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在有機合成中，均相過渡金屬催化能快速、直接地實現複雜的官能團化。這些反應很大程度上取決於貴金屬在不同氧化態間輕鬆迴圈的能力（圖1A）。為了提供更可持續的催化策略，除了嘗試揭示地球上儲量豐富的過渡金屬（Fe、Ni、Co、Cu、Mn和Cr）的反應性外，化學家也試圖開發和利用d-區之外的類過渡金屬的反應性。鉍（Bi）是一種地球儲量豐富且廉價的主族元素，其氧化還原性質目前並未充分探索。Bi在催化中的應用很大程度上依賴於其Lewis酸性，目前已經實現了C–H鍵活化（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 3825–3829）、羰基化（Chem. Sci., 2019, 10, 4169–4176）、轉移氫化（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4235–4240）以及作為自由基的引發劑（Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 1304–1306; Chem. Commun., 2018, 54, 916–919; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 12924–12929）。

在這些研究的基礎上，德國馬克斯普朗克煤炭研究所的Josep Cornella教授課題組報道了一類Bi配合物（I），能夠模擬過渡金屬催化迴圈中典型的基元步驟：轉金屬化（TM）、氧化加成（OA）和還原消除（RE）（圖1B），從而通過Bi(III)/Bi(V)氧化還原迴圈催化實現芳基硼酸酯類的氧化氟化，這一轉化在製藥和農用化學工業中應用廣泛。相關成果發表在近期的Science 上。

首先，作者認為合理設計配體對於利用Bi(III)/Bi(V)氧化還原對至關重要。基於先前Bi配位化學的研究，作者選擇了骨架上具有磺醯基束縛的雙陰離子芳基配體（圖2A）。考慮到鄰位碸基的吸電子性使得Bi中心的親電性更強，從而易於發生轉金屬化和還原消除，作者合成了Bi配合物（1），並與XeF2反應生成Bi(V)（> 95％的產率），X-射線分析顯示為對稱的Bi(V)二聚體結構（2）（圖2A）。當在CDCl3中將2加熱到110 °C時，氟苯（3）的產率竟達到45％。這種C-F鍵還原消除與先前的報道截然不同，之前通過Bi(V)氟化物熱誘導C-F鍵形成，然而通常是底物分解或僅得到痕量氟化芳烴。作者猜測調整碸的電性可能會影響到Bi(V)中心，從而影響C-F鍵的形成。實際上，當用NMe代替碸基中一個O原子時（4），3的產率顯著降低（28％，圖2B）；而當4中的甲基被CF3取代時（5），3的產率竟高達 94％，且兩者均同時形成了相應的氟鉍配合物（6）。4和5的單晶表徵顯示儘管它們的Bi–N鍵鍵長很接近（圖2B），但CF3的吸電子性顯著地促進了還原消除過程。對於Bi中心（7），當鄰位帶有甲基時，二氟鉍配合物（8）的晶體分析結果顯示為具有三角雙錐幾何結構（TBP）的單體五價配合物（圖2C），其中兩個F原子都佔據錐頂位置。這種幾何形狀與TBP配合物的極性規則相符——最負電性和最不依賴空間的取代基總是在錐頂位置。

然後，作者開始探究這種異常的C-F鍵還原消除的機理，先合成了幾種對位取代的芳基鉍配合物（圖3A中的5、9-13），並用XeF2氧化為相應的五價鉍物種（14-19）。14在90 °C時的熱分解表現出一級動力學曲線，其中氟苯（3）與氟鉍配合物（6）的生成速率相等，7小時後收率達到94％（圖3A1）。在25 °C範圍內的Eyring分析顯示焓壘很小，但出乎意料的是具有高熵變。較大、較負的熵變與過渡態下的締合過程一致。對14-19進行熱分解變為芳基氟化物（3、20-24）和6的Hammett動力學分析顯示：當相對常數相對於σp+（取代基常數）作圖時，具有適度的正斜率（ρ = 0.43），顯示出良好的線性關係（R2= 0.9735）。這表明當芳環中有吸電子基時，還原消除的速度更快。此外，在Bu4NF（1.0 equiv.）存在的情況下，於CDCl3中90 °C下加熱，14的熱分解反應速率變慢。綜合高的負熵值、考慮到共振效應時獲得的優異線性關係、在氟陰離子存在的情況下速率較慢，作者認為陽離子中間體14-cation（圖3B）與14處於平衡狀態。他們提出，還原消除氟苯（3）的同時形成氟鉍配合物（6）。

為了通過實驗確證陽離子中間體的形成，作者推測在14中Lewis酸可以和位於錐頂且與NCF3基團處於順式的氟配位，從而顯著延長Bi-F鍵，形成與14-cation幾何上相似的化合物。當14與1.0 equiv. BF3•OEt2在– 45 °C混合時（圖3B），1H、11B、19F和13C NMR和HRMS證實了25的形成。將其加熱至60 ℃，僅在5分鐘內就形成了氟苯（3）和四氟硼酸鉍配合物（26）。為了進一步確認26的性質， 向6中新增1.0 equiv. BF3•OEt2，立即轉化為26。在這種情況下，由於四氟硼酸鹽的弱配位，容易從25-cation形成3和26。對原位生成的25進行還原消除的Eyring分析表明，生成3和26時，該陽離子中間體的還原消除的熵變最小。另外，將Bi(III)化合物氧化為高價Bi(V)氟化物僅限於強氟化劑，如XeF2或F2。然而，當配合物5與1.2 equiv. 1-氟-2,6-二氯吡啶鎓27在CHCl3中於60 °C下加熱，平穩的形成C-F鍵（圖3C），較高的轉化率歸因於中性和空間受限的2,6-二氯吡啶配體氧化後的不穩定性（28），使得NCF3上的孤對進行配位。生成的中間體（25-cation）可以消除氟苯（3）並形成相應的鉍配合物（26）。

為了改變催化迴圈，作者將注意力集中在有機硼化合物與氯鉍配合物（29）之間的轉金屬化過程（圖4A）。利用KF作為活化劑，當硼酸（30）與29混合時，發生了平穩的轉金屬化（93％的收率）。當四氟硼酸鉍配合物（26）進行轉金屬化時，以95％的產率得到5。在相同條件下，其他有機硼化合物如PhBpin（31，67％）、PhB(neop)（neop，新戊基乙二醇基）（32，72％）和(PhBO)3（33，80％）都能以高收率轉化為苯基鉍配合物（5），證明了其多功能性。為了考察兩步法氟化的底物範圍，作者對各種苯基硼酸的轉金屬化進行了研究。無論芳環上帶有何種基團，均可獲得優良的芳基化收率（67％-90％）。然後將所得的芳基鉍配合物用27氧化（圖4B），並如上所述進行反應，各種對位取代基如叔丁基（20, 85％）、三氟甲基（21，35％）、氰基（22，71％）、氯（23，57％）、甲氧基（24, 21％）、氟（34, 50％）、酯基（35，96％）和三甲基矽基（36，77％）、鄰位溴（37，74％）、萘（38, 75％）、乙烯基（39, 49％）和間位甲氧基（40，93％）都能相容該反應，生成相應的芳基氟化物。

然後，作者研究了催化迴圈的所有步驟。根據最初的假設（圖1B），芳基硼酸衍生物向親電性Bi(III)中心（I）的轉金屬化會生成芳基鉍配合物（II）。隨後，II可以被親電性氟源27氧化得到包含氟化物和四氟硼酸配體的高價Bi(V)化合物（III）。該中間體快速分解形成C-F鍵和I，從而再生催化劑。確實，使用四氟硼酸鉍配合物（26），成功地實現了基於Bi的芳基硼酸酯的氧化氟化。優化活化硼酸酯所需的氟化物後，將各種ArBpin平穩轉化為相應的芳基氟化物（圖4C）。使用10 mol％的鉍配合物（26），苯硼酸頻哪醇酯（31）以90％的收率得到氟苯（3）。還能相容對位取代基如三甲基矽基（36，90％）、苯基（41，71％）、甲基（42，77％）、炔基（43, 67％）和溴（46，84％）。而間位取代芳基則得到了中等收率的芳基氟化物：甲氧基（40, 55％）、氰基（44, 28％）和氯（45, 36％）。π-共軛芳烴（38，49％）和鄰位取代的甲基（47, 45％）也適用於這一轉化。其中Bi催化劑對於反應的進行則是必不可少的。

總結

Josep Cornella教授課題組報道了一種Bi配合物進行轉金屬化、與溫和的氟化物氧化加成以及C-F鍵還原消除，從而生成芳基氟化物的方法。對每個步驟的詳細研究為基於Bi(III)/Bi(V)氧化還原對的催化迴圈的發展奠定了基礎。Bi的這種反應模式體現了類似過渡金屬的行為。儘管底物範圍還很狹窄，但使用通過仔細調節配體的性質形成的Bi配合物可能會擴充套件到其他類似情況，從而獲得更多的應用價值。

Fluorination of arylboronic esters enabled by bismuth redox catalysis

Oriol Planas, Feng Wang, Markus Leutzsch, Josep Cornella

Science, 2020, 367, 313-317, DOI: 10.1126/science.aaz2258