磺酰氟激活苯酚高效合成芳基硼酸酯

酚类化合物具有来源广泛且易于获得、包含官能团丰富且成本低的优势，然而以酚为原料高效合成芳基硼酸酯仍是一个挑战。近日，遵义医科大学袁泽利/李新民报道了磺酰氟（SO₂F₂）激活苯酚一锅高效合芳基/杂芳基硼酸酯的方法。该方法展示出优异的官能团兼容性，并适用于天然产物、药物分子、荧光分子探针的合成。相关研究成果发表于Green Chemistry，并被推荐为封面文章（DOI: 10.1039/d3gc01923c）。

芳基硼酸酯是一类重要的功能分子，广泛应用于合成药物分子、农药以及多种功能材料。硼酸酯基团还可以作为荧光分子探针的响应基团用于检测和定量生物体细胞中的活性氧物种。钯催化芳基卤化物的Miyaura硼化反应是合成芳基硼酸酯的实用方法。在过去的十年里，较为惰性的C–H、C−F、C−S、C−N和C−C键的直接硼酯化反应也被陆续报道，极大丰富了硼酸酯的制备策略。然而仍有一些挑战亟待解决，例如很多反应体系对底物含有羟基、氨基、烯烃、杂环等官能团较为敏感，无法用于合成结构复杂且具有生物活性的硼酸酯分子。苯酚衍生物可通过木质素的解聚获得，因此具有来源广泛，经济易得的优势。化学家在酚类衍生物的转化和功能化方面做出了巨大努力，已有报道利用芳基三氟甲烷磺酸酯、芳基对甲苯磺酸酯、二芳基醚等酚类衍生物为原料合成芳基硼酸酯，然而直接用苯酚为原料高效制备芳基硼酸酯的方法却很少报道（图1）。近日，遵义医科大学袁泽利/李新民提出通过SO₂F₂激活苯酚并原位形成ArOSO₂F，然后再通过钯催化硼酯化反应一锅制备了芳基/杂芳基硼酸酯。

图1. 芳基硼酸酯的合成策略（图片来源：Green Chemistry）

前期研究发现，该方法的关键步骤是将ArOSO₂F高效转化为芳基硼酸酯。作者选择以4-甲氧基苯酚与联硼酸频哪醇酯为底物筛选最佳反应条件，实验结果表明以PdCl₂为催化剂、Xphos为配体，NaOAc为碱，使用CH₂Cl₂，i-PrOH为溶剂，可以以94%的产率得到硼酸酯。为了考察该体系的官能团兼容性，作者选取了含有氰基、甲酰基、羰基、硝基、氨基、酰胺、甲氧基、C=C和酯基的酚类底物进行反应，以中等至较好的产率获得芳基硼酸酯1-14。间位和邻位取代的酚以55-87%的产率生成相应的硼酸酯产品15-18。含有N、O、S的杂环底物也具有良好的反应活性，可以以53-92%的产率得到23-29。含有多个芳环的硼酸酯化合物是制备荧光分子探针和液晶材料的分子砌块，作者选择了不同结构的多芳香环底物进行考察，最后以70-92%的产率提供目标产物30-35。

图2. 底物扩展（图片来源：Green Chemistry）

为了进一步考察该方法的实用性，作者将该方法应用于药物分子的制备以及天然产物、类固醇衍生物和维生素的硼酯化反应。首先将该方法应用于合成治疗痤疮、银屑病和光老化的第三代局部类视黄醇药物阿达帕林。如图3a所示，作者以6-羟基-2-萘甲酸甲酯为初始原料，经过一锅硼酯化反应得到中间体38，再经过偶联反应及水解反应得到阿达帕林1.09 g，总产率为80%。该路线避免了使用格氏试剂和有机锌衍生物。接下来，作者将该方法应用于类固醇衍生物雌酚酮、(S)-10-羟基喜树碱以及维生素E的硼酯反应，并得到了较好的产率。（图3b-3d）。

图3. 一锅硼酯化反应在药物分子和天然产物类似物合成中的应用（图片来源：Green Chemistry）

芳基硼酸酯作为重要的分子砌块可用于制备多种类型的功能分子，因此作者进一步开发了一个一锅三步反应体系，从而实现以苯酚为原料高效制备多种类型化合物的功能。如图4所示，首先以4-苯基苯酚为原料合成4-苯基硼酸频哪醇酯，随后在不进行柱分离的情况下，仅通过萃取得到粗产物，然后直接用于下一步的官能化反应，例如卤化、水解、胺化、C-C和C-N偶联反应等，最终以68-89%的产率获得多种类型的分子50-58。

图4 以酚为原料一锅三步法合成多种类型化合物（图片来源：Green Chemistry）

作者对反应机理进行了推测，认为首先氯化钯与XPhos发生配位，然后二价钯被还原为一价钯，形成Pd⁽⁰⁾(XPhos)催化物种。然后ArOSO₂F的C(sp²)-O键与Pd⁽⁰⁾(XPhos)发生氧化加成得到钯(II)络合物A。该络合物A随后进行配体交换生成乙酰氧基钯中间体B。随后，络合物C发生还原消除，得到最终产物芳基硼酸酯（图5）。

图5. 机理推测（图片来源：Green Chemistry）

小分子荧光探针在生物成像、药物筛选和医学诊断等领域表现出了很好的应用前景。其中，以硼酸酯为响应基团的荧光染料分子已被广泛用于检测过氧化氢（H₂O₂）、次氯酸盐（ClO⁻）、氟化物（F⁻）和过氧亚硝酸盐（ONOO⁻）。基于此，作者以相应的酚为原料，通过一锅硼酯化反应，成功获得了四个含有硼酸酯基团的荧光探针62-65（图6）。其中探针HTCPB（65）是首次合成及报道，随后作者对HTCPB的光物理性质及荧光成像性质进行了研究。探针HTCPB与H₂O₂响应之后最大发射波长为612 nm，在不添加H₂O₂时探针自身显示出非常微弱的荧光信号，在添加H₂O₂后，观察到612 nm处的荧光强度增强约23倍（图7c）。上述结果表明，探针HTCPB可以快速、高灵敏地测定H₂O₂。作者进一步使用HTCPB对细胞中的外源和内源性H₂O₂进行成像和监测，以探索其在研究生物成像中的潜在应用。实验结果表明，探针 HTCPB与RAW 264.7细胞共孵育时，仅观察到较弱荧光信号（图8 b1-b3）。相反，当探针HTCPB与RAW 264.7细胞共孵育后，用H₂O₂处理的细胞荧光信号显著增加（图8 d1-d3）。接下来作者进一步对内源性H₂O₂进行成像。RAW 264.7细胞经过LPS和PMA刺激后可以产生高水平的H₂O₂。探针HTCPB与未经任何处理的RAW 264.7细胞共孵育后显示出微弱的荧光信号（图7 b1-b3）。然而，经LPS/PMA预处理的RAW 264.7细胞的荧光信号比未经预处理的细胞高约2倍。这些结果表明，HTCPB能够对活细胞中的外源性和内源性H₂O₂进行荧光成像分析。

图6 一锅硼酯反应在荧光探针合成中的应用（图片来源：Green Chemistry）

图7 探针HTCPB光谱性质（图片来源：Green Chemistry）

图8 探针HTCPB在细胞中的成像（图片来源：Green Chemistry）

结论：作者开发了一种以SO₂F₂激活苯酚进行一锅硼酯化反应制备芳基/杂芳基硼酸酯的方法。该方法不需要分离氟磺酸酚酯中间体，可高效、简便制备结构多样的芳基/杂芳基硼酸酯。通过该方法可制备药物分子、天然产物衍生物。此外，利用该方法设计合成了一种新型的硼酸酯荧光探针HTCPB，该探针可应用于小鼠乳腺癌症细胞内源性和外源性H₂O₂的荧光成像。