一、研究背景
在有机化学领域中，分子的组装与官能团的巧妙操控始终是核心研究课题之一。其目标在于能够按照需求精准地引入、充分利用并适时移除官能团，进而实现复杂分子结构的高效构建。其中，氰基官能团由于其独特的化学性质，在有机合成中占据着特殊的地位。然而，长期以来，脱氰步骤一直是有机合成中的一大难题。这主要归因于 C-CN 键具有较高的解离能，通常需要借助过渡金属以及强还原剂等苛刻条件才能实现脱氰反应，这不仅极大地限制了适用底物的范围，而且使得反应体系对其他官能团的耐受性显著降低。不过，值得注意的是，若能充分利用氰基在 α- 官能化后的脱氰特性，便有望实现碳基架的巧妙战略性组装，为有机合成开辟新的途径。
在此背景下，名古屋工业大学的 Shuichi Nakamura 和 Naoki Yasukawa 课题组开展了一项极具创新性的研究。他们成功展示了一种在光催化条件下，利用胺基连接的硼基自由基介导的丙二腈氰基转移（CGT）策略，为脱氰转化反应带来了新的曙光。
二、研究过程与关键发现
（一）实验探索与研究
在研究的初始阶段，课题组面临着诸多挑战。首先，如何选择合适的光催化体系以及自由基引发剂成为关键问题。经过大量的文献调研和前期实验探索，他们最终确定了以 4CzIPN 作为光催化剂，并巧妙地选用胺基连接的硼基自由基作为关键的反应中间体引发剂。在反应条件的优化方面，研究人员进行了细致入微的研究。他们对反应溶剂、碱的种类及用量、底物浓度、光照时间和强度等多个因素进行了系统的考察。例如，在对反应溶剂的筛选中，他们测试了包括 DMF、DMSO、乙腈等多种常见有机溶剂，发现 DMF 能够为反应提供良好的溶解性和反应环境，有利于反应的顺利进行。对于碱的选择，经过对比碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钾等多种碱，确定碳酸钾在 1.5 equiv. 的用量下能够有效地促进反应，且不会引发过多的副反应。通过对这些条件的反复优化，最终建立了一套高效且稳定的反应体系。
合成方案
为了深入理解 CGT 过程的本质，课题组开展了全面的理论和实验评价工作。在理论研究方面，他们运用先进的计算化学方法，对 CGT 事件进行了详细的模拟和分析。以二甲基丙二腈为例，通过密度泛函理论（DFT）计算，精确地获得了反应过程中的能量变化信息，包括反应的活化能、自由能变化等关键数据。计算结果显示，该反应在热力学和动力学上均具有一定的可行性，为实验研究提供了坚实的理论支撑。
理论和实验评价
同时，研究人员还提出了详细的反应机制。在光催化作用下，胺基连接的硼基自由基首先被激发，产生具有高活性的自由基物种。该自由基能够选择性地进攻含有 C (sp³)-CN 键的底物，引发氰基的转移反应。随后，经过一系列复杂的自由基 - 极性交叉过程，最终实现 C (sp³)-CN 键的裂解，生成 C (sp³)-D 和 C (sp³) 产物。为了进一步验证反应机制的正确性，课题组设计并实施了一系列严谨的控制实验。他们对比了不同自由基前体的反应活性，包括 NHC - 硼基自由基、硅基自由基等。实验结果表明，胺基连接的硼基自由基在该反应体系中表现出了独特的优势，能够高效地引发脱氰反应，而其他自由基前体的反应效果则相对较差，从而有力地支持了所提出的反应机制。
（二）底物范围拓展解析
在底物范围的拓展研究中，课题组展现出了卓越的研究能力和创新精神。他们对多种不同结构类型的底物进行了系统的考察，涵盖了含有不同取代基的丙二腈衍生物、芳香族氰基化合物以及脂肪族氰基化合物等。
底物范围
研究发现，对于含有甲基、乙基、苯基等不同取代基的丙二腈衍生物，反应均能顺利进行，且能够获得较高的产率。例如，当底物中的取代基为甲基时，在优化的反应条件下，脱氰氘代产物的产率可达到 85% 以上。
对于芳香族氰基化合物，如苯乙腈及其衍生物，虽然反应活性相对较低，但通过适当调整反应条件，如延长光照时间、增加催化剂用量等，也能够实现一定程度的脱氰转化，产率在 40% - 60% 之间。在脂肪族氰基化合物方面，一些直链和支链的烷基氰化物也能够参与反应，为合成具有特殊结构的脂肪族化合物提供了新的方法。
这些研究结果充分表明，该 CGT 策略具有较为广泛的底物适用性，为有机合成化学家提供了一种强大的工具，能够用于构建多种不同结构的有机分子。
（三） 应用探索
除了脱氰氘代反应外，课题组还积极探索了 CGT 策略在其他有机反应中的应用潜力，取得了一系列重要的研究成果。在分子内环化反应中，他们巧妙地设计了含有氰基和可环化官能团的底物分子。在光催化 CGT 条件下，氰基发生转移的同时，引发分子内的环化反应，成功构建了一系列具有重要生物活性的环状化合物，如五元环、六元环等。这些环状化合物在药物化学、天然产物全合成等领域具有重要的应用价值。例如，通过该方法合成的一种五元环化合物，经过进一步的修饰和活性测试，发现其具有潜在的抗菌活性，为新型抗菌药物的研发提供了新的先导化合物。
CGT战略
在脱氰烯基化反应中，课题组同样取得了突破。他们将含有氰基和烯基的底物引入反应体系，在合适的反应条件下，实现了氰基的转移和烯基化反应的协同进行，生成了一系列具有烯基官能团的产物。这些产物在有机材料科学领域具有潜在的应用前景，例如可用于合成具有特殊光电性能的有机聚合物材料。
CGT战略
三、总结与展望
综上所述，名古屋工业大学 Shuichi Nakamura 和 Naoki Yasukawa 课题组开发的光催化胺基连接硼基自由基介导的脱氰转化策略在有机合成领域具有重要的意义和广泛的应用前景。
从科学意义上讲，该研究成功地突破了传统脱氰反应的局限性，为 C-CN 键的转化提供了一种新的、温和且高效的方法。通过深入的理论和实验研究，丰富了人们对自由基介导的脱氰反应机制的认识，为有机化学理论的发展做出了重要贡献。在实际应用方面，该策略的广泛底物适用性和多样的反应类型使其在药物合成、材料科学、天然产物全合成等多个领域具有巨大的应用潜力。例如，在药物合成中，能够为合成具有特定结构和生物活性的药物分子提供新的合成路线，加速药物研发的进程；在材料科学领域，可用于制备具有特殊性能的有机材料，满足不断增长的科技需求。
然而，尽管已经取得了显著的研究成果，但有机合成化学的发展永无止境，仍有一些问题值得进一步深入研究和探索。例如，虽然目前的反应体系对多种底物具有一定的适用性，但对于一些特殊结构的底物或复杂的反应体系，反应的效率和选择性可能还有进一步提升的空间。在反应机理方面，虽然已经提出了较为合理的解释，但仍有一些细节需要进一步完善和验证，如自由基中间体的稳定性和反应活性的调控机制、光催化过程中的能量转移和电子转移过程等。未来的研究可以聚焦于进一步优化反应条件和催化剂体系，通过设计新型的光催化剂和自由基引发剂，提高反应的效率和选择性。同时，结合先进的实验技术和理论计算方法，深入研究反应机理，为有机合成化学的发展注入新的活力。
总之，这一研究成果为有机合成领域带来了新的机遇和挑战，有望在未来引发更多的研究和创新，推动有机化学朝着更加高效、绿色和智能化的方向发展，为人类社会的科技进步和经济发展做出更大的贡献。
四、文献信息
文献标题：Photocatalytic Strategy for Decyanative Transformations Enabled by Amine-Ligated Boryl Radical
作者：Yuto Yoshida, Waka Okada, Kazutake Takada, Shuichi Nakamura, Naoki Yasukawa
发表期刊：Organic Letters
DOI：10.1021/acs.orglett.4c04701
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.orglett.4c04701
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