南京大學化院燕紅課題組近期報道了光催化碳硼烷羧酸脫羧自由基偶聯(lián)反應，成功地實現(xiàn)了碳硼烷選擇性功能化。碳硼烷及其衍生物由于其獨特的三維立體結(jié)構(gòu)、低毒性以及良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等特性，被廣泛應用于生物醫(yī)學、光化學、超分子和配位化學、材料等眾多領域。經(jīng)典的閉式碳硼烷(C2B10H12）具有二十面體的籠狀結(jié)構(gòu)，以閉式碳硼烷為例，其中10個為B–H頂點，2個為C–H頂點。其中，B–H鍵的化學極性小且鍵能高，難以發(fā)生反應。同時B–H鍵數(shù)目眾多且化學環(huán)境相似。這些因素使得碳硼烷的選擇性官能化團極具挑戰(zhàn)性。盡管自上個世紀六十年代碳硼烷發(fā)現(xiàn)以來化學家陸續(xù)開發(fā)了碳硼烷官能團化的方法，但是對于相對富電子的B(8, 9, 10, 12)位點的選擇性控制仍無法得到滿意的結(jié)果，存在著化學選擇性差，反應條件苛刻等問題。這促使我們開發(fā)新的合成方法來實現(xiàn)碳硼烷富電子硼位點的選擇性官能團化。
圖1.光催化碳硼烷羧酸脫羧自由基偶聯(lián)反應(本工作)
受課題組前期工作在碳硼烷羧酸脫羧偶聯(lián)工作的啟發(fā)(Org. Lett. 2017, 19, 862-865），近期，南京大學燕紅教授課題組報道了以碳硼烷羧酸為碳硼烷自由基前體，在可見光催化下可脫羧生成活潑碳硼烷簇硼自由基，然后與一系列自由基受體偶聯(lián)，實現(xiàn)了烷基化、烯基化以及雜芳基化碳硼烷衍生物的高效合成。該反應具有反應條件溫和，反應產(chǎn)率較高，底物適用性廣等一系列優(yōu)點(圖1)。
研究發(fā)現(xiàn)與羧酸基團相連的硼原子NPA (Natural Population Analysis)電荷越大，對應的碳硼烷羧酸脫羧產(chǎn)生自由基的能壘就越低，實驗上與三氟甲基烯烴底物的反應產(chǎn)率也越高，即富電子硼位點有利于脫羧產(chǎn)生碳硼烷自由基。 首先在理論上研究了一系列碳硼烷自由基前驅(qū)體的反應性，然后以B(9)位點的間位碳硼烷羧酸與三氟甲基烯烴為模板底物對反應條件進行了優(yōu)化，在最優(yōu)條件下能夠以85%的分離產(chǎn)率得到目標化合物，并對三氟甲基烯烴進行了底物拓展。此外，該反應還可以與末端烯烴、偕二氟烯烴以及芳雜環(huán)等自由基受體反應，均能以中等偏上的收率得到B–C成鍵目標產(chǎn)物(圖1)。
此外，利用該反應可一步獲得碳硼烷功能化的稠環(huán)化合物，進而可調(diào)控一系列稠環(huán)芳烴的光物理性質(zhì)。例如，通過光譜測試研究發(fā)現(xiàn)碳硼烷可以有效的抑制芘在溶液中的基激締合物發(fā)光，同時碳硼烷的大位阻效應可以極大的減弱分子間的相互作用，從而大幅提升分子的固態(tài)發(fā)光效率(42% vs 25%)。實驗表明碳硼烷對芘發(fā)光波長及效率的調(diào)控顯著（圖2)。
圖2.合成高效固態(tài)發(fā)光的碳硼烷衍生物
反應對生物醫(yī)藥分子中常出現(xiàn)的多肽片段也具有較好的兼容性。在該條件下可以直接合成同時含有多肽片段、氟原子以及碳硼烷的復雜分子(圖3)。預期該合成方法在硼中子捕獲療法抗癌(BNCT)中具有應用潛能。
圖3.合成含多肽和氟的BNCT候選藥物
綜上所述，燕紅課題組報道了光催化碳硼烷羧酸脫羧自由基偶聯(lián)反應，不僅為構(gòu)筑基于硼原子團簇的功能分子提供了一種有效的方法，而且在生物醫(yī)藥和發(fā)光材料應用等相關領域展現(xiàn)了應用潛力。研究論文以Site-Selective Functionalization of Carboranes at Electron-Rich Boron Vertex: Photocatalytic B-C Coupling via a Carboranyl Cage Radical為題于2022年6月7日在Angew. Chem. Int. Ed. 被選為VIP文章在線發(fā)表(DOI:10.1002/anie. 202205672)。文章的第一作者分別為南京大學化學化工學院博士生陳蒙和南京大學匡亞明學院本科生徐旌凱，本研究得到了國家自然科學基金委重點項目的支持。