导语
研究背景
有机硼化合物是现代合成化学中不可或缺的中间体，在药物发现、农用化学品开发及先进材料领域应用广泛。其中，芳基硼酸酯因其在交叉偶联反应及下游官能团化反应中的多功能性而尤为重要。硝基芳烃是非常易得的原料原料。硝基取代基的强电子效应使其具有独特的反应性，例如间位选择性亲电取代、对位选择性亲核取代、邻位选择性亲核取代（VNS）及 C−H 键官能团化等。（图1）因此，若能将硝基芳烃直接转化为芳基硼类衍生物，可构建结构多样的分子库。尽管硝基芳烃的脱硝基转化方法已较为成熟，但芳环 C−N 键向 C−B 键的转化仍有待深入研究。本课题组此前通过电化学方法实现了硝基芳烃的硼化：该方法将硝基还原与后续的 Sandmeyer 硼化相结合，首次实现了硝基芳烃到芳基硼酸酯的转化。在此基础上，受光诱导硝基芳烃还原及自由基硼化反应研究进展的启发，本文报道了一种无金属、可见光驱动的硝基芳烃硼化反应。该策略在温和条件下可获得中等到良好产率的芳基硼酸酯类化合物，该方案具有广泛的底物适用性，并采用了实用的蓝光作为光源。
图1 硝基芳烃的光化学硼化（来源: J. Org. Chem.）
成果概述
作者以 4-硝基甲苯和联硼酸频哪醇酯（B₂pin₂）为标准底物，探究该转化反应的可行性。通过对一系列反应条件的筛选，确定最优反应条件为：以曙红 Y（5 mol%）为光敏剂，亚硝酸叔丁酯（tBuONO，2.0 当量）和吡啶（2.0 当量）为添加剂，异丙醇 / 乙腈（iPrOH/MeCN，体积比 1:3）为混合溶剂，在蓝光 LED（430 nm）照射下，室温反应 12 小时。在此条件下，我们又探索了更广阔的底物范围，其中·包括除草醚，尼美舒利等药物分子结构，均能得到良好的收率（图2）。
图2 底物范围探索（来源: J. Org. Chem.）
后续转化及应用研究
为展现该方法的合成实用性，作者将其应用于生物活性分子的后期修饰（图3）。以抑制剂尼美舒利为底物，通过该方法实现克级规模的硼化反应，以76%的产率得到化合物，所得化合物可通过氧化、碘化、氰基化及 Suzuki−Miyaura 偶联反应，轻松转化为一系列衍生物；该方法还可用于连续转化：例如，对氟硝基苯与 2,4 – 二氯苯酚发生亲核芳环取代反应高效合成除草醚；随后通过该策略得到硼化产物；4 – 硝基甲苯经亲电溴化后，再通过本研究的硼化方法，两步反应得到硼化产物。
图3 合成应用与转化（来源: J. Org. Chem.）
机理研究
通过控制实验等调查研究，作者提出了如下反应机理（图4）：硝基芳烃在光激发下，与异丙醇发生双氢原子转移，生成二羟胺中间体，脱水生成亚硝基物种；亚硝基物种与B₂pin₂ 快速发生双硼化反应，得到双硼中间体，随后中间体水解生成羟胺，羟胺经转硼脱氧反应生成芳胺，芳胺继续与 tBuONO 发生重氮化反应，生成芳基重氮盐，芳基重氮盐与B₂pin₂ 反应生成芳基重氮阳离子及相应的双硼配合物。中间体22与23之间发生单电子转移（SET），释放氮气（N₂）并生成芳基自由基；芳基自由基与物种25偶联，最终生成目标产物。
图4 可能的机理（来源: J. Org. Chem.）
总结
张华教授简介
张华，中南民族大学化学与材料科学学院教授，硕士生、博士生导师。2008.6（本科）、2013.6（博士）毕业于武汉大学。2013.8-2015.12于日本名古屋大学（JSPS）和美国加州大学尔湾分校从事博士后研究。2016.3-2019.11于南昌大学开展独立科研工作（特聘教授，博士生导师）。2019.12至今于中南民族大学开展独立科研工作（教授，硕士生导师）。主持国家自然科学基金青年项目（2017-2019）与面上项目（2023-2026）。荣获2020年度Thieme Chemistry Journals Award。受邀担任Science等国际知名期刊的审稿人。在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等期刊发表学术论文三十余篇。