学术研究报告：通过二硼累积烯与硫醇反应一步法合成三环及四环B,N,S-杂环化合物

一、 研究作者、机构与发表信息

本研究由来自德国维尔茨堡大学无机化学研究所 (Institute for Inorganic Chemistry, Julius-Maximilians-Universität Würzburg) 和可持续化学与催化研究所 (Institute for Sustainable Chemistry & Catalysis) 的Christian Markl, Sourav Kar, Lukas Lubczyk, Kai Hammond, Rian D. Dewhurst 以及 Holger Braunschweig*（通讯作者）共同完成。研究成果以题为《Syntheses of tri- and tetracyclic B,N,S-heterocycles from reactions of a diboracumulene with thiols》的论文形式，于2025年9月16日发表在《Chemical Science》期刊上。该期刊由英国皇家化学会出版，本论文遵循知识共享署名-非商业性 3.0 未移植许可协议，是一篇开放获取文章。

二、 学术背景与研究目标

本研究属于主族元素化学、硼化学以及有机杂环合成化学的交叉领域。稠合杂环化合物是天然产物、药物和功能材料中常见的核心结构单元。其中，含氮稠合杂环在药物、农药和功能材料的开发中扮演着至关重要的角色。近年来，将缺电子的硼原子引入这类稠环体系引起了广泛关注，因为硼原子能够有效调节分子的前沿分子轨道能量和分布，并赋予其与生物相关分子相互作用的独特能力。例如，已获美国FDA批准的硼杂环药物他伐硼罗 (Tavaborole) 和克立硼罗 (Crisaborole) 即是明证。此外，硼掺杂的杂环化合物也展现出独特的光物理和光电性能。

然而，尽管应用前景广阔，现有构建硼基稠合杂环的合成方法仍然有限。这些方法主要依赖于通过盐或小分子消除进行硼掺杂，或通过金属环转移反应，且大多局限于使用单硼 (B1) 试剂。因此，开发新的、高效的合成策略，利用独特的二硼合成子来构建结构新颖的硼杂稠环，成为该领域一个重要的挑战和机遇。

在此背景下，本研究团队将目光投向了具有高反应活性的二硼累积烯 (diboracumulene) 化合物 B2(CAAC)2（其中 CAAC = 环状（烷基）（氨基）卡宾）。该化合物具有富电子的B–B和B–C多重键，展现出丰富多样的反应性，能够通过1,2-加成机制激活多种分子间键（如H–H, B–H, C–H, B–B, C–O, S–S等）。同时，含氮杂环硫醇中的S–H键也具有很高的反应活性。基于此，本研究旨在探索利用二硼累积烯 1 与不同含氮杂环硫醇之间的反应，通过激活S–H键并伴随B–B多重键的部分或完全断裂，开发一种简单、一步法合成结构新颖的三环和四环B,N,S-稠合杂环化合物的新方法。

三、 详细研究流程

本研究主要围绕一系列化学反应展开，核心是通过二硼累积烯 1 与不同含氮杂环硫醇的室温反应，合成并表征一系列新型稠环化合物。研究流程可概括为以下几个步骤：

1. 反应设计与底物选择： 研究选择了多种含氮杂环硫醇作为反应伙伴，包括单环的五元杂环硫醇（1-苯基-1H-四唑-5-硫醇、1-甲基-1H-咪唑-2-硫醇）和六元杂环硫醇（吡啶-2-硫醇），以及双环的苯并[d]噻唑-2-硫醇和苯并[d]恶唑-2-硫醇。目的是探究杂环大小、结构以及杂原子（S vs O）对反应路径和最终产物结构的影响。

2. 合成实验操作： 所有反应均在室温下于苯溶剂中进行。典型操作是将二硼累积烯 1 与两当量的相应硫醇在惰性气氛（如氩气）下混合，搅拌反应一定时间（通常为数小时至16小时）。通过反应混合物的颜色变化（如从紫色变为无色或黄色）初步判断反应发生。反应结束后，通过标准后处理程序（如浓缩、洗涤、重结晶或柱层析）分离得到纯品固体。

3. 产物结构表征： 对分离得到的固体产物进行全面的光谱学和晶体学表征，这是本研究确定产物结构、理解成键和反应机理的关键。

   • 核磁共振波谱 (NMR)： 特别是¹¹B NMR和¹H NMR，用于初步判断产物中硼原子和质子的化学环境。例如，二硼累积烯 1 的¹¹B NMR信号在δ = 80.0 ppm，而产物信号显著高场位移，表明B–B多重键的断裂和硼原子化学环境的改变。
   • X-射线单晶衍射 (SCXRD)： 这是确定所有新化合物精确三维分子结构的决定性手段。研究人员培养了每种主要产物的单晶，并通过SCXRD分析获得了其键长、键角、二面角等关键结构参数。例如，对于化合物 2 和 4，论文中给出了详细的精选键长数据。
   • 红外光谱 (IR)： 用于检测特定官能团，如化合物 4 中B–H单元的伸缩振动峰（2465 cm⁻¹）。
   • 紫外-可见光谱 (UV-Vis)： 用于研究产物的光学性质，如化合物 6 在λ = 460 nm处的吸收带与其黄色外观相关。

4. 理论计算分析： 为了深入理解产物的电子结构、成键性质和芳香性，研究进行了密度泛函理论 (DFT) 计算。

   • 计算水平： 采用UB97X-D/def2-SVP理论水平对优化后的分子几何结构进行计算。
   • 分析内容：
     • 几何优化与键级分析： 计算优化后的键长，并与实验值对比；计算维伯格键级 (Wiberg Bond Indices, WBIs) 以定量评估键的强度（如B–B键的键级接近1，确认为单键）。
     • 自然布局分析 (NPA)： 计算原子上的自然电荷，以理解电荷分布（如化合物 4 中两个硼原子的电荷差异）。
     • 前沿分子轨道分析： 绘制最高占据分子轨道 (HOMO) 等，可视化关键成键相互作用。
     • 芳香性评估： 对化合物 6a 进行了自适应自然密度划分 (AdNDP) 分析和核独立化学位移 (NICS) 计算。AdNDP用于识别离域的多中心两电子π键，NICS(1)zz和NICS(-1)zz值用于定量评估环的π芳香性。
     • 核磁共振化学位移预测： 计算¹¹B NMR化学位移，与实验值对比以验证结构归属。
     • 时间依赖DFT (TD-DFT)： 计算化合物 6 的电子跃迁，指认其UV-Vis吸收带的归属。

5. 反应机理探讨： 基于产物结构、光谱数据以及理论计算，研究人员对可能的反应机理进行了合理的推测和讨论（在支持信息Scheme S1中示意），解释了不同硫醇导致不同产物（四环 vs 三环）的原因，涉及初始加合物形成、1,2-加成、配体解离等步骤。

四、 主要研究结果

本研究成功合成并表征了五个新型的B,N,S-稠合杂环化合物 (2, 3, 4, 5, 6)，根据硫醇结构的不同，得到了两类结构迥异的产物。

1. 与单环硫醇反应生成对称或不对称四环体系 (化合物 2, 3, 4)：

   • 化合物 2 和 3： 当 1 与两当量的五元杂环硫醇（1-苯基-1H-四唑-5-硫醇和1-甲基-1H-咪唑-2-硫醇）反应时，分别以75%和77%的产率得到了无色固体 2 和 3。X射线晶体结构显示，它们具有高度对称的“蝴蝶形”四环核心结构。该结构源于两个硫醇单元通过其N和S中心以μ₂,η²配位模式对称地加合到B₂单元两侧，同时S–H键的氢迁移到了CAAC配体的卡宾碳上。B–B键长（2：1.846(6) Å；3：~1.854 Å）显著长于起始物 1 中的B–B多重键（1.489(2) Å），落在典型的B–B单键范围内。¹¹B NMR信号（2：δ = 10.0 ppm；3：δ = 15.1 ppm）也证实了硼环境的巨大变化。这些化合物可被视为双重碱稳定的对称环状二硼烷(4)。
   • 化合物 4： 当 1 与六元杂环硫醇（吡啶-2-硫醇）反应时，以92%的高产率得到了无色固体 4。其结构与 2 和 3 类似，也是四环体系，但呈现出不对称性。晶体结构显示，其核心由一个六元环、一个五元环和两个额外的环构成。关键区别在于，一个CAAC配体被一个来自硫醇的氢原子取代，形成了一个B–H单元（IR: 2465 cm⁻¹；¹H NMR: δ = 4.45 ppm），而另一个氢则迁移到另一个CAAC上。这导致两个硼原子处于不同的化学环境，¹¹B NMR显示出两个信号（δ = 10.8 和 0.8 ppm）。B–B键长（1.733(2) Å）虽短于 2，但仍属单键。DFT计算显示两个硼原子自然电荷不同（qB1 = 0.01, qB2 = 0.39），与NMR结果一致。

2. 与双环硫醇反应生成非对称四环或芳香性三环体系 (化合物 5 和 6)：

   • 化合物 5： 1 与苯并[d]噻唑-2-硫醇反应，以75%产率得到无色固体 5。其四环核心结构与 2-4 完全不同，由一个五元环和三个六元环融合而成。结构上，一个硫醇单元与B₂单元及扩环的CAAC部分融合成环，另一个硫醇单元则作为一个取代基连接在一个硼原子（B1）上。这使得两个硼原子配位数不同（B1四配位，B2三配位），导致其¹¹B NMR化学位移差异巨大（δ = 50.3 和 -10.8 ppm）。B–B键长1.715(2) Å，WBI为0.96，确认为单键。
   • 化合物 6： 这是本研究最引人注目的发现之一。1 与苯并[d]恶唑-2-硫醇反应，以88%产率得到黄色固体 6。其¹¹B NMR显示两个信号（δ = 41.8 和 6.4 ppm），且¹H NMR表明存在两种旋转异构体 6a 和 6b（比例约2:1）。X射线晶体学揭示了其三环核心结构（一个六元环和两个五元环）。该结构的形成涉及 1 中B=B双键的完全断裂，以及硫醇中硫原子插入两个硼原子之间。所有三个环共平面。键长数据（如B–N: 1.461(1) Å, B–C: 1.485(2) Å）表明存在广泛的离域。DFT计算（键级、AdNDP、NICS）强有力地证明，这个三环骨架具有π芳香性。AdNDP分析发现了包含16个电子的离域多中心两电子π键，遍布整个三环体系。NICS(1)zz和NICS(-1)zz值在所有三个环中心的上方和下方均为显著负值，证实了整个三环核心是π芳香性的。TD-DFT计算将其黄色归因于HOMO到LUMO的跃迁，主要涉及π(C1–B2–C5)到π*轨道的激发。

3. 反应路径差异的解释： 研究通过对比 5 和 6 的合成，深入分析了导致产物差异的原因。关键因素在于硫醇底物中杂原子（S vs O）的电负性及其环的芳香性差异。苯并[d]恶唑-2-硫醇中的氧原子电负性更强，削弱了末端C–S键，使其更容易断裂，从而发生硫插入反应，形成三环芳香体系 6。而苯并[d]噻唑-2-硫醇芳香性更强，更倾向于保持环的完整性，仅发生S–H或N–H键活化，形成四环体系 5。

五、 研究结论与意义

本研究表明，高反应活性的二硼累积烯 [B2(CAAC)2] 可作为一类强大的二硼合成子，与多种含氮杂环硫醇通过简单的一锅法反应，高效地构建一系列结构新颖、复杂的B,N,S-稠合杂环化合物。该反应通过B–B多重键和S–H键的协同激活实现，具有操作简单、步骤经济的特点。

研究的科学价值在于： 1. 方法论创新： 发展了一种合成硼杂稠环的新策略，突破了传统方法对单硼试剂的依赖，展示了利用含B–B多重键物种构建复杂硼杂环的潜力。 2. 结构多样性： 通过改变硫醇底物的结构（单环/双环、五元/六元、杂原子种类），能够可控地获得对称四环、不对称四环以及具有芳香性的三环等多种稠环骨架，展示了该方法的普适性和可调控性。 3. 发现新型芳香体系： 成功合成并证实了化合物 6 是一个全环π芳香性的三环B,N,S-杂环体系，这为芳香性化学和主族元素芳香体系增添了新成员。 4. 机理启示： 研究揭示了底物细微结构差异（如杂原子电负性、环芳香性）对反应路径和最终产物的决定性影响，加深了对这类硼物种反应性的理解。

该工作的应用价值在于，为药物化学、材料科学（如光电材料）等领域快速构建具有潜在生物活性或特殊光电磁性质的硼掺杂稠合杂环化合物库提供了新的、高效的合成工具。这些结构独特的B,N,S-杂环有望成为未来功能分子开发的新起点。

六、 研究亮点

1. 高效简洁的合成方法： 实现了从简单起始原料出发，一步法合成结构复杂的三环和四环B,N,S-稠合杂环，原子经济性和步骤经济性高。
2. 反应性的精细调控： 通过巧妙选择硫醇底物，实现了对产物环系大小（三环 vs 四环）、对称性（对称 vs 不对称）以及电子性质（芳香性）的可控调节。
3. 重大结构发现： 首次通过该策略合成了一个具有全环π芳香性的三环B,N,S-杂环（化合物 6），并通过全面的实验表征和理论计算（AdNDP, NICS）给予了确凿证明，这是本研究的核心亮点。
4. 深入的机理与成键分析： 结合X射线晶体学、多核NMR、IR、UV-Vis等实验手段，以及系统的DFT计算（几何优化、NPA、WBI、AdNDP、NICS、TD-DFT），对产物的结构、成键、芳香性及光学性质进行了深入且令人信服的分析，为理解这类新型化合物的本质提供了坚实依据。
5. 拓展了二硼累积烯的化学： 进一步丰富了高活性二硼累积烯在构建复杂主族元素杂环方面的反应性图谱，证明了其作为强大合成砌块的潜力。

七、 其他有价值内容

研究还包含了详细的晶体学数据CCDC编号（2467669-2467673）、补充信息（SI）的获取方式，以及对德国研究联合会（DFG）和亚历山大·冯·洪堡基金会（AvH，资助S. Kar博士后奖学金）的致谢。作者声明无利益冲突。这些信息保证了研究的可重复性和透明度，符合高标准学术规范。