关于钾N-硼基异腈胺：合成、结构及作为氨基和氰基转移试剂应用的学术研究报告
一、 作者、机构与发表信息
本研究的主要作者为刘志强（Zhiqiang Liu）、张子鹏（Zipeng Zhang）、张荣平（Rongping Zhang）以及通讯作者陈朝煌（Chaohuang Chen）。所有作者均来自上海交通大学化学化工学院、张江高等研究院、协同化学与生物合成国家实验室、手性药物分子工程上海重点实验室。本研究作为一篇原创研究论文，发表于《Journal of the American Chemical Society》（美国化学会志），接收日期为2026年1月14日，修订日期为2026年2月25日，接受日期为2026年2月27日，最终在线发表日期为2026年。支持信息（Supporting Information）及晶体学数据可通过指定链接获取。
二、 学术背景与研究目的
本研究隶属于有机合成化学与金属有机化学交叉领域，核心研究对象是功能化重氮甲烷化物（FG-substituted diazomethanides）的异构体——金属化的硼基异腈胺（borylisocyanamide）。自19世纪80年代被发现以来，重氮化合物因其作为理想的卡宾前体而在合成化学中扮演着关键角色。金属化的重氮甲烷化物（如结构 III）具有丰富的反应性，例如释放氮气形成卡宾、以及作为1,3-偶极体参与环加成反应。通过在活性中心引入电子和空间效应可调的取代基，可以有效地调控这类化合物的稳定性和化学反应性。
然而，与广泛研究的其他功能化重氮甲烷化物（如含硅、磷取代的）相比，硼取代的重氮化合物及其金属化衍生物的研究仍非常有限。α-硼基重氮甲烷的金属化可能产生两种异构体：硼基重氮甲烷化物（boryldiazomethanide, VI）或其异构体硼基异腈胺（borylisocyanamide, VII）。由于硼的空p轨道，预期可通过极化作用形成B=C或B=N双键特征。早在1991年，Bertrand等人曾报道通过α-硼基重氮甲烷的去质子化，在溶剂依赖的方式下形成了[Li][R₂BCN₂]或[Li][R₂BN₂C]，但它们的固态结构和化学活性仍未得到充分探索。
本研究的目的是：1）探索并实现α-硼基（三甲基硅基）重氮甲烷的选择性去硅化反应，明确其产物结构；2）合成并分离得到稳定的钾N-硼基异腈胺，并通过单晶X射线衍射等技术确证其分子结构；3）系统研究该类新型化合物的电子结构及其独特的双功能反应性；4）基于其反应性，开发具有合成应用价值的新型转化反应，特别是作为双功能基团转移试剂的应用。
三、 详细研究流程与方法
本研究包含以下几个主要步骤：目标前体的合成与表征、钾硼基异腈胺的合成与结构表征、反应性探索、机理研究以及合成应用开发。研究过程中综合运用了有机合成、单晶X射线衍射、多种光谱技术（核磁共振NMR、红外IR、高分辨质谱HRMS）、以及密度泛函理论（DFT）计算等方法。
1. α-硼基（三甲基硅基）重氮甲烷的合成与表征 研究首先从合成关键前体α-硼基（三甲基硅基）重氮甲烷开始。作者假设，一个环状硼基取代基可能有助于稳定目标金属化产物。最初尝试使用空间位阻较大的N,N’-双(2,6-二异丙基苯基)-2-溴-1,3,2-二氮杂硼烷与Li[TmsCN₂]反应未获成功。随后，作者转向空间位阻较小的配体，即N,N’-双(2,6-二异丙基)苯并-1,3,2-二氮杂硼烷基（化合物 1a）。在室温下，将化合物 1a 与Li[TmsCN₂]在己烷中反应12小时，成功以77%的收率克级规模合成了硼基（三甲基硅基）重氮甲烷 2a。类似地，合成了N,N’-二甲基类似物 2b（收率68%）。
通过核磁共振（¹H, ¹¹B, ¹³C）和红外光谱对 2a 和 2b 进行了充分表征。尽管 2a 和 2b 呈油状物，但作者成功从 2b 的饱和戊烷溶液中获得了单晶。X射线单晶衍射分析（图1）明确显示了重氮甲烷单元的结构，其中三甲基硅基和硼基取代基均连接在碳原子上。晶体结构分析显示，N₃-B₁-N₄平面与N₁-C₁-Si₁平面之间的二面角约为52.0°，这显著小于先前报道的位阻更大的类似物（89.6°），表明“CN₂”单元的电子向硼的空p轨道发生了显著的离域作用。这一推论得到了自然键轨道（NBO）分析的支持，计算表明C₁孤对电子与B₁空p轨道之间的给体-受体相互作用具有64.6 kcal/mol的稳定化能。
2. 钾N-硼基异腈胺的合成与结构确证 接下来，研究者探索了所得α-硼基（三甲基硅基）甲烷的去硅化反应。经过条件优化，发现用KOtBu在THF中于-30°C处理化合物 2a，可以单一异构体的形式得到一种新物种 3a，为淡黄色固体。其核磁共振谱（¹¹B NMR: δ 24.0 ppm; ¹³C NMR: δ 111.9 ppm (宽峰)）、高分辨质谱（ESI(-)模式检测到[M-K]⁻离子）以及红外光谱（2079 cm⁻¹的N≡N-C伸缩振动，区别于 2a 中2046 cm⁻¹的C=N₂振动）均表明去硅化成功，并可能形成了[硼]N₂C阴离子。
为了确定 3a 的分子结构，作者采用冠醚策略来隔离钾阳离子。当在 2a 与KOtBu的反应中加入二苯并-18-冠-6（L1）后，经过后处理分离得到白色固体化合物 4a，收率54%。其X射线单晶衍射结构（图2）明确无误地揭示了选择性形成的是[B]=N-N≡C阴离子，且钾阳离子（被 L1 络合）配位在末端的碳原子上，而非[B]-C≡N⁺-N⁻（硼基重氮甲烷化物）结构。这一结论是通过尝试用重氮甲烷化物模型精修数据得到更高R因子和不合理的电荷密度分布图而排除的。
为进一步获得不受阳离子直接配位影响的阴离子结构信息，作者使用了更强的穴醚2.2.2（L2）。通过类似方法，以56%的收率得到了浅黄色固体 5a，其中硼基异腈胺阴离子与完全分离的[K(L2)]⁺阳离子共存。化合物 5a 的X射线单晶结构（图3）清晰展示了一个自由的硼基异腈胺阴离子。其中，B₁-N₁键长（1.403(2) Å）与典型的B=N双键一致；N₁-N₂键长（1.332(1) Å）介于典型的N-N单键和双键之间，表明具有部分N=N双键特征；而较短的N₂-C₁键长（1.166(2) Å）则与异腈基团的存在相符。该结构与 4a 的核心阴离子结构高度一致，从而确凿地证明了通过去硅化反应得到的是钾N-硼基异腈胺异构体。
3. 电子结构理论研究 为深入理解硼基异腈胺阴离子的电子结构，研究者进行了密度泛函理论（DFT）计算（采用SMD(THF)-B3LYP-D3(BJ)/6-311++G(d,p)//6-31+G(d)方法），并辅以自然键轨道（NBO）分析。优化后的 3a‘ （模型阴离子）结构具有弯曲几何构型（B-N-N角121.7°）和短的末端N₂-C₁键（1.18 Å），与实验数据吻合。最高占据分子轨道（HOMO）主要定域在N₁和C₁原子上。自然布居分析显示B₁带有显著正电荷（+0.89 au），而N₁、N₂和C₁为富电子中心，表明B₁与N₁之间存在强极化。Wiberg键级指数（B₁-N₁: 1.14; N₁-N₂: 1.20; N₂-C₁: 2.36）表明π电子在整个B-N-N-C核上离域。自然共振理论（NRT）分析进一步确认，含有[B]=N-N≡C的共振式 R1 （贡献度22.15%）是主导结构。此外，计算预测硼基异腈胺 3a‘ 比其硼基重氮甲烷化物异构体在能量上稳定10.6 kcal/mol，这解释了实验中观察到单一异构体的原因。
4. 反应性探索与机理研究 研究者系统探索了合成的钾N-硼基异腈胺 3a 的化学反应性。 * 与芳基腈的反应：在苯-d₆中监测 3a 与苯甲腈（6a）的反应，迅速形成新物种 7a。为确定结构，用冠醚 L1 捕获中间体得到化合物 8a（收率65%）。其单晶结构（图5）令人惊讶地显示，3a 的[B]=N-N≡C单元中B-N键发生断裂，氨基（N-B）和氰基（C≡N）分别加成到了腈的碳和氮原子上，形成了Y形排列的N-氰基甲脒结构。当用TMSCl捕获类似反应中的中间体 7b 时，则得到了碳二亚胺类似物 9b，其晶体结构（图6）进一步证实了氰胺单元向碳二亚胺的转变。 * 与环氧丙烷的反应：3a 与环氧丙烷（PO）在甲苯中反应，然后用 L1 捕获，以40%收率得到了五元N-异腈基氧氮杂硼烷 11。其晶体结构（图7）表明，PO开环并插入了 3a 的B=N单元，形成了一个“C₂NBO”杂环，这凸显了硼的引入对反应性的显著影响，并证实了B=N单元具有很强的亲核性。
为了阐明与腈反应的机理，研究者进行了DFT计算。计算表明，该过程可能涉及“N₂C”单元与腈基的Huisgen 1,3-偶极环加成，形成五元环中间体 Int.1，随后发生N-N键断裂诱导的开环。模型反应的能量剖面图显示，初始的1,3-偶极环加成步骤能垒较高（29.6 kcal/mol），而随后的逆环加成（由自发的N-N键断裂驱动）能垒很低（4.2 kcal/mol）。更重要的是，当考虑钾阳离子（苯溶剂化）的配位时，决速步（环加成）的能垒显著降低至<20 kcal/mol。这一理论预测得到了实验验证：在相同条件下，3a（K⁺配位）与 6a 的反应在2小时内完成，而使用穴醚隔离了K⁺的化合物 5a 与 6a 的反应在12小时后仍未发生任何转化。这强有力地证明了钾阳离子的配位在促进该双功能基团转移反应中起到了至关重要的作用。
5. 合成应用开发：一锅法氨基和氰基转移反应 基于上述发现，研究者开发了一种具有合成应用价值的一锅法双功能基团转移策略。他们发现，向化合物 8a 的甲苯溶液中加入过量的三氟乙酸，可以脱硼并质子化，得到(Z)-N‘-氰基苯甲脒（12a）。这类氰基甲脒是合成不对称三芳基取代三嗪（有机发光二极管OLED的关键组件）的有用合成子。
受此鼓舞，研究者尝试从更稳定的试剂 2a 出发，发展一锅法转化。经过优化，他们成功建立了以下高效步骤：首先，将KOtBu加入 2a 和腈底物在THF的混合物中，在室温下反应；然后，加入三氟乙酸以脱除硼基取代基和钾阳离子，从而直接以良好至优秀的收率得到一系列N-氰基甲脒（12a-12j，见表1）。该策略兼容多种官能团，包括稠环芳基、烷基、卤素、氟代基团、杂环（如吡啶、噻吩）以及不饱和官能团（炔烃、烯烃）。为展示产物的实用性，作者进一步将 12a, 12g, 12j 转化为相应的三嗪产物，证明了其在材料科学前体合成中的潜在价值。
四、 主要研究结果
本研究取得了一系列明确且相互关联的结果： 1. 成功合成并表征了新型前体：发展了高效合成α-硼基（三甲基硅基）重氮甲烷 2a/2b 的方法，并通过X射线晶体学等手段确认了其结构，发现了硼与重氮单元之间存在显著的电子相互作用。 2. 明确实现了选择性异构化：通过KOtBu介导的去硅化反应，选择性地获得了钾N-硼基异腈胺 3a，而非预期的硼基重氮甲烷化物。这一结论通过分离并解析其冠醚络合物 4a 和穴醚分离盐 5a 的单晶结构得到确证。 3. 揭示了独特的电子结构：理论计算和实验数据共同描绘了硼基异腈胺阴离子的电子结构特征：具有显著的[B]=N-N≡C共振贡献，B-N键高度极化，硼带正电，氮富电子，整体π体系离域。 4. 发现了双功能反应模式：实验证明 3a 具有双重反应性。一方面，其“N₂C”单元作为1,3-偶极体与腈发生环加成/开环串联反应，实现氨基和氰基的双重转移；另一方面，其富电子的B=N单元可作为亲核试剂进攻环氧丙烷，发生开环环加成反应，形成新颖的杂环结构。 5. 阐明了关键反应机理：结合DFT计算和对照实验，揭示了与腈反应的分步机理（环加成→N-N键断裂开环），并关键性地证明了钾阳离子的配位是降低反应能垒、实现高效转化的必要条件。 6. 开发了实用的合成方法：基于对反应性的理解，发展了一种操作简便、无需催化剂的一锅法，将稳定的α-硼基（三甲基硅基）重氮甲烷 2a 转化为双功能的氨基和氰基转移试剂，高效、高官能团兼容性地合成了一系列有价值的N-氰基甲脒，并展示了其向OLED材料前体三嗪转化的潜力。
这些结果环环相扣：结构确证是理解其电子性质和反应性的基础；双功能反应性的发现直接导向了机理的深入研究；而对机理的深刻理解（特别是钾离子作用）则指导了最终合成方法学的成功开发。
五、 研究结论与价值
本研究的核心结论是：通过去硅化策略，成功合成并表征了先前研究甚少的钾N-硼基异腈胺，明确了其[B]=N-N≡C的结构本质和独特的电子特性。该类化合物展现出由硼中心特性赋予的双重反应性（偶极性与亲核性），颠覆了人们对传统金属化重氮/异腈胺化合物反应模式的认知。更重要的是，研究者并非止步于基础发现，而是进一步利用这一新颖反应性，开发了一种从稳定前体出发、通过形式上的N=N键断裂实现氨基和氰基向腈类化合物双功能转移的合成新方法。
本研究的科学价值在于：1）丰富了重氮化合物异构体化学的知识体系，特别是硼元素参与下的独特异构化与稳定化效应；2）为理解主族元素（硼）与不饱和单元（N≡N-C）共同调控的阴离子体系电子结构提供了实验与理论范例；3）揭示并验证了碱金属阳离子配位在调控阴离子物种反应活性中的关键作用，具有普适性启示。
其应用价值体现在：1）提供了一种高效、官能团兼容性好的合成N-氰基甲脒类化合物的新途径；2）这类化合物是制备三嗪类材料的重要前体，因此该工作为OLED等功能材料的高效合成提供了新的试剂和策略，具有潜在的实际应用前景。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
本研究还包含了丰富的支持信息，如详细的实验步骤、所有化合物的完整光谱数据（NMR, IR, HRMS）、DFT计算的坐标与能量、以及所有报道晶体的晶体学数据（CCDC编号）。这些信息为其他研究者复现实验结果、进行深入理论分析或开展后续研究提供了坚实的基础。此外，作者在文中提到了一个值得注意的时间点：在本研究接受同行评审期间，刘磊磊课题组报道了由大位阻硼基稳定的异重氮甲基阴离子的相关工作，显示了该领域当前的研究热度，也从侧面印证了本研究选题的前沿性和重要性。