近日，南方科技大学深圳格拉布斯研究院谢作伟院士团队在碳硼烷合成化学领域取得进展。团队创新性研发无金属电化学合成策略，实现硼中心碳硼烷基自由基的可控生成，并通过自由基串联环化反应，模块化构建了系列碳硼烷氮杂环化合物。该成果破解了传统合成方法依赖贵金属、污染大、适用性窄的难题，以清洁电能为驱动力，实现温和条件下碳硼烷氮杂环化合物的高效合成，为硼团簇修饰新药研发搭建全新技术平台，也为主族元素自由基的电化学制备建立了重要研究参考。相关研究成果发表在 J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 17333−17345上。

       苯环作为药物分子中最普遍的骨架，其平面结构常导致水溶性差、生物利用度低及代谢稳定性不足。三维生物电子等排体替代策略为解决这一问题提供了新思路，其中碳硼烷凭借独特的三维笼状结构、优异的代谢稳定性和可模块化衍生化特性，是极具潜力的苯环的硼基三维生物电子等排体（图1A）。

       碳硼烷应用前景广阔，但合成技术瓶颈长期制约其发展。氮杂环作为药物分子中最普遍的核心骨架，碳硼烷-氮杂环衍生物的高效合成方法却极为匮乏，这直接限制了碳硼烷在医药领域的转化与应用；另一方面，与已高度成熟的碳中心自由基化学相比，硼基自由基的合成方法学发展显著滞后。传统硼基自由基的制备多依赖热催化、光催化、过渡金属催化或化学氧化还原策略，通常需要使用当量的氧化还原剂、贵金属催化剂及光敏试剂，不仅导致生产成本高昂、化学废弃物大量产生，更使其原子经济性与实际应用价值大打折扣。尤为关键的是，利用电化学策略合成硼中心碳硼烷基自由基，并将其应用于碳硼烷功能化的研究此前始终处于空白状态，成为制约领域发展的关键卡点（图1B）。

       针对上述难题，谢作伟院士团队基于前期研究，发现结构稳定、在乙腈中还原电位为 - 0.23 V 的3-重氮邻碳硼烷四氟硼酸盐，是硼中心碳硼烷基自由基理想的自由基前体。团队据此搭建全新无金属电化学合成体系，通过电化学还原活化 B-N 键，室温下与邻位自由基受体取代芳基异氰化物发生自由基串联环化反应，高效构建了 13 类共 65 例碳硼烷氮杂环化合物，最高收率达 92%。该方法采用廉价石墨毡电极和无隔膜电解池，反应条件温和、官能团耐受性优异（图1C）。

图1. 背景介绍及本文工作。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

       该方法展现出优异的合成实用性与应用潜力。在药物修饰层面，团队实现渐冻症一线药物利鲁唑、抗癌候选药物 PMX-610、抗前列腺癌专利分子A4B17的碳硼烷类似物一步合成，产率分别达 80%、68% 和 65%，为硼团簇靶向新药研发开辟了简洁路径。在规模化制备方面，标准反应可顺利实现克级放大，产率与微量合成基本持平，证明该工艺具备工业化生产潜力。同时，产物可通过笼 CH 顶点修饰、Suzuki-Miyaura 偶联反应进行后期衍生改造，为复杂药物分子的定向结构优化提供灵活技术手段 （图2）。

图2. 合成应用研究。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

       为阐明反应内在机制，研究团队开展了对照实验、自由基捕获、循环伏安及动力学分析等系统性机理研究（图3）。研究排除了 1,3 - 脱氢邻碳硼烷、碳硼烷基硼鎓阳离子两种非自由基反应路径；热化学反应低效且易生成副产物，而电化学路径反应专一性强。自由基捕获与吲哚区域选择性加成实验，直接证实硼中心碳硼烷基自由基是反应关键中间体。动力学数据表明，阴极还原重氮盐生成自由基是反应决速步骤，且体系存在自由基链反应特征。

图3. 机理研究。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

       综上所述，该工作攻克了电化学合成硼中心碳硼烷自由基的技术难题，首次将其应用于碳硼烷官能化，开发出碳硼烷氮杂环模块化构建的绿色新方法。这一成果不仅填补了领域空白，还为主族元素自由基化学提供了全新研究范式，将有力推动硼中子俘获治疗（BNCT）等领域硼簇药物的研发进程。

       南方科技大学为论文唯一通讯单位，谢作伟院士为论文的通讯作者，周鹏研究助理教授为论文的第一作者。该项工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划基金和南方科技大学高水平专项基金的资助。论文信息：Electrochemical Synthesis of Boron-Centered Carboranyl Radical for Modular Carboranyl N-Heterocycles. J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 17333−17345.