本文发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊，在线发表日期为2017年4月7日。研究的主要作者包括安妮-弗雷德里克·佩夏曼（Anne-Frédérique Pécharman）、安妮·L·科尔巴奇（Annie L. Colebatch）、迈克尔·S·希尔（Michael S. Hill）、克莱尔·L·麦克马林（Claire L. McMullin）、玛丽·F·马洪（Mary F. Mahon）和凯瑟琳·维特曼（Catherine Weetman），所有作者均来自英国巴斯大学（University of Bath）化学系。这是一项关于新型亲核硼试剂开发的原创新研究。
在有机和药物化学领域，有机硼化合物因其在合成中的多功能性和广泛应用价值而成为极其重要的中间体。然而，传统有机硼烷的合成路线通常受到常见硼起始原料作为典型路易斯酸（Lewis acids）特性的限制，即硼主要作为亲电体参与反应。尽管实现便捷的亲核性硼基阴离子来源将为开发新的有机硼烷合成路线开辟广阔前景，但现有候选试剂的合成通常受到苛刻还原反应条件的制约。该研究的学术背景源于一个长期存在的挑战：如何简便地获得在硼中心表现出明确亲核性的稳定物种。自2006年山口、野崎等人首次报道亲核性硼基锂试剂（例如文献中的化合物1）以来，相关化学虽得到发展，但此类物种的合成通常需要强还原条件（如金属锂或C8K），且严重依赖硼中心周围庞大的空间位阻基团提供动力学稳定性，这些因素限制了其更广泛的合成应用价值。因此，本研究旨在开发一种操作简便、条件温和的新方法，以获得具有明确亲核性的硼试剂，从而绕过传统方法对强还原剂和大位阻保护基的依赖。
研究的详细工作流程主要包含两个关键阶段：目标镁硼基化合物（11）的合成，以及对该化合物作为硼亲核体反应性的详细验证。
第一阶段是核心镁硼基化合物（11）的合成与表征。研究从一个易于获取的β-二酮亚胺镁正丁基衍生物（化合物7）出发。首先，研究人员令化合物7与等当量的商业化试剂双(频哪醇合)二硼（B2pin2）反应。通过核磁共振（特别是11B NMR，显示δ 37.3和10.4 ppm的信号，分别对应sp2和sp3杂化的硼）和X射线单晶衍射分析，他们成功分离并鉴定出一种新的中间体——化合物9。晶体结构表明，化合物9是一个镁配合物，其阴离子部分为[PinB-Bpin(n-Bu)]-，并通过两个频哪醇酯基团的氧原子与镁中心配位。有趣的是，当使用过量的B2pin2（化合物7与B2pin2比例为1:2）或在室温下进行反应时，可以最大化生成另一种新物种——化合物10。X射线衍射分析揭示化合物10包含一个罕见的链状三硼阴离子[B3Pin3]-。密度泛函理论（DFT）计算对化合物9的优化结构及其前沿分子轨道分析表明，其最高占据轨道主要定位于β-二酮亚胺配体的π体系，而B-B键相关的轨道能量较低，这暗示化合物9并不适合直接作为[BPin]-阴离子的前体。为了获得终端硼基物种，研究人员尝试用强配位碱4-二甲氨基吡啶（DMAP）处理化合物9（或化合物10）。这一处理成功诱导了烷基硼烷（n-BuBpin）或B2pin2的消除，生成了目标产物——终端镁硼基化合物11。通过1H NMR、11B NMR（硼信号出现在高场δ -5.40 ppm）以及决定性的X射线单晶衍射分析，化合物11的结构得到完全确证。晶体结构显示，[BPin]-单元通过其sp2杂化的硼原子作为终端硼基配体与镁中心键合，配位环境中还包括β-二酮亚胺配体的两个氮原子和一个DMAP配体。DFT计算不仅很好地复现了其扭曲的三角锥形几何结构，还显示Mg-B键合相互作用主要位于最高占据轨道，且硼原子带有显著的正电荷（+0.318），这些都支持了该硼中心具有亲核潜能，这种亲核性源于Mg-B键的极化以及配体体系的电荷离域稳定作用。
第二阶段是系统评估化合物11作为硼亲核体的反应活性。研究人员选择了三种具有代表性的有机亲电体进行测试，以验证其亲核行为的明确性和广度。首先是与碘甲烷（MeI）的反应。在氘代甲苯中进行的反应经1H和11B NMR监测，迅速且定量地生成了甲基频哪醇硼烷（MeBpin，11B NMR δ 36.9 ppm）和镁碘化物（化合物12）。后者通过X射线晶体学确认为β-二酮亚胺镁碘化物，并保留了DMAP配体。为了排除可能的自由基反应路径，研究在反应体系中加入了自由基捕获剂9,10-二氢蒽，但并未观察到其对反应进程和产物产率的影响，支持了亲核取代机理。更重要的是，DFT计算清晰地描绘了该反应的详细能量路径。计算表明，整个反应是高度放热的（ΔGtol = -77.3 kcal mol-1）。反应能垒仅为8.5 kcal mol-1，对应于一个经典的SN2型过渡态（TS(11-12)a），其中硼基阴离子明确地从背面进攻碘甲烷的碳原子，证实了其作为亲核体的本质。计算还模拟了后续MeBpin解离和碘离子与镁配位的步骤，提供了从反应物到产物的完整微观图像。
其次，研究人员测试了化合物11与非卤代亲电体——二苯甲酮的反应。该反应同样迅速且专一地进行，生成了单一产物化合物13。X射线晶体结构分析表明，这是[BPin]-阴离子对羰基碳的亲核加成产物，形成了一个前所未有的二苯基(硼基)烷氧基镁物种。该结构证实了硼-碳键的形成，并且镁中心依然保留了DMAP配体。最后，研究还考察了化合物11与N,N’-二异丙基碳二亚胺的反应。反应同样实现了清洁的插入过程，形成了新的碳-硼键，生成了镁硼-脒基衍生物（化合物14）。X射线结构分析证实了碳二亚胺插入Mg-B键形成硼-脒基阴离子的结构。这一反应模式虽然与极性有机金属试剂与碳二亚胺的插入反应类似，但在当时的文献中，由M-B键进行的此类插入反应极为罕见，仅有一例由化合物1衍生的钪配合物的报道。
本研究的结论是，通过一个简单的两步反应——即从易得的有机镁试剂出发，经由B2pin2的异裂活化，再经DMAP处理——成功合成了一种终端的镁硼基化合物（11）。该化合物作为广泛应用的[BPin]基团的来源，表现出明确的、范围广泛的亲核特性。其亲核性在与卤代烷、酮和碳二亚胺的反应中得到了充分证实。这项工作的意义在于，它展示了一条通向亲核硼化学的新路径。该方法避免了对强还原条件（如碱金属）的依赖，也无需在硼原子上引入极端的空间位阻来获得动力学稳定性。尽管化合物11的分离仍然依赖于β-二酮亚胺配体提供的电子和空间稳定作用，但这一策略为发展更通用的硼基阴离子化学指明了方向，有望摆脱以往对苛刻条件和特殊保护的束缚。其科学价值在于深化了对主族元素（特别是硼）亲核化学的理解，提供了一种新的、温和的硼-硼键活化与官能化策略。应用价值则体现在为合成先前难以获取的有机硼分子（如通过亲核硼化反应）提供了潜在的新工具平台，可能在未来促进有机合成和药物化学中新型硼试剂和转化方法的发展。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：第一，方法学的创新性：开发了一种前所未有的、操作简便且条件温和（无需强还原剂）的合成策略，通过镁介导的B-B键异裂和随后的碱促消除，实现了终端亲核性镁硼基化合物的制备。第二，明确的机理阐明：不仅通过多种谱学和晶体学手段确证了中间体和最终产物的结构，还借助详尽的DFT计算，从电子结构（轨道、电荷分布）和反应路径（能量剖面、过渡态）两个层面，深刻揭示了硼中心亲核性的起源以及其与碘甲烷反应的具体机理，提供了坚实的理论支撑。第三，广泛的反应性验证：系统性地考察了目标硼试剂与不同类型亲电体（卤代烷、羰基化合物、不饱和杂累积烯）的反应，均取得了成功，并获得了结构新颖的产物，充分证明了其作为通用硼亲核体的潜力和合成应用前景。这些产物本身的分离与表征也为相关领域增添了新的知识。第四，重要的启发性：研究结果表明，通过巧妙的配体设计和金属选择，可以稳定并利用高活性的硼基阴离子物种，而无需诉诸于极端的反应条件。这为未来设计性能更优、适用范围更广的亲核硼试剂，以及探索硼元素在其他新型成键模式和催化循环中的应用奠定了重要基础。