近日，上海交通大学化学化工学院、张江高等研究院合成科学创新中心陈朝煌课题组报道了一类新型的双功能单卤代芳基硼烷试剂的开发，首次实现了少取代硼杂环丙烯的合成与结构鉴定，并初步探索了其化学反应性质。相关成果以“Synthesis of Less-Substituted Borirenes Enabled by a Crystalline Arylhalohydroborane Reagent”为题，发表于Journal of the American Chemical Society.

一、研究背景

硼杂芳香环因其独特的电子结构与物理化学性质，近年来在合成化学及功能材料等领域备受关注。其中，硼杂环丙烯作为环丙烯阳离子的等电子体，是最小的硼杂 Hückel 2π-芳香环系统，展现出极高的理论研究价值与潜在应用前景。然而，迄今文献报道的稳定硼杂环丙烯均需借助全位点大位阻或富电子基团进行修饰，主要原因有：其一，热力学与动力学不稳定性：三元环系固有的巨大环张力极易驱动其发生二聚或开环降解；其二，合成路线的局限性：现有的主流策略（如硼宾与炔烃的[1+2]环加成、炔基硼烷的光异构化等）底物适用范围窄，无法有效应用于低取代/少取代硼杂环丙烯的构建。因此，开发高效的合成新策略，实现少取代硼杂环丙烯的制备并深入探究其理化性质，不仅能够有效丰富该类化合物的结构多样性，更对拓宽其在主族元素化学与功能材料领域的潜在应用具有重要意义。

图1. 硼杂环丙烯的结构特征与合成方法（JACS）

针对该问题，本工作设计开发了一类兼具B-H和B-Cl/Br双官能团的单卤代芳基硼烷试剂，成功构建了一条高效合成多种少取代硼杂环丙烯的新路线。该策略首先通过炔烃的选择性 1,1-氢硼化反应构建前体，随后在 NHC 与碱的协同作用下高效发生分子内环化。研究表明，通过在烯基碳上引入 π-供电子基团（如芳基和炔基），并在硼原子上引入吸电子基团（Xyl^F），能够显著增强体系的电子“推-拉”（Push-Pull）效应。这一电子效应有效弥补了空间位阻的不足，成功稳定了该类较低位阻硼杂环丙烯，从而实现了它们的分离纯化与结构表征。此外，研究还发现该类硼杂环丙烯具有独特的化学反应性：其极性 C–B σ-键可发生多次异氰插入，从而温和高效地生成五元乃至六元硼杂环化合物。

二、研究内容

2.1 单卤代芳基硼烷试剂的制备

本论文首先基于弱配位配体稳定策略，成功开发出一种新型双功能单卤代芳基硼烷试剂 [Xyl^FBHX·SMe₂, Xyl^F = 2,6-(CF₃)₂phenyl; X = Cl, Br] (2a,b)。控制实验表明，在缺少弱配位配体的情况下，B-H到B-X的交换反应选择性较差，仅得到难以分离的混合物。值得一提的是，该类卤代芳基硼烷试剂具有制备简便、纯化容易且无需严苛条件控制等显著优势；其中，代表性试剂2a可轻松放大至>20g以上单批次合成规模，展现出极佳的实用与放大生产潜力（已申请国家发明专利，申请号：202610259844.0）。

图2. 单卤代芳基硼烷试剂的合成（来源：JACS）

通过一系列反应条件的系统优化，作者以氯代芳基硼烷2a和TMS取代芳炔3a,b为起始原料，经由炔烃选择性1,1-氢硼化-卡宾配位-碱促进脱硅/分子内环化的串联反应路径，成功实现了配体稳定型硼杂环丙烯 7a,b 的高效制备。在此基础上，进一步引入大位阻路易斯酸B(C₆F₅)₃去除配体，顺利构建了无碱稳定的硼杂环丙烯8a,b。本路线涉及的所有重要反应中间体及最终产物结构，均通过核磁及 X-射线单晶衍射进行了系统的表征与鉴定。此外，作者利用密度泛函理论（DFT）计算深入解析了化合物8b的电子结构，证实了其明确的2π-芳香性，阐明了硼原子上大位阻缺电子取代基在维持该三元环系结构稳定性中的关键作用（详见原文）。

图3. 硼杂环丙烯的分步合成（来源：JACS）

论文进一步对该合成策略的实用性与底物/官能团兼容性进行了考察。通过对反应条件的精细优化，成功实现了从原料3到卡宾稳定型硼杂环丙烯7的“三步一锅法”高效合成。该体系展现出出色的官能团耐受性，不仅能良好兼容芳基、烷基、环烷基、卤素、氰基以及邻位硅基/三氟甲磺酸酯（苯炔前体）等多种常见官能团，还可拓展至稠环芳烃、含硫/氮杂环（如二苯并噻吩、咔唑）及炔基取代的底物；此外，该反应具有优异的放大潜力，可顺利完成克级规模制备。值得注意的是，当使用双TMS取代炔为底物时，体系在经历1,1-氢硼化及卡宾配位后，会发生自发的TMSCl消除并重排生成炔基硼烷。这一关键机理现象表明：少取代硼杂环丙烯的稳定化构建，至少需要一个共轭取代基（如芳基或炔基）提供充分的“π-供电子”效应。

图4. 底物普适性（来源：JACS）

随后，作者利用DFT计算和控制实验对反应可能的路径进行了初步的研究。理论与实验结果表明，反应可能首先经历了碱对烯基TMS的消除过程（决速步），随后发生分子内的快速环化得到硼杂环丙烯三元环骨架（详见原文）。

图5. 反应机理研究（来源：JACS）

最后，作者以硼杂环丙烯8b为模型化合物，对化学反应性进行了初步探究。化合物8b 表现出对水的高敏感性，在空气氛围下极易与微量水发生反应并引发开环。有趣的是，该类少取代体系展现出了与传统全取代硼杂环丙烯截然不同的独特化学性质：全取代体系通常因较大的空间位阻仅能与亲核试剂发生简单的配位作用，而8b由于空间位阻显著降低，在室温下即可发生连续异腈（RNC）插入构建硼杂五元环化合物。进一步在加热条件下，该五元环甚至能够首次实现三重异腈（DippNC）插入，构筑出结构新颖的硼杂六元环体系。这也是首次实验发现硼杂环丙烯类化合物可以发生多达三次异腈的插入反应，不仅开拓了该类化合物的化学空间，也为新型含硼杂环化合物的构建提供了新的合成思路。

图6. 反应性质研究（来源：JACS）

三、小结

本论文设计开发并巧妙利用新型双功能单卤代芳基硼烷试剂，成功发展出一条高效构建少取代硼杂环丙烯化合物的全新合成路线，首次实现了硼杂环丙烯的“瘦身”。研究表明，在NHC/碱协同促进的分子内环化策略下，结合碳原子上π-供电子基团与硼原子上强吸电子Xyl^F基团所诱导的“推-拉”电子稳定效应，成功克服了该类最小Hückel含硼芳香环长期存在的结构局限与合成瓶颈，实现了该类高活性三元环的分离与结构表征。此外，从三元硼杂环向复杂五元及六元硼杂环的连续扩环反应的发现，不仅丰富了其反应性图谱，也展现了该类少取代硼杂环丙烯作为高活性砌块在合成硼化学中的广阔应用前景。

论文第一作者为上海交通大学24级博士生杜传标（独立完成本论文所有实验），24级博士生张梓鹏以及德国明斯特大学Dr. Constantin G. Daniliuc共同完成论文单晶数据的收集与解析，上海交通大学陈朝煌长聘教轨副教授为论文通讯作者。感谢上海光源BL17B1线站工作人员在本论文部分化合物的单晶数据收集中给予的技术支持。该工作得到国家自然科学基金（22301175）以及上海交通大学启动资金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c11149