Nature Chem.：高稳定性B-N-O六元杂环的合成及其催化活性

新化合物的合成以及其性质的探索一直是化学学科研究中的一个重要方向。具有C(sp²)杂化的石墨烯及其衍生物由于其特殊的电子性质倍受研究者关注。随着研究的深入，B、N、O掺杂的六元环结构也被逐步发掘。作为C=C的电子等排体，B=N的取代依然能够部分保持离域π键的性质，加之其它方面的电子特性，B、N、O掺杂的六元环结构也同样应用于部分电子器件上。

在环硼氮烷结构的基础上，研究者们又将O引入到了六元环中，进一步探索B、O、N三种原子取代的六元杂环体系的合成与性质。日本微生物化学研究所的Masakatsu Shibasaki和Naoya Kumagai等人研究了1,3-二氧杂-5-氮杂-2,4,6-三硼杂环烷（DATB）的制备，并发现了这类分子在催化酰胺化上的优异性质，这一工作发表在Nature Chemistry上。

如图一所示，作者给出了不同数量的B原子取代C六元环结构的示意图，最下方的为初始的苯环结构，B=N相间取代C=C结构便得到了环硼氮烷结构（图一左上角），而O取代部分的N原子便得到了DATB的杂环结构（图一高亮）。

图一. B、C、N、O原子组成的六元环结构示意图。图片来源：Nature Chem.

DATB的合成重点在于B-N-B骨架的构筑，作者从2,6-二溴苯胺出发，通过Pd催化的Suzuki–Miyaura偶联反应接入苯环（图二a），并引入B原子，得到化合物4。利用相似的Suzuki偶联反应并水解可以引入另一个B原子得到化合物7。7可以与苯硼酸缩合得到目标产物DATB 1，或自身两分子缩合得到DATB 8。

图二. DATB的合成及热稳定性、键长性质。图片来源：Nature Chem.

DATB 1a拥有一般的B-O六元杂环所不具备的高热稳定性，同时B₃NO₂六元环的构象接近平面结构。B-N键的键长为1.4424-1.4427 Å，是标准的芳香B-N键键长。B-O键的键长则在单键键长范围内，因而B-O六元杂环具有较低的芳香性。热力学的计算表明DATB对水不敏感，同时骨架上的B具有Lewis酸性。作者用磷酰胺与DATB的碱加合物反应，骨架上的B与磷酰胺的O和N分别成键，得到了金刚烷的立体结构（加合物I）（图三a）。如果将P替换成C即为酰胺的结构。作者受此启发，推测DATB可能具有催化有机酸与胺偶联得到酰胺的性质。

图三. DATB催化有机酸与胺直接酰胺化。图片来源：Nature Chem.

以往的工作已有关于B作为Lewis酸中心催化羧酸与胺类化合物偶联的报道，但反应的收率比较低，对大位阻羧酸参与的偶联反应催化效果较差。作者认为主要是由于现有的B催化剂仅活化了羧酸基团（图三b, III），而DATB分子上的3个B位点可以同时与羧酸的羧基和胺类化合物的氨基作用，有效拉近了两个底物，促进偶联过程的发生。作者以化合物10a与11a的反应为例，筛选了包括DATB在内的不同含B催化剂，结果显示， 以DATB六元环结构为催化剂参与的反应得到了较高的反应收率。在一定条件下，8a催化该反应的收率达到了95%。相比之下，不具有同时与羧基和氨基作用的催化剂并没有促使大位阻酸10a参与反应的催化活性。这也进一步说明了具有Lewis酸性的B位点的重要性。

作者进一步用DATB 8a作为催化剂进行了底物普适性考察，该催化剂对大位阻的酸都表现出了较高的催化效率（图四）。酰胺键广泛存在于生物大分子和多肽类药物中，DATB的合成对直接构建酰胺键有着一定的指导意义。作者利用该方法成功合成了伏立诺他、舒尼替尼、氨磺必利等药物。同时，用DATB催化合成酰胺时得到的产物具有良好的对映选择性。

图四. DATB 8a的底物普适性考察。图片来源：Nature Chem.

总结以上内容，DATB的B₃NO₂六元环结构具有B-N-B和O-B-O的结构单元，O-B-O结构能够提供Lewis酸位点与胺结合，而B-N-B则能与羧酸作用，最终催化酰胺的生成（图五）。由于DATB热稳定性强，对水不敏感，在商品化制备酰胺类化合物中具有潜在的应用价值。

图五. DATB催化酰胺化的机理示意图。图片来源：Nature Chem.

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Unique physicochemical and catalytic properties dictated by the B₃NO₂ ring system

Nature Chem., 2017, DOI: 10.1038/NCHEM.2708

（本文由殢无伤供稿）

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