三元素化有机硼和有机硅化学的新领域

诸平

Shiho Ishigaki, Yuki Nagashima, Daiki Yukimori, Jin Tanaka, Takashi Matsumoto, Kazunori Miyamoto, Masanobu Uchiyama, Ken Tanaka. Dearomative triple elementalization of quinolines driven by visible light. Nature Communications, Published: 06 February 2023, Volume 14, Article number: 652. DOI: 10.1038/s41467-023-36161-4

据日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology）2023年2月7日报道，三元素化有机硼和有机硅化学的新领域（New horizons for organoboron and organosilicon chemistry with triple elementalization）。

近年来，含硼(B)和硅(Si)的有机化学品在包括光电子和制药在内的各个领域得到了应用。此外，它们还可以作为复杂有机化学品的组成部分。因此，科学家们正在积极寻找新的方法来利用这些多功能的化学工具，以及生产更多种类的有机硅和有机硼化合物。

目前这些化学物质的合成方法的一个局限性是，我们不能在芳香氮杂环(即其中一个碳原子被一个氮原子取代的碳环)中引入多个含B和Si的基团。如果我们能制造并自由转化这样的分子，就能合成几种与药物化学相关的化合物。

幸运的是，包括日本东京工业大学(Tokyo Institute of Technology简称Tokyo Tech)助理教授永岛佑贵（Yuki Nagashima）在内的一个研究团队，已经找到了一种绕过这一限制的简单方法。相关研究结果于2023年2月6日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Shiho Ishigaki, Yuki Nagashima, Daiki Yukimori, Jin Tanaka, Takashi Matsumoto, Kazunori Miyamoto, Masanobu Uchiyama, Ken Tanaka. Dearomative triple elementalization of quinolines driven by visible light. Nature Communications, Published: 06 February 2023. Volume 14, Article number: 652. DOI: 10.1038/s41467-023-36161-4. https://www.nature.com/articles/s41467-023-36161-4

参与此项研究的除了来自东京工业大学的研究人员之外，还有来自日本东京大学（The University of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo, Japan）、日本理学株式会社（日本東京都昭島市松原町/Rigaku Corporation, Matsubara-cho, Akishima, Tokyo, Japan）以及日本信州大学（Shinshu University, Tokida, Ueda, Nagano, Japan）的研究人员。

正如他们在《自然通讯》杂志上发表的最新研究中所解释的那样，该团队开发了一种方法，使他们能够同时用B—、Si—和含碳基团修饰喹啉类化合物（quinolines），这是一种具有芳香氮杂环的小有机分子。

他们的方法是从一种喹啉(quinoline)或喹啉衍生物(quinoline derivative)开始的，它与一种具有所需碳基的有机锂化合物(organolithium compound)反应,使这个碳基附着在氮杂环的一个碳原子上。然后，通过Si—B键引入了包含Si和B基团的单一化合物。这种化合物取代了锂原子，并通过氮位的B基团连接在一起。

最后，通过蓝光刺激并最终破坏Si—B键，B和Si基团以一种可预测的方式重组，连接在氮杂环内的不同位置。这就产生了三重异质元素化(即C—Si—B)的喹啉衍生物作为最终产物。

该团队测试了他们的合成方法，生产了30多种喹啉衍生物，其中一些产量很高。最值得注意的是，所提出的方法提供了良好的立体、化学和区域选择性，这意味着该反应产生所需化合物具有高特异性。最重要的是，这个过程是“一锅”的，只需要可见光作为添加剂，大大减少了相关的成本和时间。

通过各种实验和详细的计算分析，该团队进一步揭示了他们的方法背后的机制。永岛佑贵博士解释说:“根据我们的计算和实验结果，我们得出结论，在光照射下，硅基自由基的现场生成而不是硅基阴离子促进了整体的三重异质元素化反应。”这一发现对未来化学家在此基础上开发新的合成方法具有重要意义。

最后，作为概念验证，该团队测试了一种特殊的异质元素化喹啉作为有机化合物合成的支架。简而言之，他们测试了用任意官能团(如—OH、甲基和苯基)替换Si和B基团的容易程度。

结果令人乐观。永岛佑贵博士说:“虽然Si—B基团的化学和立体选择性转化仍在研究中，但我们相信碳硅硼化喹啉（carbo-sila-borated quinolines）可以成为多功能的合成平台。”

本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究资助基金(Grants-in-Aid for Scientific Research Nos. JP20K22521, JP21K14623, JP22H05346, Nos. JP22H00320, JP22H05125, JP17H06173, No. JP19H00893 from JSPS, Japan)、日本科学技术振兴机构(JST CREST No. JPMJCR19R2)、日本医学研究开发机构（Japan Agency for Medical Research and Development简称AMED: No. JP22nk0101111）、NAGASE科学技术基金会（NAGASE Science Technology Foundation）、内藤基金会（Naito Foundation）、中外基金会（Chugai Foundation）、福冈直彦纪念基金会（Fukuoka Naohiko Memorial Foundation）、宇部基金会（UBE Foundation）以及上原纪念基金会(Uehara Memorial Foundation)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Organoboron and organosilicon compounds are used not only as synthetic building blocks but also as functional materials and pharmaceuticals, and compounds with multiple boryl and silyl groups are beginning to be used for these purposes. Especially in drug discovery, methodology providing easy stereoselective access to aliphatic nitrogen heterocycles bearing multiple boryl or silyl groups from readily available aromatic nitrogen heterocycles would be attractive. However, such transformations remain challenging, and available reactions have been mostly limited to dearomative hydroboration or hydrosilylation reactions. Here, we report the dearomative triple elementalization (carbo-sila-boration) of quinolines via the addition of organolithium followed by photo-boosted silaboration, affording the desired products with complete chemo-, regio-, and stereoselectivity. The reaction proceeds via the formation of silyl radicals instead of silyl anions. We also present preliminary studies to illustrate the potential of silaboration products as synthetic platforms.