一项关于无催化剂合成1,5-二硼杂环辛四烯的关键中间体捕获研究

作者与发表信息

本研究由加拿大麦吉尔大学化学系的Douglas Turnbull与Marc-André Légaré共同完成。该研究成果以“Trapping an Aryl-Substituted Borete Intermediate in Catalyst-Free 1,5-Diborocine Synthesis”为题，发表于*European Journal of Inorganic Chemistry*，于2025年12月2日被正式接收（接收日期），论文在线发表日期也为2025年。

研究的学术背景

本研究属于主族元素化学、无机化学以及硼化学领域，具体聚焦于具有高张力的硼杂环化合物。在有机硼化学中，小环状硼杂环因其显著的环张力而展现出独特且高反应性，这使得它们成为重要的合成中间体或功能分子。其中，三元的硼杂环（如硼杂环丙烷、硼杂环丙烯）和五元的硼杂环（如硼杂环戊二烯）得到了较多研究。相比之下，四元的硼杂环——硼杂环丁烯，尽管在形式上具有Hückel芳香性（2π电子），但由于其巨大的环张力，通常不稳定且难以分离，因而研究较少。此类化合物可被视为潜在的、具有高反应活性的“掩蔽”1,4-偶极子。

研究的直接动机源于作者课题组之前一个出人意料的发现。他们报道了将二氟（均三甲苯基）硼烷与（萘-1,8-二基）二锂反应，得到了一种结构新颖的1,5-二硼杂环辛四烯。该二硼杂环是中性、非稳定化的苯并硼杂环丁烯的二聚体。然而，该二聚体的形成机理不明。通常，此类反应倾向于生成1,8-二硼基萘、环稠合的苝烯衍生物或已稳定化的硼杂环丁烯。一个关键问题是，是否在反应过程中形成了不稳定的中间体——即未经氨基或阴离子等强电子效应稳定的苯并硼杂环丁烯，该中间体随后发生快速二聚生成最终产物。虽然文献中曾有硼杂环丁烯在钯/钠/钾催化或真空热解条件下转化为硼杂环辛四烯的零星报道，但产率低，且通常需要苛刻条件。本研究旨在探索这一假设：揭示1,5-二硼杂环辛四烯是否通过其未稳定化的苯并硼杂环丁烯前体的“无催化剂”（4+4）环加成反应（即σ键复分解反应）一步形成。为了证实这一点，研究者们尝试捕获并表征这个“难以捉摸的”苯并硼杂环丁烯中间体。

因此，本研究的目标非常明确：第一，设计合成策略，尝试捕获并分离预期中的、未稳定化的苯并硼杂环丁烯中间体，作为其路易斯碱加合物以增强其动力学稳定性；第二，对该捕获的中间体进行全面的表征；第三，通过实验和理论计算，验证该中间体在自由状态下的瞬态性及其向1,5-二硼杂环辛四烯快速二聚的可行性，从而阐明整个反应的机理。

详细的研究流程与实验过程

本研究包含三个核心实验流程：目标加合物的合成与表征、晶体结构分析、以及理论计算研究。研究对象主要是新合成的硼烷加合物（1·DMap, 1·py, 1·lut）和关键的捕获中间体（3·DMap）。

流程一：合成、捕获与表征

研究的第一步是制备用于捕获中间体的“前驱体加合物”。研究者首先合成了二氟（均三甲苯基）硼烷与4-二甲氨基吡啶的加合物（1·DMap）。合成方法是在苯溶剂中直接混合反应物，以接近定量的产率分离得到1·DMap。作为对比，他们也以同样的方法合成了二氟硼烷与吡啶（1·py）和3,5-二甲基吡啶（1·lut）的加合物。这些加合物的稳定性被初步评估：与高度潮敏、易升华的原始硼烷1相比，1·DMap在潮湿空气中的固态稳定性显著提高，可维持数天；而1·py和1·lut的晶体在潮湿空气中数小时即分解。但在溶液中，所有加合物都对痕量水分敏感。这一观察暗示DMap与硼中心的相互作用在固态下提供了有效的动力学保护。

随后，研究者利用1·DMap同时提供反应物硼烷和潜在捕获剂DMap的巧妙设计，进行了关键的捕获实验。他们将1·DMap与分离得到的萘-1,8-二基二锂-乙醚加合物（NapLi₂·2Et₂O）在苯溶剂中于室温下反应。反应迅速发生，形成棕色溶液和白色沉淀的混合物。通过过滤、在氮气保护下蒸发溶剂，并从苯/戊烷混合溶剂中重结晶，研究者以22%的分离产率成功获得了目标中间体加合物——苯并硼杂环丁烯的DMap加合物（3·DMap），并发现它易于形成高度结晶的苯溶剂化物。

在表征方面，研究者对1·DMap、1·py、1·lut以及关键的3·DMap进行了全面的多核核磁共振波谱表征，包括¹H, ¹³C, ¹⁹F, ¹¹B NMR。特别重要的是高分辨质谱分析：对纯净的3·DMap样品进行APCI-HRMS分析时，除了检测到3·DMap本身的分子离子峰外，还意外地观察到了DMap分子以及1,5-二硼杂环辛四烯的分子离子峰。这一结果强烈暗示，在质谱仪的强制电离条件下，3·DMap发生了分解，释放出游离的苯并硼杂环丁烯3，后者随即快速二聚形成了2。研究者专门测试了3·DMap的热稳定性：在C₆D₆中于90°C下加热48小时后，未观察到任何转化，这与已知的类似BN-丁富烯加合物在相同条件下会缓慢重排的现象形成鲜明对比，证明了3·DMap具有异常高的动力学惰性。

流程二：晶体结构精准解析

为了从结构上确认这些新化合物的身份并精确测量其键长键角，特别是评估环张力，研究者对所有加合物进行了X射线单晶衍射分析。本研究在晶体学方法上采用了一项新颖且更精准的技术：使用自定义的非球面原子散射因子进行Hirshfeld原子精修。这种方法相较于传统的基于球面原子模型（IAM）的精修，能够更准确地确定氢原子的位置，并显著提高轻元素（如硼）的几何参数精度。具体来说，他们使用了NoSpherA2软件包进行精修，并对氢原子进行了各向异性精修。

研究获得了1·DMap（150 K）、3·DMap（100 K）以及1·py和1·lut（室温）的高质量晶体结构。对1·DMap的分析显示，与游离的硼烷1相比，其B-Cmes和B-F键均显著伸长，这是形成路易斯酸碱加合物的典型特征。B-N键长为1.6184(13) Å，对于硼烷-DMap加合物而言相对较长，反映了硼烷1适中的路易斯酸性和空间位阻。相比之下，1·py和1·lut的B-N键更长（分别为1.6460(16)和1.653(2) Å），这与它们较弱的结合能力和较低的稳定性相一致。

对目标化合物3·DMap的结构分析是本研究的关键。结构清晰地展示了一个四元苯并硼杂环丁烯环。数据显示出巨大的环张力：C1-B-C8角被严重压缩至81.90(5)°，而萘骨架的peri-碳原子夹角发生互补性扭曲（C1-C9-C8为103.42(6)°，C4-C10-C5为131.31(8)°）。环张力导致B-C1和B-C8键显著伸长至约1.69 Å，远长于典型的B-C单键。相比之下，B-Cmes键和B-N键的长度与1·DMap中相近。这些几何参数与已报道的氨基稳定化或阴离子型苯并硼杂环丁烯（i和ii）以及BN-丁富烯加合物（iii）高度可比，证实了3·DMap确实是一个具有高张力的苯并硼杂环丁烯结构。当比较3·DMap与其二聚体1,5-二硼杂环辛四烯2的结构时，可以发现从四元环扩展为八元环后，张力得到极大释放，B-C键长趋于均一（约1.57 Å）。

流程三：密度泛函理论计算研究

为了从理论上解释3·DMap在热条件下异常稳定却在质谱条件下发生二聚的矛盾现象，并量化相关过程的能垒，研究者进行了系统的量子化学计算。他们采用了一个可靠的计算方案：使用r2scan-3c复合方法进行几何优化和频率计算，在ωB97M-V/def2-TZVP高水平基组下进行单点能计算以获取精确能量，并采用SMD隐式溶剂化模型（苯为溶剂）来模拟溶液环境。

计算主要探究了三条反应路径： 1. 游离硼杂环丁烯3的二聚：计算预测3通过(4+4)环加成二聚生成2的能垒仅为+16.1 kcal mol⁻¹，这是一个非常容易发生的过程，与实验中在乙醚中快速、选择性地生成2的现象完全一致。计算还表明3与乙醚形成加合物是吸热的（+0.8 kcal mol⁻¹），因此不会阻碍二聚反应。 2. 3·DMap的解离与二聚：计算得出3与DMap形成加合物是放热的（-13.7 kcal mol⁻¹），这解释了其稳定性。而从3·DMap解离出3再进行二聚，其总过渡态能垒高达+29.8 kcal mol⁻¹，这从动力学上解释了为什么在90°C加热下48小时也未观察到反应。 3. 3·DMap的（4+2）环加成重排：研究者也考察了类似BN-丁富烯加合物iii经历的重排路径，即DMAP插入BC₃环生成苯并菲衍生物4。计算得到该路径的能垒（+31.5 kcal mol⁻¹）甚至高于解离/二聚路径，进一步支持了3·DMap的动力学惰性。作为对比，他们计算了iii的类似重排能垒（+28.3 – 30.8 kcal mol⁻¹），发现3·DMap比需要数天才能在90°C下重排的iii还要更稳定，这从理论上印证了实验观察。

主要研究成果与逻辑关联

1. 成功合成并捕获了关键中间体：通过巧妙的合成设计，使用1·DMap作为“双功能试剂”，成功在无催化剂的条件下，以22%的产率分离得到了此前未知的、未稳定化的芳基取代苯并硼杂环丁烯的稳定加合物3·DMap。这是本研究最核心的实验成果。
2. 全面的结构表征证实了其身份：通过多核NMR和高分辨质谱确定了3·DMap的化学组成。特别是，采用Hirshfeld原子精修技术的X射线晶体学分析，以前所未有的精度揭示了其高度扭曲的四元环结构，直接证明了目标中间体的存在和其巨大的环张力。结构数据成为连接合成、理论计算和机理推测的基石。
3. 揭示了3·DMap独特的稳定性与反应性矛盾：实验发现3·DMap在热条件下（90°C）极度稳定，但在质谱电离的强制条件下，能检测到其分解并释放的中间体二聚形成了1,5-二硼杂环辛四烯2。这一矛盾现象是连接实验与理论的桥梁。
4. 理论计算完美解释了实验现象并阐明了机理：DFT计算为整个故事提供了定量和定性的支持。计算结果表明：游离的苯并硼杂环丁烯3的二聚能垒很低（+16.1 kcal mol⁻¹），极易发生，这与合成2时的快速反应相符。而3·DMap的稳定性源于其放热的形成能以及极高的解离/反应能垒（> +29.8 kcal mol⁻¹）。质谱条件下的现象，则可归因于高能电离过程提供了克服这一能垒所需的能量。计算还排除了其他竞争反应路径的可能性。这些计算结果不仅支持了“3是合成2的关键瞬态中间体”的假设，而且证实了2是通过3的无催化剂(4+4)环加成（σ键复分解）一步形成的，从而完整阐明了反应机理。

研究的结论与价值

本研究的核心结论是：研究者首次成功捕获并表征了未稳定化的芳基取代苯并硼杂环丁烯，作为其DMap加合物（3·DMap）。通过实验与理论计算的结合，强有力地证明了此前报道的1,5-二硼杂环辛四烯2，是通过该瞬态硼杂环丁烯中间体3在无催化剂条件下，经历快速且能垒较低的(4+4)环加成反应（σ键复分解）直接二聚形成的。

本研究的科学价值主要体现在以下几个方面： 1. 填补了高张力硼杂环化学的空白：分离并表征了一个长期“难以捉摸”的、未经强电子效应稳定的中性苯并硼杂环丁烯，丰富了对四元硼杂环结构、性质和反应性的认识。 2. 阐明了新颖的反应机理：揭示了一种通过高张力中间体的无催化剂环加成反应来构建八元硼杂环的独特途径。这种σ键复分解机理为主族元素化学中的环加成反应和环构建策略提供了新的范例。 3. 展示了先进表征与理论模拟的结合力量：研究综合利用了前沿的晶体学精修技术（Hirshfeld原子精修）、高分辨质谱和高级别DFT计算，为理解和预测高活性、瞬态中间体的行为提供了完整的方法论模板。 4. 为未来研究奠定了基础：作者在结论中指出，未来研究将探索如何将此类瞬态芳基取代硼杂环丁烯直接用于构建新型硼杂环终产物。这项工作为设计和实现基于高张力硼杂环的新颖转化打开了大门。

研究的亮点

1. 研究目标的独特性：成功瞄准并捕获了一个长期被认为不稳定、难以分离的“明星”中间体——未稳定化的苯并硼杂环丁烯。
2. 合成策略的巧妙性：使用1·DMap作为集反应物与捕获剂于一体的“双功能试剂”，是成功捕获中间体的关键设计。
3. 表征技术的先进性：采用基于非球面原子散射因子的Hirshfeld原子精修进行X射线晶体结构分析，获得了超精确的分子几何参数，特别是对含硼轻元素体系，这代表了当前小分子晶体学的前沿。
4. 实验与理论结合的严密性：通过精心设计的对照实验（热稳定性测试）和意外发现（质谱中的二聚体信号），结合高水平DFT计算，不仅解释了所有实验现象，而且定量地描绘了整个反应的能量图谱，使机理阐述极具说服力。
5. 对经典反应的重新诠释：为一类已知但机理不明的硼杂环合成反应（从卤硼烷与二锂试剂生成硼杂环辛四烯）提供了清晰、可靠的机理解释。

其他有价值的内容

本研究还附带提供了几个有价值的对比信息：不同路易斯碱（DMap, py, lut）加合物稳定性的比较，揭示了空间效应和碱性强弱对加合物稳定性和结构（B-N键长）的影响。此外，详细的支撑信息包含了所有合成化合物的完整NMR谱图、晶体学数据表和计算细节，为其他研究者复现和深入利用该工作提供了充分资源。晶体结构数据已存入剑桥晶体学数据库，方便全球学者查阅验证。