另辟蹊徑：《Nature》報(bào)道史壯志團(tuán)隊(duì)在碳?xì)渑鸹I(lǐng)域進(jìn)展
碳?xì)滏I是有機(jī)分子中最基本、最普遍的化學(xué)鍵。如何對惰性的碳?xì)滏I進(jìn)行高效地轉(zhuǎn)化，是有機(jī)化學(xué)的前沿?zé)衢T領(lǐng)域。由于復(fù)雜的有機(jī)分子中通常含有多個(gè)不同類型的碳?xì)滏I，如何精準(zhǔn)地活化某一個(gè)特定位置是該領(lǐng)域的難點(diǎn)。目前最有效的策略是利用導(dǎo)向基團(tuán)與金屬配位來實(shí)現(xiàn)。從早期利用鋰試劑進(jìn)行鄰位鋰化，到現(xiàn)在廣泛使用的過渡金屬參與的導(dǎo)向金屬化，金屬與碳?xì)浠罨恢笔蔷o密相連的。然而，這些方法通常使用貴金屬作為催化劑，造成生產(chǎn)成本上升、產(chǎn)物中重金屬殘留等問題，這些在藥物合成中尤為突出。因此，開發(fā)無金屬參與的導(dǎo)向碳?xì)浠罨磻?yīng)顯得十分重要。
南京大學(xué)史壯志教授課題組在非傳統(tǒng)反應(yīng)位點(diǎn)精準(zhǔn)官能團(tuán)化領(lǐng)域已經(jīng)取得一系列成果（圖1）。1）利用過渡金屬催化實(shí)現(xiàn)吲哚4-7號位精準(zhǔn)的碳?xì)浞蓟⑼榛?、烯基化、酰基化，打破吲哚官能團(tuán)化優(yōu)先發(fā)生在2,3號位的規(guī)律；2）發(fā)展了一系列非傳統(tǒng)反應(yīng)位點(diǎn)的精準(zhǔn)硼化反應(yīng)。硼酸酯類化合物在材料、藥物以及化工合成中均有廣泛的應(yīng)用。基于硼化學(xué)的多樣性，實(shí)現(xiàn)了對碳?xì)洹⑻挤?、碳氮和碳碳鍵等進(jìn)行精準(zhǔn)切斷、硼化，得到高值的有機(jī)硼產(chǎn)物，為碳硼鍵的構(gòu)建提供了新的思路。
圖1. 課題組研究基礎(chǔ)
在吲哚苯環(huán)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的碳?xì)渑鸹且粋€(gè)非常重要，且極具挑戰(zhàn)的研究課題。近期，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一類無金屬參與的精準(zhǔn)碳?xì)渑鸹绞?。硼作為一種非金屬原子，有部分金屬特性。利用硼原子的金屬特性與導(dǎo)向基團(tuán)配位，可以在無需金屬參與的情況下實(shí)現(xiàn)碳?xì)浠罨?、硼化反?yīng)。其開發(fā)的方法是利用非常廉價(jià)、易得的三溴化硼作為硼源，與?；湮话l(fā)生碳?xì)浠罨俳?jīng)過后續(xù)處理，高產(chǎn)率、高效率的得到各類硼酸酯。在吲哚氮原子上安裝叔丁?；稍谶胚岬?號位發(fā)生精準(zhǔn)的硼化反應(yīng)；在吲哚的3號位安裝叔丁酰基，就能在吲哚的4號位發(fā)生碳?xì)渑鸹磻?yīng)。更重要的是，該無金屬策略適用于其它芳雜環(huán)鄰位的碳?xì)滏I硼化，具有非常高的普適性。在美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）K. N. Houk教授協(xié)助下，結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)輔助，首次發(fā)現(xiàn)了三溴化硼的雙重角色：既作為反應(yīng)原料又是催化劑。該發(fā)現(xiàn)不僅為碳硼鍵的構(gòu)建、天然產(chǎn)物及藥物分子的合成提供了新的手段，而且簡化了反應(yīng)用料，降低了反應(yīng)成本，避免了在藥物合成中重金屬殘留等問題，具有重要的合成化學(xué)價(jià)值和良好的工業(yè)應(yīng)用前景（圖2）。
圖2. 無金屬導(dǎo)向碳?xì)渑鸹?/p>
該成果“Metal-free directed C-H bond activation and borylation”，以南大為第一通訊單位，發(fā)表在Nature 正刊上(論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1640-2)。博士研究生呂佳航（南京大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)）為第一作者。文章的計(jì)算部分是與美國加州大學(xué)洛杉磯分校K.N.Houk教授合作完成。該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇杰出青年基金、江蘇省“雙創(chuàng)計(jì)劃”的大力支持。
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