通訊作者：Varinder K. Aggarwal，Adam Noble硼酸和其衍生物分子在藥物、農藥、功能材料等化學相關領域中非常重要，因為無需對底物進行預活化，因此通過C-H鍵硼基化成為一種構建硼官能團的強有利手段。現有的在有機分子中構建硼官能團的方法學需要貴金屬切斷C-H鍵，同時對芳烴C(sp2)-H鍵的選擇性明顯高于脂肪烴的C(sp3)-H鍵選擇性。相比而言，對其他特定種類的C-H鍵選擇性方法較少見。有鑒于此，布里斯托大學Adam Noble，Varinder K. Aggarwal等報道了一種無金屬催化、基于氫原子轉移的方法學，能夠切斷C(sp3)-H鍵產生烷基自由基，隨后通過聯硼試劑進行硼基化反應。該反應方法學通過紫外光激發在N-烷基鄰苯二甲酰亞胺結構作為氧化劑，ClB(Cat)作為氫原子轉移催化劑。反應對鍵強度更高的甲基C-H鍵比二級C-H鍵、三級C-H鍵、芳基C-H鍵有更高的選擇性，這種高選擇性是由于含氯硼酸鹽自由基中間體的位阻效應導致容易在位阻較低的甲基上反應。圖1. 反應設計的前期參考（Science 357, 283–286 (2017).）。作者設計了一種通過氫原子轉移（HAT, hydrogen atom transfer）機理活化C(sp3)-H的方法，通過HAT催化劑捕捉底物中C(sp3)-H的氫，將底物活化生成烷基自由基，隨后通過B2(OR)2對烷基自由基實現硼基反應。基于該設計，作者考察相關文獻，發現以往的報道中通過N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯在光激發條件中脫羧生成烷基自由基從而對烷基進行硼化反應。作者基于此過程進行變化，設計N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯光催化生成烷基氧自由基作為HAT催化活性物，實現對烷基進行自由基活化。
以N-(2,2,2-三氟乙氧基)鄰苯二甲酰亞胺作為HAT催化前體分子，考察了金剛烷、B2Cat2在10 % CeCl3(NEt4)2、20 % NEt4Cl、20 % ClBCat催化劑條件中的催化活性，其中ClBCat的催化反應活性（61 %）最高。優化后的反應條件中，以10倍量烷烴、1倍量B2Cat2作為反應物，加入20 mol % ClBCat催化劑，1倍量N-(2,2,2-三氟乙氧基)鄰苯二甲酰亞胺，在390 nm紫外光中進行光催化反應。該反應同樣能夠選擇性的對芳基硅烷中的甲基C-H鍵進行活化。
紫外光激發N-(2,2,2-三氟乙氧基)鄰苯二甲酰亞胺（14）得到激發態（73），隨后被B2Cat2淬滅，同時發生β切斷反應從14中得到三氟乙氧基自由基（75），隨后加成到ClBCat上，生成自由基硼酸酯物種76（自由基離域到BCat上），實現了對烷烴中的C-H鍵切斷，生成烷基自由基。進一步的通過和B2Cat2反應，得到硼化產物。該反應基于HAT氫原子轉移機制，能夠將簡單的烷烴底物在溫和條件中以區域選擇性的轉化為硼化試劑，該方法學對C(sp3)-H的選擇性高于C(sp2)-H的選擇性，能夠以較高選擇性對更加惰性的甲基（而不是更鍵強度較弱的二級碳、三級碳）進行硼官能團化，和以往的金屬催化的方法有明顯不同。Chao Shu, Adam Noble* & Varinder K. Aggarwal*, Metal-free photoinduced C(sp3)–H borylation of alkanes, Nature 2020, 586, 714-719DOI: 10.1038/s41586-020-2831-6https://www.nature.com/articles/s41586-020-2831-6
