Разочарованная пара Льюиса
Фрустрированная пара Льюиса ( FLP ) представляет собой соединение или смесь, содержащую кислоту Льюиса и основание Льюиса , которые из-за стерических затруднений не могут объединиться с образованием классического аддукта . [1] Было изобретено множество видов FLP, и многие простые субстраты проявляют активацию. [2] [3]
Открытие того, что некоторые FLP расщепляют H 2 [4] вызвал быстрый рост исследований ФЛП. Из-за своей «неугасимой» реакционной способности такие системы реагируют на субстраты, которые могут подвергаться гетеролизу . Например, многие ФЛП расщепляют молекулы водорода . Так, смесь трициклогексилфосфина (PCy 3 ) и трис(пентафторфенил)борана реагирует с водородом с образованием соответствующих ионов фосфония и бората :
- PCy 3 + B(C 6 F 5 ) 3 + H 2 → [HPCy 3 ] + [НВ(С 6 F 5 ) 3 ] −
Эта реакционная способность была использована для производства FLP, которые катализируют гидрирования . реакции [5]
Активация малых молекул
[ редактировать ]Было показано, что разочарованные пары Льюиса активируют многие небольшие молекулы либо путем индукции гетеролиза, либо путем координации.
Водород
[ редактировать ]Открытие того, что некоторые FLP способны расщепляться и, следовательно, активировать H 2 [4] вызвало бурный рост исследований в этой области. Активация и, следовательно, использование H 2 важна для многих химических и биологических превращений. Использование FLP для высвобождения H 2 не содержит металлов, это выгодно из-за стоимости и ограниченности поставок некоторых переходных металлов, обычно используемых для активации H 2 (Ni, Pd, Pt). [6] Системы FLP реакционноспособны по отношению к субстратам, которые могут подвергаться гетеролизу (например, водороду) из-за «неугасимой» реакционной способности таких систем. Например, ранее было показано, что смесь трициклогексилфосфина (PCy 3 ) и трис(пентафторфенил)борана реагирует с H 2 с образованием соответствующих ионов фосфония и бората :
- PCy 3 + B(C 6 F 5 ) 3 + H 2 → [HPCy 3 ] + [НВ(С 6 F 5 ) 3 ] −
В этой реакции PCy 3 (основание Льюиса) и B(C 6 F 5 ) 3 (кислота Льюиса) не могут образовывать аддукт из-за стерических затруднений со стороны объемистых циклогексильных и пентафторфенильных групп. Протон фосфора и гидрид бората теперь «активируются» и впоследствии могут быть «доставлены» к органическому субстрату, что приводит к гидрированию .
Механизм активации дигидрогена с помощью FLP
[ редактировать ]Механизм активации H 2 с помощью FLP обсуждался как в межмолекулярном, так и в внутримолекулярном случаях. Межмолекулярные FLP - это когда основание Льюиса является отдельной молекулой по отношению к кислоте Льюиса. Считается, что эти отдельные молекулы взаимодействуют посредством вторичных дисперсионных взаимодействий Лондона, чтобы объединить основание Льюиса и кислоту (предорганизационный эффект), где затем могут взаимодействовать небольшие молекулы. с ФЛП. Экспериментальные доказательства такого типа взаимодействия на молекулярном уровне неясны. Однако существуют подтверждающие доказательства этого типа взаимодействия, основанные на исследованиях вычислительной теории функционала плотности . Внутримолекулярные FLP – это когда кислота Льюиса и основание Льюиса объединены в одну молекулу ковалентным линкером. Несмотря на улучшенные «предорганизационные эффекты», считается, что жесткие внутримолекулярные каркасы FLP обладают пониженной реактивностью по отношению к малым молекулам из-за снижения гибкости.
Другие низкомолекулярные субстраты
[ редактировать ]FLP также реактивны по отношению ко многим ненасыщенным субстратам, помимо H 2 . Некоторые FLP реагируют с CO 2 , в частности, при дезоксигенативном восстановлении CO 2 до метана. [7]
Этен также реагирует с ФЛП: [8]
- PCy 3 + B(C 6 F 5 ) 3 + C 2 H 4 → Cy 3 P + СН 2 СН 2 Б − (С 6 Ж 5 ) 3
Чтобы пары кислот и оснований вели себя как нуклеофильно, так и электрофильно одновременно, предлагается метод раскрытия цикла циклических простых эфиров, таких как ТГФ, 2,5-дигидрофуран, кумаран и диоксан. [9]
Использование в катализе
[ редактировать ]Гидрирование имина, нитрила и азиридина
[ редактировать ]
Восстановление иминов , нитрилов и азиридинов до первичных и вторичных аминов традиционно осуществляют металлогидридными реагентами, например литийалюминийгидридом и цианоборгидридом натрия . Гидрирование этих ненасыщенных субстратов может осуществляться реакциями, катализируемыми металлами. Безметалловое каталитическое гидрирование проводили с использованием фосфонийборатного катализатора (R 2 PH)(C 6 F 4 )BH(C 6 F 5 ) 2 (R = 2,4,6-Me 3 C 6 H 2 ) 1 . Этот тип безметаллового гидрирования потенциально может заменить дорогостоящий металлический катализатор.
Предполагается, что механизм восстановления имина включает протонирование по азоту с образованием иминиевой соли. Основность азотистого центра определяет скорость реакции. Имины, богатые электронами, восстанавливаются более быстрыми темпами, чем имины, бедные электронами. Образовавшийся иминиевый центр подвергается нуклеофильной атаке борогидрид-аниона с образованием амина. Малые амины связываются с бораном, гася дальнейшие реакции. Эту проблему можно преодолеть различными способами: 1) Применением повышенных температур 2) Использованием стерически объемных иминных заместителей 3) Защитой имина группой B(C 6 F 5 ) 3 , которая также служит промотором кислоты Льюиса. [10]
Энантиоселективное гидрирование имина
[ редактировать ]Хиральная боронатная кислота Льюиса , полученная из (1 R )-( + )-камфоры, образует фрустрированную пару Льюиса с т Bu 3 P, который можно выделить в виде соли. Этот ФЛП катализирует энантиоселективное гидрирование некоторых арилиминов с высоким выходом, но умеренным ее (до 83%).
Несмотря на концептуальный интерес, протокол страдает отсутствием общности. Установлено, что увеличение стерической массы заместителей приводит к снижению выхода и э.э. аминного иминных продукта. метоксизамещенные имины демонстрируют более высокий выход и ee's . [10]
Асимметричное гидросилилирование
[ редактировать ]Разрушенные пары Льюиса хиральных алкенилборанов и фосфинов полезны для асимметричного гидросилилирования типа Пирса 1,2-дикарбонильных соединений и альфа-кетоэфиров, обеспечивая высокий выход и энантиоселективность. Однако по сравнению с традиционными гидросилилированиями типа Пирса асимметричные гидросилилирования типа Пирса не так хорошо развиты.
В следующем примере хиральный алкенилборан образуется in situ из хирального диина и HB(C 6 F 5 ) 2 . Гетеролитический разрыв связи Si-H от PhMe 2 SiH катализатором ФЛП образует ионный комплекс силилия и гидридобората. [11]
Алкиновое гидрирование
[ редактировать ]Безметалловое гидрирование неактивированных внутренних алкинов до цис -алкенов легко достигается с использованием катализаторов на основе FLP. [12] Условия этой реакции были относительно мягкими при использовании H 2 при давлении 2 бара . С точки зрения механизма, алкиновый материал сначала гидроборируется , а затем полученный FLP на основе винилборана может затем активировать дигидроген. На стадии протодеборилирования высвобождается цис -алкеновый продукт, полученный в результате процесса син -гидроборилирования, и происходит регенерация катализатора. Катализаторы на основе ФЛП, хотя и активны в гидрировании алкинов, однако не способствуют гидрированию алкенов в алканы.
Реакция представляет собой сингидроборирование, в результате чего наблюдается высокая цис-селективность. На заключительной стадии каталитического цикла группа C 6 F 5 отщепляется легче, чем алкильная группа, вызывая деградацию катализатора, а не высвобождение алкана. Каталитический цикл состоит из трех стадий:
- Связывание субстрата (гидроборирование алкина)
- Расщепление H 2 винилбораном с последующим внутримолекулярным протодеборилированием винильного заместителя с выделением N,N-диметил-2-[(пентафторфенил)борил]анилина
- Высвобождение цис-алкена
С внутренними алкинами происходит конкурентная реакция, при которой протон, связанный с азотом, может присоединяться к фторбензолам. Следовательно, это присоединение происходит не так сильно, образование алкена кажется благоприятным.
Но концевые алкины связываются с бором не посредством гидроборирования, а скорее посредством активации CH. Таким образом, присоединение протона к алкину приведет к образованию исходного терминального алкина. Следовательно, этот процесс гидрирования не подходит для концевых алкинов и дает только пентафторбензол.
Недавно было достигнуто безметалловое гидрирование концевых алкинов до соответствующих алкенов с использованием системы на основе пиридона борана. [13] Эта система легко активирует водород при комнатной температуре, образуя пиридон-борановый комплекс. [14] Диссоциация этого комплекса позволяет гидроборировать алкин свободным бораном. При протодеборилировании свободным пиридоном цис- образуется алкен. В этой системе возможно гидрирование концевых алкинов, поскольку активация CH обратима и конкурирует с активацией водорода.
Борилирование
[ редактировать ]Амин-борановые ФЛП катализируют борилирование богатых электронами ароматических гетероциклов (схема 1). [15] Реакция обусловлена высвобождением водорода посредством активации CH с помощью FLP. Ароматические борилирования часто используются в фармацевтических разработках, особенно из-за обилия, низкой стоимости и низкой токсичности соединений бора по сравнению с благородными металлами.
К субстрату реакции предъявляются два основных требования, тесно связанных с механизмом борилирования. Во-первых, субстрат должен быть богат электронами, примером чего является отсутствие реакции с тиофеном, тогда как его более богатые электронами производные - метокситиофен и 3,4-этилендиокситиофен - могут вступать в реакцию с аминобораном. Кроме того, замещение 1-метилпиррола (который может реагировать) сильно электроноакцепторной трет -бутилоксикарбонильной группой (Boc) в положении 2 полностью ингибирует реакцию. Второе требование заключается в отсутствии в субстрате основных аминогрупп, которые в противном случае образовали бы нежелательный аддукт. Это можно проиллюстрировать отсутствием реакции с пирролом, тогда как как 1-метил-, так и N-бензилпиррольные производные способны вступать в реакцию.
Дальнейшая работа тех же авторов показала, что просто пиперидин в качестве группы амина R (в отличие от тетраметилпиперидина, изображенного выше) ускоряет скорость реакции. С помощью кинетических исследований и методов DFT авторы предположили, что стадия активации CH была более легкой, чем с более крупными заместителями. [16]
Деароматизация также может быть достигнута в аналогичных условиях, но с использованием N-тозил-индолов. син -гирдоборилированные индолины. Получены [17]
Также наблюдалось борилирование SH-связей в тиолах путем дегидрирования. Спирты и амины, такие как трет-бутанол и трет-бутиламин, образуют стабильные продукты, которые предотвращают катализ из-за сильной π-связи между неподеленной парой атома N/O и бором, тогда как то же самое нельзя сказать о тиолах, что позволяет успешно катализировать. . Кроме того, было достигнуто успешное борилирование связей Se-H. Во всех случаях образование газа H 2 является мощной движущей силой реакций. [18]
Улавливание углерода
[ редактировать ]Химия ФЛП концептуально важна для улавливания углерода . [19] Для селективного захвата и выделения углекислого газа использовали как межмолекулярный (схема 1), так и внутримолекулярный (схема 2) ФЛП, состоящий из фосфина и борана. Когда раствор FLP был покрыт атмосферой CO 2 при комнатной температуре, соединение FLP-CO 2 немедленно выпадало в осадок в виде белого твердого вещества. [19] [20]
Нагревание межмолекулярного соединения FLP-CO 2 в бромбензоле при 80°C в вакууме в течение 5 часов вызывало высвобождение примерно половины CO 2 и регенерацию двух составляющих компонентов FLP. После еще нескольких часов пребывания при комнатной температуре в вакууме полное выделение CO 2 и регенерация FLP. произошло [19]
Внутримолекулярное соединение FLP-CO 2 , напротив, было стабильным в виде твердого вещества при комнатной температуре, но полностью разлагалось при температуре выше -20°C в виде раствора в дихлорметане, выделяя CO 2 и регенерируя молекулу FLP. [19]
Этот метод улавливания углерода FLP можно адаптировать для работы в системах проточной химии. [21]
Разочарованная радикальная пара
[ редактировать ]Разрушенные радикальные пары (FRP) могут возникнуть в результате переноса одного электрона между основанием Льюиса и кислотой Льюиса (иногда после фотоактивации). Их можно изучить с помощью ЭПР-спектроскопии .
FRP были предложены в качестве промежуточных продуктов некоторых реакций FLP, таких как активация дигидрогена. Такие механизмы позже были отвергнуты, поскольку концентрация фрустрированных радикальных пар из-за спонтанного одноэлектронного переноса между FLP незначительна, что можно вывести из окислительного потенциала основания Льюиса и потенциала восстановления кислоты Льюиса.
Разрушенные радикальные пары могут иметь синтетическое применение при гомолитической активации химических связей, например, при функционализации связи CH . [22]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Стефан, Дуглас В. (2008). «Разочарованные пары Льюиса: концепция новой реакционной способности и катализа». Орг. Биомол. Хим . 6 (9): 1535–1539. дои : 10.1039/b802575b . ПМИД 18421382 .
- ^ Стефан, Дуглас В.; Эркер, Герхард (2010). «Разочарованные пары Льюиса: безметалловая активация водорода и многое другое». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (1): 46–76. дои : 10.1002/anie.200903708 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 20025001 .
- ^ Стефан, Дуглас В.; Эркер, Герхард (2017). «Разочарованная химия пары Льюиса» . Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 375 (2101): 20170239. Бибкод : 2017RSPTA.37570239S . дои : 10.1098/rsta.2017.0239 . ISSN 1364-503X . ПМК 5540845 . ПМИД 28739971 .
- ^ Jump up to: а б Уэлч, Грегори К .; Хуан, Ронан Р. Сан; Масуда, Джейсон Д.; Стефан, Дуглас В. (2006). «Обратимая активация водорода без металлов». Наука . 314 (5802): 1124–1126. Бибкод : 2006Sci...314.1124W . дои : 10.1126/science.1134230 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17110572 . S2CID 20333088 .
- ^ Лам, Джоли; Шкоп, Кевин М.; Мосафери, Элиар; Стефан, Дуглас В. (2018). «Катализ ФЛП: гидрирование основной группы органических ненасыщенных субстратов». Обзоры химического общества . 41 (13): 3592–3612. дои : 10.1039/C8CS00277K . ПМИД 30178796 . S2CID 206130644 .
- ^ Уэлч, Грегори К.; Хуан, Ронан Р. Сан; Масуда, Джейсон Д.; Стефан, Дуглас В. (17 ноября 2006 г.). «Обратимая активация водорода без металлов». Наука . 314 (5802): 1124–1126. Бибкод : 2006Sci...314.1124W . дои : 10.1126/science.1134230 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17110572 . S2CID 20333088 .
- ^ Беркефельд, Андреас; Пирс, Уоррен Э.; Парвез, Масуд (11 августа 2010 г.). «Тандемная фрустрированная пара Льюиса/трис(пентафторфенил)боран-катализируемое дезоксигенативное гидросилилирование диоксида углерода». Журнал Американского химического общества . 132 (31): 10660–10661. дои : 10.1021/ja105320c . ISSN 0002-7863 . ПМИД 20681691 .
- ^ Стефан, Д.В. (2009). « « Разочарованные пары Льюиса »: новая стратегия активации малых молекул и катализа гидрирования». Далтон Транс (17): 3129–3136. дои : 10.1039/b819621d . ПМИД 19421613 .
- ^ Точертермам, W (1966). «Структуры и реакции органических комплексов». Энджью. хим. Межд. Эд . 5 (4): 351–171. дои : 10.1002/anie.196603511 .
- ^ Jump up to: а б Чен, Дяньцзюнь; Ван, Ютянь; Кланкермайер, Юрген (3 декабря 2010 г.). «Энантиоселективное гидрирование с хиральными фрустрированными парами Льюиса». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (49): 9475–9478. дои : 10.1002/anie.201004525 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 21031385 .
- ^ Рен, Сяоюй; Ду, Хайфэн (15 января 2016 г.). «Хиральные фрустрированные пары Льюиса катализируют высокоэнантиоселективное гидросилилирование 1,2-дикарбонильных соединений». Журнал Американского химического общества . 138 (3): 810–813. дои : 10.1021/jacs.5b13104 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 26750998 .
- ^ Черниченко Константин; Мадарас, Адам; Папай, Имре; Нигер, Мартин; Лескеля, Маркку; Репо, Тимо (2013). «Подход с использованием разочарованной пары Льюиса к каталитическому восстановлению алкинов до цис-алкенов» (PDF) . Природная химия . 5 (8): 718–723. Бибкод : 2013НатЧ...5..718С . дои : 10.1038/nchem.1693 . ПМИД 23881505 . S2CID 22474399 .
- ^ Вех, Феликс; Хазенбек, Макс; Геллрих, Урс (18 сентября 2020 г.). «Полугидрирование алкинов, катализируемое пиридон-борановым комплексом: нарушенная реакционная способность пары Льюиса и согласованное сотрудничество бор-лиганд» . Химия – Европейский журнал . 26 (59): 13445–13450. дои : 10.1002/chem.202001276 . ISSN 0947-6539 . ПМЦ 7693047 . ПМИД 32242988 .
- ^ Геллрих, Урс (2018). «Обратимая активация водорода пиридонат-борановым комплексом: сочетание нарушенной реакционной способности пары Льюиса с сотрудничеством бор-лиганд» . Angewandte Chemie, международное издание . 57 (17): 4779–4782. дои : 10.1002/anie.201713119 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 29436754 .
- ^ Легаре, Марк А.; Куртманш, Марк А.; Рошетт, Этьен; Фонтен, Фредерик Г. (30 июля 2015 г.). «Безметалловая каталитическая активация связи CH и борилирование гетероаренов». Наука . 349 (6247): 513–516. Бибкод : 2015Sci...349..513L . дои : 10.1126/science.aab3591 . hdl : 20.500.11794/30087 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 26228143 . S2CID 206638394 .
- ^ Легаре Лавернь, Жюльен; Джаяраман, Арумугам; Мисал Кастро, Луис К.; Рошетт, Этьен; Фонтен, Фредерик-Жорж (6 октября 2017 г.). «Безметалловое борилирование гетероаренов с использованием амбифильных аминоборанов: о важности стерических соединений в активации фрустрированной пары Льюиса C – H связи». Журнал Американского химического общества . 139 (41): 14714–14723. дои : 10.1021/jacs.7b08143 . hdl : 20.500.11794/30144 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 28901757 .
- ^ Джаяраман, Арумугам; Мисал Кастро, Луис К.; Дерозье, Винсент; Фонтен, Фредерик-Жорж (2018). «Безметалловая борилирующая деароматизация индолов: исследование различной реакционной способности аминоборановых катализаторов борилирования C – H» . Химическая наука . 9 (22): 5057–5063. дои : 10.1039/c8sc01093e . ISSN 2041-6520 . ПМЦ 5994747 . ПМИД 29938036 .
- ^ Рошетт, Этьен; Бутен, Хьюго; Фонтен, Фредерик-Жорж (30 июня 2017 г.). «Разочарованная пара Льюиса катализировала борилирование связи S – H». Металлоорганические соединения . 36 (15): 2870–2876. doi : 10.1021/acs.organomet.7b00346 . hdl : 20.500.11794/30088 . ISSN 0276-7333 .
- ^ Jump up to: а б с д Мёмминг, Корнелия М.; Оттен, Эдвин; Кер, Джеральд; Фрелих, Роланд; Гримме, Стефан; Стефан, Дуглас В.; Эркер, Герхард (24 августа 2009 г.). «Обратимое связывание диоксида углерода без металлов с помощью фрустрированных пар Льюиса» (PDF) . Angewandte Chemie, международное издание . 48 (36): 6643–6646. дои : 10.1002/anie.200901636 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 19569151 . S2CID 28050646 .
- ^ Стефан, Дуглас В.; Эркер, Герхард (14 мая 2015 г.). «Химия разочарованной пары Льюиса: развитие и перспективы». Angewandte Chemie, международное издание . 54 (22): 6400–6441. дои : 10.1002/anie.201409800 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 25974714 .
- ^ Аболхасани, Милад; Гюнтер, Аксель; Кумачева, Евгения (24 июня 2014 г.). «Микрофлюидные исследования углекислого газа». Angewandte Chemie, международное издание . 53 (31): 7992–8002. дои : 10.1002/anie.201403719 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 24961230 .
- ^ Джу, Минсу; Лу, Чжипенг; Новаес, Луис Ф.Т.; Мартинес Альварадо, Хесус И.; Линь, Сун (13 сентября 2023 г.). «Разочарованные радикальные пары в органическом синтезе». Журнал Американского химического общества . 145 (36): 19478–19489. дои : 10.1021/jacs.3c07070 . ISSN 0002-7863 . PMC 10625356. PMID 37656899 .
