在過去的二十年中，硼化已成為替代許多原料化學品中豐富非活性碳氫鍵的一種手段。氫原子轉移（HAT）過程可以克服惰性C(sp³)-H鍵的強鍵解離能（BDEs），從而將原料烷烴轉化為增值的精細化學物質。然而，HAT試劑的高反應性，加上不同的C(sp³)-H鍵強度之間的微小差異，使直鏈烷烴的位點選擇性轉化成為一個巨大的挑戰(zhàn)。

在此，中山大學胡鵬教授等人提出了一個在具有小空間位阻的襯底中光催化分子間自由基取樣過程，用于鐵催化的末端C(sp³)-H鍵的硼?；?，包括非支鏈烷烴。機理研究表明，該反應通過一個可逆的HAT過程進行，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。

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

長期以來，化學家一直在尋求通過C-H鍵官能團化，高效且可持續(xù)地將非反應性原料烷烴轉化為增值精細化學品。過渡金屬催化作用的出現(xiàn)使得芳香族化合物中C(sp²)-H鍵和具有定向基團的底物中C(sp³)-H鍵的功能化取得了很大的進展。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)性研究被報道。此外，C-H鍵對過渡金屬催化劑的反應性通常依賴于相應的鍵酸度（圖1A），末端炔烴和芳香環(huán)優(yōu)先與烷烴片段反應，導致底物對C(sp³)-H鍵功能化的限制。

相比之下，C-H鍵對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，通過活化物質，C(sp³)-H鍵的裂解可以通過HAT（氫原子轉移）過程，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行進一步反應。盡管HAT是各種化學、環(huán)境和生物過程中的一種基本機制，但傳統(tǒng)的HAT反應通常需要應用化學計量的HAT前驅體或苛刻的條件。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的基質，促進遠端C-H鍵的裂解。

然而，在溫和的條件下實現(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，并導致產(chǎn)物混合物。C(sp³)-H鍵之間的BDE值的細微差異是選擇性較差的另一個原因，盡管在熱力學上，亞甲基或甲基由于其鍵強度較低，代表了首選的反應位點（圖1B）。為了解決這個長期存在的問題，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，以產(chǎn)生區(qū)域選擇性的C(sp³)-H功能化產(chǎn)物。然而，實現(xiàn)簡單烷烴的選擇性修飾，特別是非支鏈的末端功能化，是一個巨大的挑戰(zhàn)（圖1B）。

本文考慮了兩種一般的途徑來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）。第一個途徑涉及一個區(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，這一過程迄今為止只實現(xiàn)了適度的末端選擇性。作為一個例子，之前報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阻礙的C(sp³)-H鍵，并實現(xiàn)了不尋常的選擇性。然而，當應用于直鏈底物（如戊烷）時，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，使初級和二級自由基的形成，然后是自由基采樣程序，以實現(xiàn)末端功能化產(chǎn)物的形成。非反應性次級自由基通過反向HAT反應恢復到底物分子（圖1C），當系統(tǒng)能夠根據(jù)空間位阻區(qū)分初級自由基和次級自由基時，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體，用于通過光誘導配體到金屬電荷轉移（LMCT）過程生成氯自由基。

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

圖2.?簡單基底的范圍

圖3.?進一步的應用

圖4.?機理研究

圖5. 機理的進一步提出

綜上，本文通過氯化鐵光催化實現(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硼酰化。與傳統(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耐受性。該策略為通過HAT實現(xiàn)區(qū)域選擇性C(sp³)-H鍵功能化提供了一種簡單方便的方法，特別是對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). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj9258