 和腈-（46）（Figure 4）；相應(yīng)的產(chǎn)物以中等至極好的收率（41%–89% 分離收率）。通常對(duì)氧化條件敏感的代表性雜環(huán)噻吩和咔唑在反應(yīng)后保持完整，得到所需的產(chǎn)物50和51分別為 76% 和 90%。環(huán)狀和非環(huán)狀碘化物在45％-78％的收率（26，52 - 54）。叔烷基碘也適用于該方案，例如 1-碘金剛烷，其以 87% 的產(chǎn)率得到產(chǎn)物31。作為將協(xié)議應(yīng)用于二碘化物的一個(gè)例子，1,3-二碘丙烷以 40% 的產(chǎn)率提供了二硼化產(chǎn)物6。受這些結(jié)果的鼓舞，作者進(jìn)一步嘗試將開(kāi)發(fā)的方法應(yīng)用于未活化的烷基氯。更惰性和更具挑戰(zhàn)性的未活化烷基氯化物也可以以可接受的產(chǎn)率進(jìn)行硼化 ( 55–60 )。甲硅烷基 ( 56 )、芳基氟 ( 58 )、芳基醚 ( 59 ) 和咔唑 ( 60 ) 的例子耐受性良好。
然后，作者還對(duì)反應(yīng)的一系列的應(yīng)用研究(Figure 5)。首先，一系列天然產(chǎn)物和藥物衍生物，在標(biāo)準(zhǔn)條件下均可順利進(jìn)行硼化反應(yīng)，如萘普生、布洛芬、(-) - β -香茅醇、(-)- 諾卜醇、膽固醇等，獲得相應(yīng)的衍生物 61 - 67 (Figure 5a)?；衔?/span> 1 ， 13 和 41 的克級(jí)反應(yīng)，均取得較好的結(jié)果。此外，環(huán)己基硼酸酯 1 中的C-B鍵可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為各種C-C鍵、C-O鍵和C-N鍵( Figure 5b)。
為了深入了解反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，自由基鐘實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)環(huán)產(chǎn)物68為主要產(chǎn)物，進(jìn)一步支持了自由基反應(yīng)的機(jī)理（Figure 6A）。將CDCl3中B2cat2的11 B NMR 譜與DMAc 和CDCl 3的混合溶劑系統(tǒng)中的譜進(jìn)行比較表明，DMAc 的存在導(dǎo)致化學(xué)位移從31.0 ppm（單一信號(hào)）到27.6 ppm（See SI)，說(shuō)明連接的二硼的存在。因此，作者提出了一種可能的反應(yīng)機(jī)理（ Figure 6b ）。首先，通過(guò)單電子還原生成B2cat2自由基陰離子 II ，從而有助于介導(dǎo)烷基溴還原以生成烷基自由基。隨后，烷基自由基可能涉及兩種轉(zhuǎn)化途徑。在 path a中，烷基自由基與配合物 I 反應(yīng)，得到烷基硼酸酯以及 DMAc 穩(wěn)定的硼基自由基 III / IV ，從而可還原烷基鹵以及引發(fā)緩慢的自由基鏈過(guò)程以再生烷基自由基，或者在陽(yáng)極被氧化形成配合物 V 。在 path b中，烷基自由基通過(guò)自由基交叉偶聯(lián)與中間體 II 反應(yīng)，獲得烷基硼酸酯和配合物 VI （可能被陽(yáng)極產(chǎn)生的金屬陽(yáng)離子進(jìn)一步穩(wěn)定）。此外，DFT計(jì)算表明 path b更為合理。
總之，首次報(bào)道了未活化的鹵代烷在高電流下的電化學(xué)硼化，為制備伯、仲和叔烷基硼酸酯提供了一種通用且實(shí)用的方法，該反應(yīng)具有底物范圍廣泛、官能團(tuán)耐受性高、反應(yīng)條件溫和等特點(diǎn)。此外，通過(guò)對(duì)天然產(chǎn)物和藥物衍生物的后期修飾，進(jìn)一步證明了反應(yīng)的實(shí)用性。值得注意的是，B2cat2優(yōu)先在陰極還原，從而進(jìn)一步介導(dǎo)了烷基鹵的還原。
J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 12985?12991
