DOI：10.1021/jacs.5c20945
南京大学燕红、芦昌盛、涂德双团队在Journal of the American Chemical Society （JACS）期刊上发表了题为“Direct B–H Activation of Carborane Clusters via Synergistic LMCT and HAT Photocatalysis”的论文。该研究开发了一种光诱导铁催化新策略，成功实现了碳硼烷惰性B–H键的直接、高效官能团化。该反应利用廉价FeCl₃在光照下通过配体-金属电荷转移（LMCT）和氢原子转移（HAT）的协同机制，生成高活性氯自由基，从而选择性地活化B–H键并生成关键的硼中心自由基中间体，进而实现碳硼烷与多种亲电试剂的偶联，包括烷基化、肼化、硫醇化和杂芳基化等多样化转化。该方法不仅条件温和、底物适应性好，还成功应用于一步合成新型碳硼烷基发光材料，为硼簇功能分子的设计与构筑提供了简洁、实用的合成路径。
碳硼烷是一类具有三维芳香性的硼簇化合物，因其独特的刚性结构、高热稳定性和生物惰性，在药物化学、材料科学等领域展现出巨大潜力。然而，其核心结构中的B-H键具有高度惰性（键解离能高达100 kcal/mol），传统活化方法严重依赖贵金属催化剂或预先官能化步骤，存在原子经济性低、反应条件苛刻等局限。近年来，利用硼中心自由基的直接B-H官能化策略崭露头角，但现有方法仍需多步制备自由基前体。该工作旨在突破这一瓶颈，提出了一种创新的光催化策略：利用廉价FeCl₃，在可见光驱动下通过配体-金属电荷转移（LMCT） 过程原位生成高活性氯自由基，进而经由氢原子转移（HAT） 直接活化B-H键，最终实现碳硼烷的多样化、步骤经济性功能化。这一协同机制不仅避免了预活化步骤，还为碳硼烷化学开辟了一条温和、高效的新路径。图1. (A) 二十面体碳硼烷B‑H官能团化的经典策略。(B) 硼中心碳硼烷自由基的前沿生成方法。(C) LMCT路径的机制与能量示意图。(D) 本研究工作：通过LMCT激发与HAT实现光诱导铁催化的二十面体碳硼烷B‑H多样化官能团化。BDE：键解离能；Ox：氧化剂；SET：单电子转移；EnT：能量转移；SOMO：单占据分子轨道。图片来自Journal of the American Chemical Society 该研究首先展示了该策略在B-H烷基化上的强大能力，一系列缺电子烯烃（包括苯亚甲基丙二腈、丙烯腈、丙烯酸酯、丙烯酰胺及N-苯基马来酰亚胺等）均能作为高效的自由基受体。反应具有良好的官能团耐受性，无论是带有吸电子基还是供电子基的底物，都能以中等至优秀的收率（40-86%）获得相应的B-C(sp³)偶联产物。单晶X射线衍射分析（如化合物1a, 1s, 1v的结构）确证了产物的结构以及新键在硼原子上的形成。图2. 铁光催化实现的碳硼烷Giese型B‑H烷基化反应范围。反应条件：碳硼烷 (0.3 mmol)，S1–S22 (0.1 mmol)，FeCl₃ (2 mol%)，TEAC (4 mol%)，HCl (0.2 mmol，溶于12 M水溶液)，CH₃CN (1.0 mL，相对于S1为0.1 M)，12 W 369 nm LED，室温，氩气，24小时。产率为分离产率。详见支持信息实验细节。*为清晰起见，X射线晶体结构中的氢原子已省略（椭球体概率为50%）。反应规模为6.0 mmol。图片来自Journal of the American Chemical Society
该催化平台的通用性进一步扩展至其他类型的偶联反应。使用二叔丁基偶氮二甲酸酯（DBAD）成功实现了B-H肼化；S-芳基苯硫代磺酸酯可作为硫源，高效构建B-S键，实现B-H硫醇化。尤为重要的是，通过引入氧气作为末端氧化剂，体系能够支持Minisci型自由基加成，使硼中心自由基与苯并噻唑、喹啉等富电子杂芳环直接偶联，一步构建极具价值的B-C(sp²)键，为碳硼烷引入芳环系统开辟了新途径。图3. 铁光催化实现的对位碳硼烷B‑H肼化、硫醇化和杂芳基化反应范围。产率为分离产率。详见支持信息实验细节。a为清晰起见，X射线晶体结构中的氢原子已省略（椭球体概率为50%）。b反应在氩气氛围下进行。图片来自Journal of the American Chemical Society 接着研究者通过深入的机理研究为所提出的路径提供了坚实证据，自由基捕获实验（加入TEMPO）完全抑制了反应，并通过高分辨质谱（HRMS）直接检测到了氯自由基、羰基自由基及其加合物的信号，确证了自由基链的存在。氘代标记实验清晰地表明，产物中新生C-H键的氢原子来源于反应体系中的HCl，而非碳硼烷自身的氢，有力排除了传统的金属氢化物插入或氢硼化机制。光谱分析结合理论计算证实，反应中的关键光活性物种是TEAFeCl₄，其激发态具有明确的LMCT特征，是氯自由基的源头。图4. 机理研究。(A) 自由基捕获实验。(B) 氘代标记实验。产率为分离产率。(C) 铁催化剂与LMCT激发态分析。详见支持信息。a C_Fe = 100 µM。FeCl₃、TEAC和HCl的摩尔比与标准反应条件一致。b TD-DFT计算在M06-D3/6-311+G(d,p)-SDD(Fe)理论水平进行。图片来自Journal of the American Chemical Society 研究者通过密度泛函理论（DFT）计算构建了完整的反应能量剖面图。计算表明，从LMCT激发到Cl·生成是热力学有利的过程。关键的B-H HAT步骤能垒（6.0 kcal/mol）低于竞争的C-H HAT（6.6 kcal/mol），且生成的硼中心自由基中间体比相应的碳中心自由基更稳定（ΔΔG = 3.7 kcal/mol）。这从动力学和热力学角度完美解释了反应对B-H位点的卓越选择性。后续的自由基加成、单电子转移和质子化步骤能垒均较低，整个路径在光触发后呈热力学下坡趋势。
图5. 光诱导铁催化对位碳硼烷B‑H烷基化的自由能剖面计算。DFT计算在M06-D3/6-311+G(d,p)-SDD(Fe)/SMD(CH₃CN)//B3LYP-D3(BJ)/6-31G(d)-SDD(Fe)/SMD(CH₃CN)理论水平进行。详见支持信息。图片来自Chemical Communications该研究提出的B-H烷基化反应完整催化循环机理。该循环始于光激发下的LMCT过程：Fe(III)催化剂 Cat1（TEAFeCl₄）吸收光子，发生从氯配体到铁中心的电荷转移，导致Fe-Cl键均裂，生成关键的氯自由基（Cl·） 和还原态的Fe(II)物种 Cat2。随后，高亲电性的氯自由基通过氢原子转移（HAT） 选择性地攫取碳硼烷（如对位碳硼烷pCB）B-H键上的氢原子，生成硼中心碳硼烷自由基中间体 Int1-A 和HCl。该自由基中间体继而与缺电子烯烃（如苯亚甲基丙二腈S1）发生自由基加成，形成碳中心自由基中间体 Int2-A。接下来，Int2-A 与Fe(II)物种 Cat2 发生单电子转移（SET），自身被还原为碳负离子中间体 Int3，同时将 Cat2 氧化回Fe(III)物种 Cat3。Cat3 与体系中过量的氯离子结合，再生催化剂 Cat1，完成铁的催化循环。最后，碳负离子中间体 Int3 被反应体系中存在的HCl质子化，得到最终的B-H烷基化产物 1a，并释放出氯离子。整个循环在光驱动下高效运转，各步骤能垒适中，且不涉及外部氧化剂或还原剂，实现了真正的氧化还原中性转化。该机理图清晰地串联了LMCT激发、HAT过程、自由基加成与SET/质子化等关键步骤，为理解这一新颖的B-H官能化模式提供了完整的框架。图6. 铁/光催化B‑H烷基化反应的合理反应机理。图片来自Journal of the American Chemical Society 作为合成价值的集中体现，该研究利用发展的B-H杂芳基化方法，一步合成了新型碳硼烷-苯并噻唑-三苯胺三元发光分子4f。光谱研究表明，与未连接碳硼烷的模型分子相比，引入对位碳硼烷后，发光分子的发射波长发生了显著红移（23 nm），同时荧光量子效率大幅提升（从15.5%增至37.1%）。这颠覆了传统上常将碳硼烷视为惰性疏水基团或弱给体的认知，在该体系中，它作为强电子受体发挥了关键作用。图7. 合成应用。产率为分离产率。详见支持信息实验细节。(A) 产物的合成转化。(B) 一步合成碳硼烷调控的发光分子。(i) 4f与模型分子在二氯甲烷中的归一化紫外-可见吸收光谱。(ii) 4f与模型分子在二氯甲烷中的归一化光致发光（PL）光谱（激发波长 λ_ex = 330 nm，浓度 c = 100 µM）。插图为溶液在手持紫外灯（λ_ex = 365 nm）照射下的发光颜色。(iii) 4f与模型分子在二氯甲烷中的光物理数据（c = 100 µM）。图片来自Journal of the American Chemical Society 为了理解碳硼烷对光物理性质的调控机制，研究者进行了前沿轨道分析。计算显示，在目标分子4f中，最低未占据分子轨道（LUMO）的电子云不仅分布在苯并噻唑-苯基受体单元，还显著离域到了整个碳硼烷笼上。这种独特的轨道分布意味着，碳硼烷直接参与了分子的电荷转移（CT）过程，有效降低了激发态的HOMO-LUMO能隙，从而导致了观察到的红移发射和效率提升。这一发现揭示了碳硼烷在光电材料设计中作为多功能构建块的崭新角色。图8. 4f与模型分子在S₀和S₁态的前线轨道（等值面 = 0.02）及计算能量。(A) 模型分子的HOMO与LUMO。(B) 4f的HOMO与LUMO。蓝色/红色等值面分别代表负/正相位。DFT与TD-DFT计算在B3LYP-D3(BJ)/6-31G(d)理论水平进行。图片来自Journal of the American Chemical Society 
该工作成功开发了一种基于光诱导铁催化LMCT/HAT协同机制的通用平台，首次实现了碳硼烷惰性B‑H键的直接、多样化和氧化还原中性官能团化。该策略利用廉价易得的FeCl₃为催化剂，在温和可见光照射下，通过氯自由基介导的氢原子转移过程，高效生成硼中心碳硼烷自由基，进而与烯烃、偶氮试剂、硫代磺酸酯及杂芳环等多种偶联伙伴反应，成功构建了B‑C(sp³)、B‑N、B‑S及B‑C(sp²)键。机理研究表明，反应经历LMCT激发、Cl·介导的B‑H HAT、自由基加成及质子耦合电子转移等步骤，理论计算进一步揭示了B‑H选择性的热力学与动力学根源。该方法的合成价值在克级放大、产物后修饰及一步构筑高性能碳硼烷基发光材料中得到充分体现，尤其是发现碳硼烷作为强电子受体可显著调控发光性质，为其在光电材料中的应用开辟了新方向。未来可通过发展新型催化剂实现精准区域控制，拓展不对称合成与串联反应体系，并推动碳硼烷在光电材料、生物医药等领域的创新应用，为硼簇化学在交叉学科中的发展开辟新道路。Direct B–H Activation of Carborane Clusters via Synergistic LMCT and HAT PhotocatalysisHongyuan Ren, Ningning Zhou, Wenli Ma, Deshuang Tu*, Chang-Sheng Lu*, and Hong Yan*Journal of the American Chemical Society Article ASAPDOI: 10.1021/jacs.5c20945
