Science：N-杂环卡宾的妙用——首次合成稳定的重氮硼烷

副标题：合成N-杂环卡宾稳定的重氮硼烷及其反应性研究

听到“重氮”或“叠氮”，你的第一反应是什么？对这类通常很活泼且有爆炸风险的化合物，警惕心有没有自然而然的升起？实际上，末端带有N₂单元的化合物自 19 世纪中后期被 Griess 发现以来，已成为化学工业和实验室中不可或缺的试剂，重氮化物（R₂C=N=N）和有机叠氮化物（RN=N=N）的不稳定性和特殊共振作用使其可参与多种化学转化，包括Wolff重排、Staudinger反应和Curtius重排等，同时两者还是很好的卡宾（R₂C:）和氮宾（RN:）前体。另一方面，辐射或金属催化剂可引发重氮和叠氮化物脱N₂并生成瞬态亚价物种或金属配合物，再通过基团迁移转移至有机骨架上，从而帮助构建具有材料和药用价值的分子。此外，这些化合物还可充当1,3-偶极子，可与烯烃或炔烃进行[3+2]环加成反应并生成五元杂环，其中Cu催化有机叠氮化物与末端炔烃的1,3-偶极环加成是最经典的点击化学之一，同时也是获得2022年诺贝尔化学奖表彰的贡献。尽管自1965年Allen和Senoff报道Ru-N₂ 配合物以来化学家已合成了许多过渡金属-N₂配合物，但是近两个世纪以来硼或更重的主族重氮化合物却尚未报道过（图1A）。最近，Braunschweig等人报道了双配位硼宾的氮气活化，其中重氮硼烷物种是推测的关键中间体。目前，多个研究小组致力于合成重氮硼烷化合物及其类似物，但是重氮硼烷官能团仅在基质隔离条件下或作为推测的瞬态中间体被检测到。尽管碳硼烷重氮鎓类似物于1982年被科学家分离出来，但其电子结构、性质、反应性与中性重氮硼烷截然不同。

近日，美国麻省理工学院的Robert J. Gilliard Jr.和Christopher C. Cummins等研究者利用Carpino发展的肼为起始原料，通过两步反应成功合成N-杂环卡宾（NHC）稳定的重氮硼烷（图1B）。他们还分离了这种NHC稳定的重氮硼烷，并进行了晶体学表征。此外，反应性研究表明该重氮硼烷反应性与有机叠氮化物和重氮烷烃类似，很容易释放N₂产生硼宾（borylene），也可充当1,3-偶极子，与未活化的端炔进行非催化[3+2]环加成，在两步重排后形成一个五元杂环。相关成果发表于Science 上，第一作者为Chonghe Zhang。

图1. 背景介绍及本文合成路线。图片来源：Science

首先，作者对重氮硼烷的合成过程进行了研究，即Carpino发展的肼与MesBCl₂在二异丙基乙胺（DIPEA）的存在下进行反应（图1B），其中DIPEA通过形成铵盐[ⁱPr₂EtNH]⁺Cl^-的方式清除HCl，随后经过滤和结晶纯化便可以32%的产率获得N-氨基氨基硼烷1，用4,5-二甲基-1,3-二异丙基-咪唑-2-亚甲基（IⁱPr₂，2 equiv）处理后颜色立刻变为深绿色，并且反应混合物的¹H NMR谱检测到化合物2、游离蒽和咪唑阳离子[IⁱPr₂-H]⁺的信号。随后，经过滤和结晶纯化获得化合物2和蒽的混合物（60-70 wt%），接着在30 ℃（0.04 torr）下通过升华去除蒽并以71%的产率获得化合物2。该化合物对热敏感，在50℃的C₆D₆溶液（k=0.0094 L mol^-1min^-1）中显示出二级衰减。其次，作者通过光谱学对2的结构进行了研究，具体而言：1）2的¹¹B NMR光谱在-11.4 ppm处显示共振，这一结果位于三配位硼宾物种的范围内（通常约为-30~0 ppm）；2）¹⁵N-2的¹⁵N NMR光谱中末端氮原子在627.1 ppm处显示出双峰，与硼结合的氮原子则在425.4 ppm处显示出宽信号，而二苯基重氮甲烷（Ph₂CN₂）的末端氮原子和与碳结合的氮原子分别在439 ppm和303 ppm处显示出共振；3）与常见的重氮化物和叠氮化物相比，2和¹⁵N-2中的N-N键伸缩振动明显红移；4）与Mes₂CN₂和MesN₃的松弛力常数相比，N-N、C-N和B-N键的松弛力常数及其相应的末端N=N键常数均遵循N>C>B的顺序，这说明2中的B-N键和N=N键都比常见的重氮化物和叠氮化物中相应的键弱；5）2在四氢呋喃（THF）中的紫外（UV）-可见光谱在370 nm和444 nm处有两个宽峰，后者主要源于最高占据分子轨道（HOMO）→最低未占据分子轨道+2（LUMO+2）（69%）和HOMO→LUMO+1（91%）的电子跃迁。

图2. 2的理论分析。图片来源：Science

随后，作者对化合物2进行了晶体学和电子结构的研究。鉴于2在乙醚溶液中可以获得单晶（图1C），X-射线衍射分析显示B-N-N部分表现出近乎线性的几何形状，其中N1-N2键长略长于N≡N三键，但短于N=N双键；而B1-N1键键长与预测的B=N双键一致且短于B-N单键，这意味着B-N键的键级介于1和2之间，而N-N键的键级介于2和3之间。事实上，计算研究表明B-N键的Wiberg键级为1.24（图2B），N-N键的Wiberg键级为2.35。如图2A所示，作者对2的前线分子轨道进行了分析，即在HOMO中硼原子上的电子对离域到相邻的N-N π*轨道，这表明硼中心和末端氮原子具有亲核性质；而LUMO显示出主要的N-N π*轨道特征，LUMO+1和LUMO+2都显示来自N-N π*轨道的部分贡献。此外，作者还计算了2的轨道权重双描述符以更清楚地描绘其亲核位点（蓝色）和亲电位点（绿色，图2C）。最后，作者还基于自然共振理论（NRT）分析描绘了四种主要共振结构（图2D），其中35.8%的共振结构包含N≡N三键和B-N单键（两种键的主要结构表示），而20.9%的共振结构表明存在N=N双键和B=N双键（重氮化物的更经典表示方式）。

图3. 2的反应性研究。图片来源：Science

最后，作者探索了2的反应性（图3）。具体而言：1）2与二苯基重氮甲烷（Ph₂CN₂）反应时立即剧烈冒泡，这说明反应过程中释放出N₂，同时X-射线衍射分析鉴定了产物为bora-azine 3，¹⁵N标记实验进一步证实3中的N₂单元源自Ph₂CN₂。值得一提的是，当用Ph₂CN₂处理铑(I)-N₂配合物时也发生了类似的反应，进而表明硼宾的金属拟态性质；2）2与苯基叠氮化物（PhN₃）反应时得到了化合物4，含有一个新的BN₄五元环，其形成过程源于NHC配位亚氨基硼烷[Mes(IⁱPr₂)B=NPh]与PhN₃的[3+2]环加成反应，同时NHC配体从硼中心解离并以氮宾加成物的形式进行分离，这些结果说明与重氮化物和叠氮化物相比，重氮硼烷更容易释放N₂；3）2与苯乙炔在25 ℃下发生[3+2]偶极环加成反应并形成五元环，可在芳构化的驱动力下进一步重排为¹H-5-硼-吡唑5；4）当用N,N'-二酰胺基卡宾（DAC）处理2时绿色立即褪色，单晶X-射线衍射分析证实形成了氮宾加成产物6，这与前沿分子轨道表明重氮硼烷末端氮原子具有氮宾特性相一致；5）当用2,6-二甲基苯基异腈处理2时会导致颜色从深绿色缓慢变为深红色，进而表明化合物2发生了异氰化物-N₂交换并形成产物7，其中心硼原子在¹¹B NMR光谱中的-8.9 ppm处出现共振，这与上述异氰化物-硼宾配合物(alkyl)B(IMe)(CNMes*)（-10.4 ppm）的观察结果相当。 

总结

本文作者通过两步反应合成并成功分离出N-杂环卡宾 (NHC) 稳定的重氮硼烷，其反应性与有机叠氮化物和重氮烷烃类似，可作为硼宾前体，也可用作1,3-偶极子与未活化的端炔进行非催化[3+2]环加成。在过去的两个世纪里，化学家使用重氮烷烃和有机叠氮试剂获得了数不胜数的高价值分子，由此可以期待与它们反应性相似的重氮硼烷也能带来令人兴奋的未来。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Synthesis and reactivity of an N-heterocyclic carbene–stabilized diazoborane

Chonghe Zhang, Christopher C. Cummins, Robert J. Gilliard Jr.

Science, 2024, 385, 327-331. DOI: 10.1126/science.adp5749 

（本文由吡哆醛供稿）