将氟化合物转化为可持续资源 - 裂解 C-F 键并将苯V体育官网转化为双官能团的新技术 -

演示要点

〇利用铜催化剂激活有机氟化合物（氟氧化物）的C-F键成功实现苯V体育官网双官能化
〇°合成了46种有用分子，最高收率达99%。可广泛应用于制药和材料开发。
〇〇开发了氟化合物的新利用方法，有望成为资源循环利用和解决环境问题的基础技术。

总结

碳氟（C-F）键是由碳形成的最强的化学键，有机氟化合物由于其高稳定性而在现代社会的广泛领域得到应用。然而，这种稳定性也意味着它们难以分解，这是环境问题的原因之一。其中，PFAS（*1）作为代表例而广为人知。

V体育助理教授赵正宇（生命与应用化学系）、特聘助理教授周军（研究时生命与应用化学系）、落合洋州先生（工学系生命与材料化学专业2年级）、井川苍太先生（研究时工学系生命与应用化学专业2年）、铁男教授应用化学系的柴田教授（生命与应用化学系、工程系）的研究小组开发了一种新技术，该技术使用铜催化剂和甲硅烷基硼烷来断裂有机氟化合物的一种酸氟（根据OECD的定义，不包括在PFAS中（*2））的C-F键，并选择性地将苯乙烯转化为双官能团（*3）（图1）。苯乙烯是芳香烃的一种，广泛用作塑料、合成橡胶等工业材料的原料。本研究建立的转化技术可以说是一个有益的成果，它将开辟有机氟化合物利用的新途径，同时有助于材料合成的发展。

该研究成果发表在国际学术期刊上 网络新闻版2025 年 9 月 10 日。

研究背景

氟原子是属于第2周期第17族的卤素元素，其特点是原子半径小，与氢相当，并且是所有元素中电负性最高的。因此，碳和氟之间形成的C-F键极强，有机氟化合物表现出高热稳定性。从“保存性”和“功能性”的角度来看，其稳定性优异，不仅作为最终产品，而且作为材料合成的基本原料或合成元素（*4）也具有很高的利用价值。因此，以有机氟化合物的C-F键为起点的官能团转换，即C-F键活化反应，作为可自由构建各种分子的有吸引力的技术而受到关注。

柴田实验室开发了多种有机氟化合物的 C-F 键活化方法 (*5)。这次我们关注的是酰基氟，它是羧酸衍生物之一。虽然酰基氟化物具有源自C-F键的高稳定性，但与类似的酰基氯和酰基溴相比，它们的反应性较差，并且C-F键的选择性活化对其利用至关重要(*6)。

在本研究中，我们尝试使用这种酰基氟作为酰基源，通过与苯V体育官网的双官能化反应来合成 β-甲硅烷基酮 (*7)。有机硅化合物具有碳硅（C-Si）键，广泛应用于药品、农用化学品和弹性体等日常产品中。此外，许多从C-Si键开始的官能团转化方法是已知的，特别是β-甲硅烷基酮骨架有望成为天然产物合成和药物发现研究中的重要中间体。例如，β-甲硅烷基酮可以通过苯V体育官网+甲硅烷基硼烷+酰基氯三种组分组合来合成，但酰基氯由于反应活性高，存在对水和热不稳定的问题。作为改进方法，开发了使用酰基咪唑的方法，但仍然存在合成方法受到限制的问题。

在这项研究中，我们开发了一种使用酰基氟的新方法，该方法具有稳定性、多功能性且易于制备。该反应通过使用廉价且市售的铜催化剂和膦配体的简单催化剂系统进行，并且已被证明适用于各种酰基氟、苯V体育官网和甲硅烷基硼烷。该反应是一种高效的多组分连接反应，可同时结合多种底物，被高度期待作为一种强大的平台技术，为未来的药物发现研究做出贡献（图2）。

研究内容

这项研究的关键是结合了乙酸铜 (CuOAc)、三环己基膦 (PCy₃) 和 N,N-二甲基甲酰胺 (DMF) 溶剂的反应体系。该课题组此前已证明，通过在该催化剂体系中添加甲硅烷基硼烷，可以有效生成铜-甲硅烷基活性物种，与缺电子的三氟甲基烯烃发生反应，顺利进行“转移插入-β-氟消除”的脱氟甲硅烷基化反应。具体来说，我们已经证实一系列过程顺利进行，从转移插入到缺电子烯烃中开始，然后是β-氟消除。基于这些知识，在本研究中，我们设计了一种新的反应，将酰基氟、缺电子苯V体育官网和甲硅烷基硼烷这三种组分结合起来，旨在构建多种β-甲硅烷基酮骨架（图3）。

根据前期的研究结果，我们仔细筛选了过渡金属催化剂、配体和溶剂，发现催化剂的用量乙酸铜和PCy₃，并且DMF发现溶剂组合是最有效的。具体而言，对于作为起始原料的酰基氟来说，1.3等量的苯V体育官网和甲硅烷基硼烷试剂 (PhMe2Si-Bpin)，反应温度40℃，反应时间24需要，视时间而定β-甲硅烷基酮96%的孤立产量此外，当基于这些最佳条件检查各种底物时，它们表现出优异的官能团耐受性，并且高达99%证实了分离产率。结果，含有生物活性分子的总量46类型β-我们已成功合成甲硅烷基酮。另外，这个反应可以放大，已经证明完全可以有望应用于工业规模的反应器（图4）。

该反应的主要特点是对缺电子苯V体育官网的高选择性。作为对照实验，我们通过混合两种具有不同电子态的苯V体育官网进行反应，结果表明，只有缺电子的苯V体育官网才优先进行双官能化，并且可以高选择性地获得相应的产物。通过利用这种优异的化学选择性，我们证明即使使用具有多个反应位点的底物，也可以特异性、高效地合成目标 β-甲硅烷基酮，而不会引起副反应（图 5）。

反应机理的阐明

在这项研究中，我们根据所获得的知识研究了反应机理，并提出了如图 6 所示的催化循环。首先，CuOAc/PCy₃ 和甲硅烷基硼烷 (PhMe2Si-Bpin) 之间发生 σ 键复分解，产生活性甲硅烷基铜 (I) 物种。然后，该甲硅烷基铜物质进行转移插入到缺电子苯V体育官网双键中，形成烷基铜中间体。然后该中间体与酰基氟反应，铜对氟的亲和力导致 C-F 键有效断裂，产生酰基铜中间体。在此阶段，PCy₃配体在稳定中间体和促进反应方面发挥着重要作用。此外，β-氟消除从这里发生，产生所需的β-甲硅烷基酮，同时形成Cu(I)-F物质。该 Cu(I)-F 物质再次与甲硅烷基硼烷发生 σ 键复分解，再生甲硅烷基铜物质并完成催化循环。作为副产物产生的 F-Bpin 确实通过 19 F NMR 得到了证实，支持了这一途径。

此外，酰基氟在该反应中表现出特别优异的反应性的原因也已明确。首先，由于酰基氟中的C-F键具有高极性，因此与酰基氯中的C-Cl键相比，更容易发生铜的氧化加成和亲核取代。其次，生成的 Cu-F 物质很容易通过与甲硅烷基硼烷反应而返回到活性甲硅烷基铜物质，但 Cu-Cl 物质很难重新激活，因此催化循环可能会停止。

社会意义和未来前景

此次发现的反应的一大特点是，它可以利用既稳定又具有反应性的酰基氟，允许多种结构设计，并且还可以通过识别苯V体育官网电子态的微小差异来实现高选择性转化。这为积极将有机氟化合物（一组稳定且具有环境问题的分子）转化为新的功能分子以及药物和材料中间体铺平了道路。特别是在药物发现和高功能材料的开发中，分子骨架的细微修饰与性能直接相关，因此该反应的精确选择性和广泛的应用使其成为强大的工具。此外，该反应使用简单的催化剂体系即可实现高产率，并且可以扩大规模，使其成为一项高度实用的技术，可直接连接到工业应用。预计该技术将成为有效利用有机氟化合物作为可持续资源的基础技术，有机氟化合物一直被认为过于稳定且难以处理。

未来我们的目标是将该技术应用于药物合成、功能材料开发、促进氟资源循环等方面。这一成果不仅具有学术意义，而且是有可能克服环境问题和创造新产业的重要一步。

这项研究基于日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创意研究促进项目。本课题是在CREST研究领域“用于分解、劣化和稳定的精密材料科学”（研究主管：高原淳（九州大学））、研究项目“氟材料的精密分解以实现氟循环社会”（研究代表：柴田哲夫）（项目编号JPMJCR21L1）和本岛宗二博士（CMC研究所）的支持下进行的。

论文信息

论文标题：使用甲硅烷基硼酸酯和酰氟对V体育官网基芳烃进行化学选择性铜催化酰基硅烷化
作者姓名：赵正宇、周军、落合 Seishu、Ikawa Sota、柴田 Norio*
*通讯作者
已出版的杂志：化学科学
发布日期：2025 年 9 月 10 日
DOI：101039/D5SC05220C
网址：

术语表

(*1)PFAS
一组有机氟化合物，一组其持久性被认为是国际问题的物质。

(＊2)经合组织
经济合作与发展组织。提供 PFAS 结构定义的组织之一。

(*3) 双功能化
一种将两个官能团同时引入一个分子的反应。

(*4) 复合元素
一般指有机合成反应中使用的材料和原料。

（＊5）
“成功室温分解PFAS为PTFE——利用金属钠分散体开发氟资源回收技术”（2025年7月22日） 
“氟塑料成功的室温分解和再利用——为高度安全和可持续的氟资源循环做出贡献”（2025年6月30日）
“使用脂肪族氟化物的交叉偶联反应 - 开发 PFAS 分解的新途径”（2024 年 10 月 4 日）
 “全碳四元立体中心合成方法的开发-氟循环社会的新合成技术”（2024年3月5日）
“氟化合物与胺之间的脱氟交叉偶联反应 - 旨在实现可持续发展目标的芳香胺的合成”（2023 年 4 月 5 日）
“实现不需要过渡金属催化剂的交叉偶联反应——针对SDGs的新型医药材料合成技术”（2023年3月24日）
“开发出一种从氟化合物中仅去除氟并将其转化为分子的方法 - 有望将破坏环境的物质重新用于药品、电子材料等。” （2021 年 6 月 21 日）
“利用含氟药物开发新型分子转化技术：对新药创造的期望”（2018年10月22日）

（＊6）
“减少环境影响的羧酰氟和肽合成 - 使用机械化学实现快速、非催化反应”（2024 年 2 月 19 日）
“开发一种安全生产酰基氟的新工具 - 加速其在医药、农化产品和电子材料开发中的应用 -”（2020 年 5 月 11 日）

(*7) β-甲硅烷基酮
在酮（羰基化合物）的β位具有C-Si键的有机化合物的结构。

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