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Nat. Commun.：北大劉志博課題組報道可見光催化直接脫羧硼化方法學

來源：北京大學      2022-11-25
導讀：近日，北京大學化學與分子工程學院應用化學系劉志博課題組與合作者在Nature Communications上發表題為“Photocatalytic direct borylation of carboxylic acids”的研究論文。該研究首次報道了羧酸類化合物在可見光催化下的直接脫羧硼化方法學。方法采用由銥催化劑和鈷催化劑組成的溫和、高效的可見光催化體系，同時借助有機胍類催化劑的仿生活化策略解決了羧基自由基脫羧和其硼化過程在動力學平衡上的難題。該反應在空氣條件下高效進行，具有步驟經濟性高和官能團相容性好的特點。通過系統的機理研究及理論計算證明該反應能夠通過四甲基胍(TMG)和羧酸的氫鍵活化作用來有效降低羧酸的氧化還原電位，并同時平衡其自由基硼化過程，從而實現硼化反應的發生。
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圖1 可見光催化，有機胍類催化劑仿生活化的羧酸直接硼化方法學研究
硼酸類化合物是重要的合成砌塊，廣泛應用于多種經典的偶聯反應來構建復雜分子。本身也可以作為重要的生物活性分子或硼遞送載體應用于含硼靶向藥物，前藥激活及BNCT硼遞送藥物的開發當中。以廉價易得的羧酸為原料進行脫羧硼化反應是構建硼酸類化合物的重要策略。因羧酸類化合物本身高氧化還原電位的特點，以往已報道的脫羧硼化反應均需通過共價鍵結合形式步驟合成或者在線生成相應羧酸衍生物進行預活化，才能實現最后硼化。例如，Baran課題組和Aggarwal課題組2017年報道將羧酸預活化成NHPI酯的方法以及2018年Szostak課題組通過高溫下在線生成的酸酐中間體分子實現的脫羧硼化。今年4月份，MacMillan課題組也報道了脫羧硼化領域的新進展，通過紫外光誘導的銅配體-金屬電荷轉移 (Cu-LMCT)活化芳基羧酸實現硼化 (圖1a)。
作者受到生物體內酶催化羧基生物轉化的啟發 (圖1b)，設計并篩選出兼具堿性和親核特性的雙功能胍類有機小分子來催化活化羧酸的直接脫羧硼化。反應過程無需額外化學計量添加劑，一步反應直接實現羧酸的脫羧硼化，提高了硼化反應的步驟經濟性 (圖1c)。反應可以兼容不同電性取代和不同位置取代的苯甲酸，其他芳香羧酸包括萘，苯并呋喃和苯并噻吩衍生的羧酸底物也均能以中等至較高收率得到目標產物，酸堿敏感的二氟甲基、氧化敏感的醛基等基團均能耐受該反應條件。包括adapalene等藥物活性分子可以直接實現該條件下的脫羧硼化后修飾。系統的機理研究及理論計算表明，當苯甲酸與四甲基胍通過氫鍵作用結合時，其氧化還原電位由原來的+2.51 V降低為+1.39 V，使得底物可以被Ir催化劑和Co催化劑催化循環反應所生成的四價Ir(IV)光敏劑直接氧化脫羧，并在另一分子胍基活化的硼化試劑參與下完成硼化。
劉志博課題組博士后魏強博士為該文的第一作者，劉志博研究員為通訊作者，同時得到蘭州大學核科學與技術學院吳王鎖教授團隊的支持，理論計算部分主要由中國科學院化學研究所白書明課題組完成。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京市重點研發專題、李革-趙寧生命科學青年研究基金、昌平實驗室、化學與分子工程學院、北大-清華生命科學聯合中心以及北京大學分析測試中心的支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34833-1
參考資料：https://www.chem.pku.edu.cn/kyjz/145605.htm


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