硼酸化合物在有機合成、催化、材料科學、藥物發現和分析化學領域有著日益增長的重要應用。鑒于芳香族硼酸的重要性，最好能有一個單一的催化策略，能使所有常見的碳雜原子鍵[包括C-O、C-N和C-X（X=Cl、Br和I）鍵]進行硼化。自從紫外光誘導的Ar-X和Ar-N硼化被發現以來，研究人員開發了許多方法實現一些芳基雜原子鍵的硼化。盡管取得了令人矚目的進展，但仍需努力開發一個更加普適的光催化策略，已實現更具可持續性和官能團耐受性的碳-雜原子鍵的硼化反應。
近日，美國德克薩斯大學圣安東尼奧分校Oleg V. Larionov課題組報道了一種無金屬、可見光誘導的一系列碳雜原子鍵的硼化反應。該成果以Article形式發表在J. Am. Chem. Soc. 上（DOI: 10.1021/jacs.9b12519）。
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
首先，作者研究了C-O鍵的硼化。作者以芳基磷酸酯這樣一類具有非常負的還原電位的物質作為可見光誘導C-O鍵活化的底物，并選擇吩噻嗪PTH1這種普通而廉價的商品化學品作為光催化劑。作者假設PTH1可以在適當的堿存在下與芳基磷酸酯進行光誘導的質子耦合電子轉移（PCET）過程，通過這種明顯不同的光活化歷程，有效地提高了其還原強度，并通過與二硼化試劑的均相取代實現接下來的硼化反應。研究表明，未經取代的催化劑PTH1對于芳基硼化具有獨特的光催化活性，而N-氫原子被甲基或苯基（PTH2和PTH3）取代后導致催化活性顯著降低。而結構相似的NH-吩噻嗪PTH4表現出稍有改善的性能，可能是由于更富電子的核結構具有更強的還原性（Table 1）。
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
對照實驗表明，在沒有光照、PTH1或碳酸銫的條件下，硼化產物是不能生成的。加入能改善堿溶解性和相轉移的試劑水和18-冠-6后觀察到硼化反應速度更快，因此作者認為堿在催化過程中起到重要作用。其他堿也能促進硼化反應，但碳酸銫表現出最佳的性能（Table 2）。
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
接下來，作者擴展了光催化芳基磷酸酯硼化的底物范圍。富含電子的磷酸酯（2-11）容易被硼化。與藥物相關的氟取代底物（12和13），以及酰胺（14）和氨基甲酸酯（15）均可以適用于該反應。帶吸電子基團（如氰基，氧硼基，酯基）的芳基磷酸酯同樣是合適的底物（16-18）。苯環上不同位置被取代的底物均能夠順利反應（18-20）。此外，作者還進行了克級規模的合成（3和17）。含有各種N-雜環的芳基磷酸酯產率較高（21-28）。此外，聯苯和萘衍生的磷酸酯也容易被硼化（29-30）。作者對雌酮、雌二醇、酪氨酸、酪胺和嗎氯貝胺的衍生物進行了光誘導的C-O硼化（31-35），表明該方法可用于天然酚類和藥用酚類的硼化反應。
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
作者接著擴展該方法在C-N鍵硼化方面的應用（Table 4）。作者以芳基季銨鹽為底物，其在PTH1-光催化下可以順利進行C-N鍵硼化反應（3）。苯環上鄰位、間位和對位的取代基耐受性良好（4，9，37-41）。藥物相關的含氟底物容易被硼化（39-42）。酯基和砜基（42-43），以及萘鹽（30）和含雜環的產物（44-46）產率較高。此外，一些具有良好生物活性分子也可很好地進行硼化（47-48）。
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
作者還將此方法拓展至鹵代芳烴的硼化反應（Table 5）。鹵代芳烴是最常用和容易得到的硼酸前體化合物，盡管氯苯和對氯甲苯的還原電位很低，但它們仍能很好地轉化為相應的硼酸酯3和2。氧硼基、巰基、無保護的氨基、酰胺、酯和其他吸電子基團耐受性良好（16，17，60-70）。各種二芳基和多環鹵代芳烴（29，30， 68-74）被轉化為相應的硼酸酯，所得目標產物產率良好并與鹵素離開基團無關。
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
雜環硼酸鹽是許多交叉偶聯反應的關鍵前體，作者評估了大量雜環前體在新催化體系中的適用性（Table 6）。眾多取代吡啶硼酸酯（75-84），以及硼化喹啉、吲哚和咔唑（85-91）均能順利反應。作者也評估了硼化雜環（92-95）的反應性能。含氧和含硫雜的環化合物也可耐受（96-100）。新的硼化反應體系在復雜的天然產物和一些藥物分子中同樣可以很好地進行（Table 7）。
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
新催化體系也可用于一步引入兩個硼基，合成的二硼芳烴可作為磷光材料得到應用（Table 8）。此外，作者還以二硼酯作為硼化試劑進一步拓展了該催化體系的應范圍（Table 9）。
（來源：J. Am. Chem. Soc.）
自由基時鐘實驗、核磁共振波譜法、熒光淬滅實驗以及該催化反應的N-取代基效應等一系列的機理實驗均表明，PTH1的光氧化還原催化作用是由一個質子耦合電子轉移過程實現的，該過程源于PTH1-碳酸鹽相互作用，從而實現以前不適用于該類光催化的底物的硼化。
小結：作者開發了一種無金屬、可見光誘導的一系列碳雜原子鍵的硼化策略。光催化是由簡單的，豐富易得的低分子量雜環化合物吩噻嗪PTH1和堿通過質子耦合電子轉移機制以將具有低還原電位的碳雜原子鍵硼化，該反應具有極好的官能團耐受性。
