JACS：具有π⁴σ²电子构型及反芳香性的2-氮杂硼咯

硼咯（borole）C₄BH₅由于其环内具有4π个电子具有休克尔反芳香性，其衍生物（后文简称硼咯）构成了一类重要的反芳香有机硼化合物。与普通的三配位硼烷相比，硼咯在可见光区域具有较强吸收，且具备更为优异的电子受体性能，因而硼咯结构单元被认为在小分子活化、化学传感、构建电子器件材料等领域颇具潜力。

近期，德国维尔茨堡大学叶青（点击查看介绍）课题组和香港科技大学林振阳（点击查看介绍）课题组合作，首次提出了具有π⁴σ²电子构型的反芳香性2-氮杂硼咯（2-azaborole）的概念，即将硼咯2位的CH替换为N（图1a）。事实上，这类似于将苯的一个CH替换为N，从而在不改变环内π电子数量的基础上引入指向环外的孤对电子，从而得到了吡啶这一类非常重要的有机路易斯碱。相应的，2-氮杂硼咯会成为一类具有σ配位能力的特殊硼咯。然而，也正是由于2-氮杂硼咯这种既酸又碱的特性，其应当易于进行分子间二聚反应（图1b和1c）。该工作拟通过动力学保护，即通过大位阻R和R’基团来稳定该类化合物（图1d）。

图1. a) 苯和吡啶；b) 硼咯和2-氮杂硼咯及其电子结构；c) 硼咯潜在的二聚问题；d) 本工作对硼咯的保护策略。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

苯并硼杂环丙烯（benzoborirene）是一类具有独特6π并2π休克尔芳香结构以及具有显著环张力的一类有机硼化合物。自2020年该团队首次攻克其液相合成的难题以来，苯并硼杂环丙烯1已展现出其用作BC2合成子的巨大潜力（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 17243; Angew. Chem. Int. Ed. 2023 62, e202312608; Invited review, Chem. Eur. J. 2024, 30, e202303695）。在该工作中，该研究团队进一步利用化合物1作为合成子，通过模块化反应首次实现了2-氮杂硼咯的合成。苯并硼杂环丙烯1与大位阻的腈类化合物（tBuCN、1-AdCN、2,6-Me₂C₆H₃CN）反应，腈类化合物的CN基团成功地插入到C₂B三元环中，生成了相应的苯并2-氮杂硼咯2-tBu、2-Ad和2-(2,4-Me₂C₆H₃)（图2）。单晶数据显示这些化合物的N1-C3键长（~1.29 Å）均落于C=N双键范围之内，B1-N1键长（~1.50 Å）均落于B-N单键范围之内。这些几何参数与预期的路易斯结构式一致，明显的单双键交替的特征表明2-氮杂硼咯具有反芳香性化合物π电子的定域特性。

图2. 苯并硼杂环丙烯与大位阻腈类化合物的反应（上）及其对应产物2-tBu、2-Ad, 以及2-(2,6-Me₂C₆H₃)的单晶结构（下）。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

此外，作者为了验证动力学保护在该合成中的重要性，还将1与位阻较小的腈类化合物进行了反应（图3）。结果显示，在芳基缺少邻位取代基的情况下会生成一种从未报道过的由两个C=N=B连烯结构单元所构成的B₂N₂C₆十元环化合物3，它们是allenophane的BN等构体，因此作者将其称为BN-allenophane，它们很可能是由于2-氮杂硼咯因为缺乏动力学保护进而二聚的产物。为了进一步加以验证，作者选取了邻位仅有一个甲基的2-MeC₆H₄CN与1进行反应（图3下）。核磁结果显示80℃的反应条件下的主产物为2-氮杂硼咯2-(2-MeC₆H₄)。有趣的是，该产物的饱和正戊烷溶液在-30℃下却以BN-allenophane 3-(2-MeC₆H₄)的形式结晶（图3右下）。将该十元环晶体再次溶于氘代甲苯（0.1 mol/L）并静置于室温6小时，核磁显示有60%的BN-allenophane 3-(2-MeC₆H₄) 又转换为2-氮杂硼咯2-(2-MeC₆H₄)。该转化于24小时后达到平衡（2-(2-MeC₆H₄):3-(2-MeC₆H₄) = 74:26）。将该溶液在室温下浓缩10倍至1 mol/L，核磁显示大部分五元环再次二聚为十元环（2-(2-MeC₆H₄): 3-(2-MeC₆H₄) = 13:87）。

图3. 苯并硼杂环丙烯与邻位未取代的小位阻芳基腈类化合物（PhCN, m/p-Cl/MeC₆H₄CN）以及与邻位单取代的o-MeC₆H₄CN的反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

此外，为了验证2-氮杂硼咯既酸又碱这一特性，作者首先用2-(2,6-Me₂C₆H₃) 与氮杂环卡宾NHC反应（图4上），核磁显示硼信号从45.5 ppm向高场移动至了3.8 ppm，表明NHC应当与2-氮杂硼咯的硼中心进行了加合从而得到了一个四配位硼中心，这也进一步通过晶体衍射实验得到了验证（4-(2,6-Me₂C₆H₃)，图4右上）。该实验证实2-氮杂硼咯硼中心的路易酸性。另外，路易酸AlCl₃与2-(2,6-Me₂C₆H₃) 反应生成了5-(2,6-Me₂C₆H₃)（图4下），单晶结构显示2-氮杂硼咯的N位点的确具有σ-给电子能力从而与AlCl₃形成了σ配合物（图4右下）。

图4. 化合物2-(2,6-Me₂C₆H₃) 与路易斯碱NHC和路易斯酸AlCl₃的反应及其相应产物4-(2,6-Me₂C₆H₃) 和5-(2,6-Me₂C₆H₃) 的单晶结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

最后，作者通过理论计算进一步阐释了2-氮杂硼咯独特的具有反芳香性的π⁴σ²电子构型以及其既酸又碱的特性。2-氮杂硼咯以及硼上氨基取代的2-氮杂硼咯均具有与硼咯类似的π电子结构（图5a），在此基础上，2-氮杂硼咯的HOMO对应于氮中心的坏外电子对。另外，NICS计算结果显示（图5b），2-氮杂硼咯及苯并2-氮杂硼咯及其衍生物的NICS（0）均为正值（大于5）。此外，ACID分析结果（图5c）显示在矢量场与环平面正交向上磁场的作用下，2-氮杂硼咯及其衍生物产生了逆时针环感应电流。综上，NICS以及ACID结果均证明了2-氮杂硼咯结构的反芳香性。最后，通过NBO计算（图5d），化合物2-Ad和2-(2,4-Me₂C₆H₃) 的最大占据轨道主要在C₃BN五元环的氮中心上，而空轨道主要位于硼中心，这也体现了2-氮杂硼咯既酸又碱的特性。

图5. a) 代表化合物的部分前线轨道；b) 代表化合物的NICS(0) 和NICS(1) 值的柱状图；c) 代表化合物的AICD图；d) 化合物2-Ad和2-(2,6-Me₂C₆H₃) 的NBO图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

此项成果近期已发表在Journal of the American Chemical Society。文章的共同第一作者为德国维尔茨堡大学博士研究生谭雷波、香港科技大学博士研究生陈嘉鑫和南方科技大学的刘小翠。维尔茨堡大学叶青教授和香港科技大学林振阳教授为文章的共同通讯作者。

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）：

Antiaromatic 2-Azaboroles with π⁴σ² Electronic Configuration

Leibo Tan, Jiaxin Chen, Xiaocui Liu, Alexander Matler, Nils Schopper, Maik Finze, Zhenyang Lin, and Qing Ye

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c10145

导师介绍

叶青教授

https://go.uniwue.de/ye-group 

https://www.x-mol.com/university/faculty/364191 

林振阳教授

https://chzlin.people.ust.hk/ 

https://www.x-mol.com/university/faculty/38301