期刊名：Nature Synthesis
DOI: 10.1038/s44160-024-00636-z
由于硫酸基团对酸和温度的不稳定性、在几乎所有有机溶剂中的不溶解性以及加入后有限的可操作性，在分子中引入硫酸基团往往比较困难。目前的硫酸盐合成方法主要依赖于 O-磺化取代反应。三氧化硫-胺复合物通常用作 O-磺化反应的化学试剂。开发能够通过 C-O 键形成直接硫化的方法将非常有价值，因为这种方法不仅能扩大底物范围，还能控制产物的立体化学。虽然通过硫酸根阴离子的经典取代途径进行 C-O 硫化是获得对映体丰富的硫酸盐的另一种方法，但目前似乎还没有用于这种转化的SN2 反应，这很可能是由于硫酸根阴离子的亲核性相对较差。
利用硼酸络合物的 1,n 迁移来形成立体特异性碳-杂原子键，有可能解决经典取代途径的关键局限性，因为（手性）有机硼化合物在有机合成中是现成的和具有广泛价值的构建基块。1,2-金属化合物迁移过程会经历 1,2-重排途径，在迁移碳（R）上具有立体异构性，而在带有离去基团的亲电中心（E）上具有立体反转性。这些过程在亲电中心为碳原子的转化过程中非常普遍，在氧、氮、硫或磷的转化过程中较少见，在长距离（超过三个原子）杂原子取代中则非常罕见。新碳-杂原子键形成（此处为 C-OSO3）的关键问题是找到一种双功能试剂，其亲核性足以生成硼酸盐复合物，同时还能引发后续迁移。从结构上看，过硫酸盐（S2O82-）与 H2O2 有相似之处：一个负氧离子作为亲核体，形成活化的四配位硼中间体；一个脆弱的 O-O 键断裂，启动迁移；一个良好的离去基团，即硫酸根阴离子，作为迁移的驱动力。在这种情况下，作者提出过硫酸盐可能代替 H2O2，同样促进过硫酸盐-硼酸盐复合物的新型 1,4-金属态长距离迁移，并通过 C-O 键的形成与立体保留生成有机硫酸盐。
过硫酸盐很少被用作硫酸盐转移试剂。作者的目标利用过硫酸盐作为硫酸盐来源的潜力，通过O-磺化反应合成有机硫酸盐。具体来说，作者开发了一种通过过硫酸盐诱导的 1,4-金属硫酸盐迁移对有机硼化合物进行高效、通用的 C-O 立体特异性硫酸化反应的方法。基于串联硼酸化-硫酸化方法，作者的方法可扩展到多种底物，如烯、C-H 化合物、羧酸、卤化物和胺，提供了一种实用、可扩展且操作简单的获得有机硫酸盐的途径。
为了验证概念，采用简单的反应装置，以 (NH4)2S2O8 作为硫化剂，以 n-Bu4NHSO4 或 (n-Bu4N)2S2O8 作为添加剂，对有机硼进行 C-O 硫酸化反应。在这一过程中使用四丁基铵盐是为了增加相应硫酸盐产物在有机溶剂中的溶解度。接下来，作者用一系列不同的有机硼酸酯探索了这种 C-O 硫化反应的通用性，如下图所示。
除了 C-O 键本身的形成，合成任务的第二个方面是精确控制 C-OSO3中碳的立体化学。作者推断，手性四配位过硫酸硼酸盐复合物将启动 1,4 迁移，并立体定向生成有机硫酸盐产物。作者制备了多种对映体仲硼酸酯，随后在作者的反应条件下进行了测试。首先，对蒎烯基硼酸酯和胆固醇衍生三氟硼酸酯的立体硫化进行了评估。在这两种情况下，都能以完全非对映选择性得到所需的产物。仲硼酸酯，包括烯丙基和苄基取代形式的仲硼酸酯，都能有效地进行反应，生成硫酸盐产物，具有完全的对映体选择性。这种通用策略能够开发立体特异性 C-O 磺化反应，而传统的 O-磺化反应或经典取代途径往往难以实现这种反应。
与作者最初关于硫化过程中 C-O 键形成的机理假设相一致，过硫酸盐诱导的 1,4-金属硫酸盐迁移方法是可行的，因为在其他氧化型有机硼酸酯转化过程中不会形成离散的自由基或碳正离子中间体。在标准反应条件中加入自由基清除剂TEMPO和丁基羟基甲苯不会影响反应，结果形成了硼酸盐重排硫酸盐产物 59。与三氟硼酸戊烯酯 13a 和甲基硼酸环丙基酯 93a 等自由基钟的反应直接发生硫化，分别生成产物 13 和 93。在这两种情况下，作者都没有观察到环化 13b 或自由基诱导的环破裂 93b 产生的产物。这种 C-O 硫化反应的另一种机理可能是 SO42- 对碳正离子的亲核攻击，这种碳正离子可能是由有机硼酸盐氧化生成的；然而，当硼酸盐 94a 中的预装酰胺基团在标准条件下暴露时，如果通过碳正离子过程操作，则会环化生成1,3-恶嗪衍生物 94b，唯一可观察到的产物是硫酸化的 94。此外，1,3,5-三甲氧基苯并没有通过 Friedel–Crafts烷基化作用中断硫酸化反应。这些发现结合图 4a 所示的立体定向硫酸化，有力地支持了分子内硼酸酯重排，而非分子间羧基或阳离子加成途径。
作者推测，(Bu4N)(H4N)S2O8 中反离子 Bu4N 的存在提高了过硫酸盐的溶解度，而其体积则阻碍了过硫酸盐中氧位点与有机硼物种之间的配位。相反，H4N 和其他小阳离子（如 K+和Na+）会促进络合，但溶解度有限。与过氧化物氧化过程中的 1,2-金属硼酸盐迁移相比，硫酸盐亲核性的减弱被 O-O 键的易断裂性和更好的离去基团所补偿，从而促进了 1,4-金属硼酸盐的迁移。从机理上讲，1,4-迁移一般比较简单，因为它是通过五元杂环途径进行的。但也不能排除 1,2-金属化物迁移的可能性，氧在过硫酸盐中的α效应促进了这种迁移。然而，在对甲氧基苯基保护的过硫酸盐或过氧化双（甲磺酰基）中，过硫酸盐中的末端氧被对甲氧基苯基阻断或被甲基取代，这种不成功的相应转化表明 1,4 迁移的可能性很大。这一策略的有趣机制将拓宽金属酸盐重排反应。
