Ионы боранилия

В химии ион боранилия — неорганический катион с химической формулой BR. +
2 , где R представляет собой неспецифический заместитель. Будучи электронодефицитными, ионы боранилия образуют аддукты с основаниями Льюиса . Ионы боранилия имеют исторические названия, зависящие от количества координированных лигандов: [ 1 ]
- [БР
2 ] +
: бориний - [БР
2л ] +
: борений - [БР
2 л
2 ] +
: бороний
Ионы борения
[ редактировать ]
Ион борения представляет собой неорганический катион с химической формулой [BR
2л ] +
. В этом классе молекул электронодефицитный борный центр имеет два валентных электрона, участвующих в сигма-связи с двумя лигандами, а третий лиганд является двухэлектронным донором, так что общий заряд комплекса равен +1. [ 1 ] В зависимости от природы лигандов вокруг центрального бора этот положительный заряд может быть локализован на борном центре или делокализован по всей молекуле. [ 3 ] Ионы борения могут быть получены различными способами и представляют интерес для применения в органическом синтезе и катализе . [ 2 ]
Синтез
[ редактировать ]Синтетические методы получения ионов борения включают отщепление галогенидов, нуклеофильную диссоциацию и протонное присоединение к аминоборанам.
Галогенидная или гидридная абстракция
[ редактировать ]
Ионы борения могут быть получены из тетракоординированных кислотно-основных аддуктов Льюиса галогенидов бора. В этом методе абстракция галогенидов кислотой Льюиса, такой как AlCl 3 , приводит к образованию катиона борения и AlCl 4. − анион. [ 1 ] [ 5 ] Первый ион борения, выделенный и охарактеризованный, был получен Рышкевичем и Виггинсом в 1970 году с использованием этого метода. [ 4 ] Они обнаружили, что хлорид алюминия растворяется в дихлорметане в присутствии аддукта 4-метилпиридина и BCl 3 . спектроскопии был сделан вывод о положительном заряде бора Затем на основе протонной ЯМР- .

Подобно методу абстракции галогенидов, ионы борения можно получить путем отрыва гидрида от тетракоординированного комплекса бора. [ 6 ]
Нуклеофильная диссоциация
[ редактировать ]
Замещение лиганда нейтрального трехкоординированного галогенида бора нейтральным донором, таким как пиридин, приводит к образованию катиона борения. [ 1 ] Чтобы эта реакция привела к желаемому катиону борения, лиганд должен быть хорошей уходящей группой, а нейтральный донор должен иметь достаточную стерическую массу, чтобы нуклеофильная диссоциация была более предпочтительной, чем образование кислотно-основного аддукта Льюиса с нейтральным исходным материалом BR 3 , как показано на примере конкурсные эксперименты. [ 7 ]
Протонное присоединение к аминоборанам
[ редактировать ]
Аминобораны могут протонироваться различными кислотами с образованием ионов борения. Этот синтетический метод был разработан в 1983 году Нарулой и Нотом, которые использовали трифликовую кислоту для протонирования 1,3-диметил-2-(диметиламино)-1,3,2-диазаборолидина; однако им не удалось кристаллизовать и структурно охарактеризовать этот конкретный катион. [ 7 ]
Протонирование нельюисовских кислых оксаборолидинов приводит к образованию ионов борения, которые можно использовать в качестве энантиоселективных катализаторов Дильса-Альдера . Эти N-протонированные виды борения были охарактеризованы с помощью ЯМР . [ 8 ]
Другие методы
[ редактировать ]Ионы борения также можно получить другими методами, такими как добавление основания к двухкоординированному иону бориния или путем метатезиса с солями со слабокоординирующими анионами, такими как Ag[Al[OC(CF 3 ) 3 ] 4 ] или Li[Al[OC (CF 3 ) 3 ] 4 ]. [ 1 ] [ 9 ]
Структура и электроника
[ редактировать ]Ряд ионов борения был структурно охарактеризован с помощью рентгеновской кристаллографии . В структурах ионов борения обычно имеются две короткие связи и одна более длинная, что характерно для дативной связи . Электронно-дефицитная природа борного центра многих ионов борения подтверждена расчетными и экспериментальными исследованиями. Обработка многих ионов борения методом естественного популяционного анализа показывает, что борный центр действительно несет значительный положительный заряд. Например, BH 2 NH 3 + Катион имеет естественный заряд +0,687 по бору. [ 10 ]
Борений Ион | Естественный заряд на B | Заселенность орбитали B 2p |
---|---|---|
ЧД 2 НХ 3 + | +0.687 | 0.023 |
BCl 2 NH 3 + | +0.566 | 0.460 |
Б(СН 3 ) 2 NH 3 + | +1.087 | 0.167 |
ДП 2 НХ 3 + | +1.412 | 0.289 |
В зависимости от природы лигандов вокруг центрального бора этот положительный заряд может быть локализован на борном центре или делокализован по всей молекуле. В некоторых случаях пи-донорные лиганды, расположенные в плоскости пустой р-орбитали бора, могут стабилизировать дефицит электронов бора. теории функционала плотности Расчеты изолируемых ионов борения с помощью (DFT) показывают, что сильнокислотный бор Льюиса может быть стабилизирован за счет пи-донорства ароматических заместителей, таких как пиридин. [ 6 ]

N-гетероциклические карбены (NHC) также можно использовать для стабилизации ионов борения посредством пи-сопряжения, хотя они действуют как более слабые пи-доноры, чем нейтральные N-доноры. [ 12 ] Энергия взаимодействия между BH 2 + фрагмент и различные NHC были рассчитаны с использованием метода расширенного переходного состояния для анализа энергетического разложения в сочетании с теорией естественных орбиталей химической валентности (NOCV). Этот анализ показал чистый пи-донорный эффект лиганда NHC - в этом случае положительный заряд делокализован по всей пи-системе, а не локализован на боре. [ 11 ]
В других случаях наблюдалось выкручивание дативного лиганда из плоскости BR 3 из -за стерического скученности. Эта неплоская геометрия приводит к уменьшению донорства пи в борный центр, что делает его еще более электронодефицитным. [ 1 ] Обнаружено, что повышенная локализация заряда на боре увеличивает льюисовскую кислотность борокатиона. Метод Гутмана-Беккета использовался многими исследователями в этой области для определения кислотности Льюиса этих катионов. [ 12 ]
Ранние кристаллические структуры катионов борения указывают на то, что соответствующий анион является некоординационным. [ 7 ] Дальнейшие исследования показали, что реакционная способность борокатионов во многом зависит от личности его противоиона. В каталитических приложениях слабокоординирующие анионы позволили использовать наиболее активные борениевые катализаторы. Обычно используемый противоион для катионов борения представляет собой тетракис(пентафторфенил)борат, B(C 6 F 5 ) 4 . − ; однако другие противоионы, такие как AlCl 4 − , галогениды и трифлат также возможны. [ 1 ] [ 12 ] Синтетическая жизнеспособность иона борения часто определяется его реакционной способностью по отношению к противоиону. Галогениды часто не могут стабилизировать ионы борения, предпочитая вместо этого координироваться с центром бора, образуя тетракоординированные соединения. Систематическая оценка воздействия противоионов на синтетическую жизнеспособность ионов NHC-дихлорборения была проведена Мутайей и его коллегами в 2013 году. [ 13 ]
Реактивность и приложения
[ редактировать ]Ионы борения обладают высокой кислотностью по Льюису . Их кислотность по Льюису атома бора определяется электронными и стерическими эффектами его лигандов.
Активация водорода и химия FLP
[ редактировать ]
Было продемонстрировано, что стабилизированные N-гетероциклическим карбеном (NHC) ионы борения являются мощными безметалловыми H 2 катализаторами активации и гидрирования . В отличие от нейтральных боранов, обычно используемых в химии фрустрированных пар Льюиса (FLP) этого типа, ионы борения по своей природе электрофильны и не требуют электроноакцепторных лигандов для выполнения этих низкомолекулярных активаций. Поскольку электроноакцепторные заместители могут препятствовать доставке гидрида во время катализа гидрирования, ионы борения могут быть более мощными катализаторами, чем нейтральные формы бора, поскольку они являются эффективными донорами гидрида. Действительно, в 2012 году Стефан и его коллеги смогли разработать систему FLP на основе борения, способную стехиометрически активировать H 2 в присутствии фосфина . [ 14 ]
В 2015 году Девиллард и др. синтезировали внутримолекулярный борений-содержащий ФЛП с нафтильным мостиком, способный активировать H 2 с сопутствующим гидрогенолизом мезитильного лиганда. Анализ теории возмущений второго порядка естественных связевых орбиталей (NBO) промежуточного соединения в этой реакции, участвующей в активации H 2 , показал взаимодействие 281,8 ккал/моль между сигма-связью H 2 и 2p-орбиталью катионного бора. [ 15 ]
Ионы борения также использовались в качестве катализатора для различных процессов гидрирования. Стефан и его коллеги смогли использовать ионный катализатор борения для каталитической активации H 2 , который будет использоваться для гидрирования имина . [ 14 ] Подобный NHC-стабилизированный ион борения был использован для катализа энантиоселективного восстановления кетиминов. В этом примере энантиоселективность была достигнута за счет использования хирального лиганда NHC. [ 16 ]
Было показано, что стерические и электронные свойства лиганда NHC, используемого в этих борениевых катализаторах, имеют большое значение для каталитической активности: слишком объемные NHC предотвращали межмолекулярную доставку гидрида, а лиганды, которые были сильно электронодонорными, ослабляли способность катиона борения действовать. как кислота Льюиса. [ 12 ]
Энантиоселективный катализ
[ редактировать ]Ионы борения использовались в качестве безметалловых энантиоселективных катализаторов для ряда органических превращений. Ранним примером такого подхода является редукция Кори-Ицуно . Один из предложенных механизмов этого энантиоселективного восстановления включает образование in situ борениеподобных частиц с использованием BH 3 в качестве кислоты Льюиса. [ 17 ]
Дальнейшие работы по ионам борения, полученным из нейтральных оксазаборолидинов, расширили сферу их применения. и его коллеги сообщили В 2002 году Э. Дж. Кори , что N-протонирование нельюисовских кислых оксазаборолидинов приводит к образованию ионов борения, которые могут катализировать энантиоселективную реакцию Дильса-Альдера 1,3-диенов с 2-метакролеином или 2- бромакролеин. Этот конкретный ион борения можно получить in situ путем протонирования нейтрального оксазаборолидина трифликовой кислотой. Кори и его коллеги предполагают, что стереоселективность этой реакции является результатом ассоциации альдегид-катализатор в предпереходном состоянии, которая управляет стереоселективностью. [ 8 ] Использование ионов борения в качестве катализаторов Дильса-Альдера было дополнительно расширено до использования ионных жидкостей борения в качестве катализаторов реакции Дильса-Альдера Матушеком и др. в 2017 году. [ 18 ]

Электрофильное ароматическое борилирование
[ редактировать ]Ионы борения также участвуют в качестве промежуточных продуктов в реакциях электрофильного ароматического борилирования . [ 2 ] Во многих примерах этой реакции катализатор используется для активации борана, в результате чего образуется высокореактивный ион борения. Образование этого высокоэлектрофильного соединения приводит к образованию промежуточного соединения Уиланда , ключевого этапа механизма электрофильного ароматического присоединения. В 2013 году Stahl et al. использовали катализатор тиолат рутения (II) для генерации ионов борения, способных осуществлять прямое борилирование азотсодержащих гетероциклов. [ 19 ]
В 2017 году Острайх и его коллеги разработали безметалловый метод осуществления этого преобразования. В их работе B(C 6 H 5 ) 3 использовался для активации катехолборана, генерируя ион борения, способный борилировать различные богатые электронами гетероциклы . [ 20 ]
Гидроборирование
[ редактировать ]Электрофильность ионов трансгидроборирование стимулировать алкинов борения . может В 2016 году Макгоф и др. смогли успешно осуществить безметалловое трансгидроборирование с различными арилацетиленовыми субстратами, используя ионный электрофил борения и B(C 6 F 5 ) 3 в качестве катализатора. [ 21 ]

Катализ полимеризации
[ редактировать ]Показано, что ионы борения образуют ионные жидкости, способные катализировать полимеризацию полиальфаолефинов (ПАО). Хотя эта технология еще не получила широкого распространения в промышленности, она может стать альтернативой использованию BF 3 , токсичного и коррозионного газа, в промышленном синтезе ПАО. [ 22 ]
Катионы бориния
[ редактировать ]Ионы бориния имеют формулу [BX 2 ] + , [ 23 ] где Х − обычно представляет собой объемистый амид (R 2 N − ). Они имеют линейную геометрию по отношению к бору и являются координационно ненасыщенными.
Катионы бора
[ редактировать ]Ионы бора имеют формулу [L 2 BR 2 ] + (L = основание Льюиса ). Ионы бора тетраэдрические и координационно-насыщенные.
Хорошо известный пример: [(H 3 N) 2 BH 2 ] + . Реакция диборана с аммиаком преимущественно дает [Н 2 В(NH 3 ) 2 ] + [Ч 4 ] − (диаммониодигидроборония тетрагидроборат). [ 24 ] [ 25 ]
Родственные катионы бора
[ редактировать ]Другими неклассическими катионами бора являются моноядерные ди- и трикатионы бора с формулой [L 3 BX] 2+ и [Л 4 Б] 3+ , соответственно. [ 26 ]
Другие зарегистрированные катионы бора представляют собой дибора-дикаты (дидикаты бис(борения), некоторые примеры показаны ниже. [ 27 ] [ 28 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Коэлле, П.; Ноэт, Х. (1 октября 1985 г.). «Химия бориния и ионов борения». Химические обзоры . 85 (5): 399–418. дои : 10.1021/cr00069a004 . ISSN 0009-2665 .
- ^ Jump up to: а б с Де Врис, Тимоти С.; Прокофьев, Александр; Ведейс, Эдвин (11 июля 2012 г.). «Катионные трехкоординированные промежуточные соединения бора: химия борения с органической точки зрения» . Химические обзоры . 112 (7): 4246–4282. дои : 10.1021/cr200133c . ISSN 0009-2665 . ПМЦ 3394883 . ПМИД 22519545 .
- ^ Ли, Кёнхун; Киркволд, Клара; Влайсавлевич, Бесс; Дейли, Скотт Р. (05 ноября 2018 г.). «Лиганд-центрированная реакционная способность борения в триаминоборан-мостиковых дифосфиновых комплексах». Неорганическая химия . 57 (21): 13188–13200. doi : 10.1021/acs.inorgchem.8b01601 . ISSN 0020-1669 . ПМИД 30351072 . S2CID 53036749 .
- ^ Jump up to: а б с Рышкевич, Джордж Э.; Виггинс, Дж.В. (1 марта 1970 г.). «Тригональный катион бора». Журнал Американского химического общества . 92 (6): 1790–1791. дои : 10.1021/ja00709a079 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Кларк, Юэн Р.; Инглсон, Майкл Дж. (25 ноября 2013 г.). «[(акридин)BCl2]+: катион борения, который представляет собой сильную кислоту Льюиса на основе бора и углерода». Металлоорганические соединения . 32 (22): 6712–6717. дои : 10.1021/om400463r . ISSN 0276-7333 .
- ^ Jump up to: а б Бентивенья, БриАнн; Мариани, Кристина И.; Смит, Джейсон Р.; Ма, Шухуа; Рейнгольд, Арнольд Л.; Брункер, Тим Дж. (9 июня 2014 г.). «Образование, стабильность и структура катионов борения и борония, полученных из пентаметилазаферроцен-боранов с помощью реакций абстракции гидридов или хлоридов». Металлоорганические соединения . 33 (11): 2820–2830. дои : 10.1021/om500348u . ISSN 0276-7333 .
- ^ Jump up to: а б с Нарула, Чайтанья (1984). «Получение и характеристика солей, содержащих катионы трехкоординированного бора». Неорганическая химия . 23 (25): 4147–4152. дои : 10.1021/ic00193a009 .
- ^ Jump up to: а б с Кори, Э.Дж.; Сибата, Таканори; Ли, Томас В. (1 апреля 2002 г.). «Асимметричные реакции Дильса-Альдера, катализируемые хиральным оксазаборолидином, активированным трифликовой кислотой». Журнал Американского химического общества . 124 (15): 3808–3809. дои : 10.1021/ja025848x . ISSN 0002-7863 . ПМИД 11942799 .
- ^ Чен, Цзявэй; Лалансетт, Роджер А.; Якле, Фридер (2 мая 2013 г.). «Синтез и кислотные свойства Льюиса плоскохирального катиона борения на основе ферроцена». Химические коммуникации . 49 (43): 4893–4895. дои : 10.1039/C3CC41556B . ISSN 1364-548X . ПМИД 23571677 .
- ^ Jump up to: а б Стоянович, Милован; Баранац-Стоянович, Мария (08 сентября 2015 г.). «Теоретическое исследование сродства ионов борения к анионам аммиака, формальдегида и хлорида» . РСК Прогресс . 5 (93): 75895–75910. Бибкод : 2015RSCAd...575895S . дои : 10.1039/C5RA13825F . ISSN 2046-2069 .
- ^ Jump up to: а б Резабаль, Эликсабете; Фрисон, Жиль (2015). «Оценка энергии связи π N-гетероциклических карбенов: роль поляризации» (PDF) . Журнал вычислительной химии . 36 (8): 564–572. дои : 10.1002/jcc.23852 . ISSN 1096-987X . ПМИД 25708019 . S2CID 22398660 .
- ^ Jump up to: а б с д Айзенбергер, П.; Крадден, CM (10 апреля 2017 г.). «Борокатионный катализ». Транзакции Далтона . 46 (15): 4874–4887. дои : 10.1039/C6DT04232E . ISSN 1477-9234 . ПМИД 28294211 .
- ^ Мутайя, Сентилкумар; До, Динь Цао Хуан; Гангули, Ракеш; Видович, Драгослав (25 ноября 2013 г.). «Зависимость противоиона от синтетической жизнеспособности катионов дихлорборения, стабилизированных NHC». Металлоорганические соединения . 32 (22): 6718–6724. дои : 10.1021/om400541q . hdl : 10356/98250 . ISSN 0276-7333 .
- ^ Jump up to: а б с Фаррелл, Джеффри М.; Хатнеан, Джиллиан А.; Стефан, Дуглас В. (13 сентября 2012 г.). «Активация водорода и катализ гидрирования катионом борения». Журнал Американского химического общества . 134 (38): 15728–15731. дои : 10.1021/ja307995f . ISSN 0002-7863 . ПМИД 22931196 .
- ^ Девьяр, Марк; Брусс, Реми; Мике, Каринн; Бухадир, Генва; Буриссу, Дидье (04 мая 2015 г.). «Стабильный, но высокореактивный фосфин-координированный борений: безметалловая активация дигидрогена и алкин-1,2-карбоборация». Angewandte Chemie, международное издание . 54 (19): 5722–5726. дои : 10.1002/anie.201500959 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 25800957 .
- ^ Мерсиа, Дэн М.; Хоулетт, Майкл Г.; Пясчик, Адам Д.; Скотт, Дэниел Дж.; Стивен, Алан; Эшли, Эндрю Э.; Фухтер, Мэтью Дж. (13 июня 2019 г.). «Энантиоселективное восстановление N-алкилкетиминов с помощью катализа фрустрированной пары Льюиса с использованием хиральных ионов борения». Химические коммуникации . 55 (49): 7077–7080. дои : 10.1039/C9CC02900A . hdl : 10044/1/70396 . ISSN 1364-548X . ПМИД 31149679 . S2CID 206141629 .
- ^ Кори, Э.Дж.; Бакши, Раман К.; Сибата, Сайзо (1 сентября 1987 г.). «Высокоэнантиоселективное борановое восстановление кетонов, катализируемое хиральными оксазаборолидинами. Механизм и синтетические последствия». Журнал Американского химического общества . 109 (18): 5551–5553. дои : 10.1021/ja00252a056 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Матушек, К.; Коффи, С.; Хробок, А.; Свадьба-Квасьны, М. (06 марта 2017 г.). «Борениевые ионные жидкости как катализаторы реакции Дильса-Альдера: настраиваемые суперкислоты Льюиса для каталитических применений» (PDF) . Катализная наука и технология . 7 (5): 1045–1049. дои : 10.1039/C7CY00106A . ISSN 2044-4761 .
- ^ Шталь, Тимо; Мютер, Кристина; Оки, Ясухиро; Тацуми, Казуюки; Острайх, Мартин (31 июля 2013 г.). «Каталитическая генерация ионов борения путем совместной активации связи B – H: неуловимое прямое электрофильное борилирование гетероциклов азота пинаколбораном». Журнал Американского химического общества . 135 (30): 10978–10981. дои : 10.1021/ja405925w . ISSN 0002-7863 . ПМИД 23855894 .
- ^ Инь, Цинь; Клэр, Хендрик Ф.Т.; Острайх, Мартин (2017). «Каталитическое C-H-борилирование Фриделя-Крафтса богатых электронами аренов: резкое ускорение скорости за счет добавления алкенов». Angewandte Chemie, международное издание . 56 (13): 3712–3717. дои : 10.1002/anie.201611536 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 28244623 .
- ^ Jump up to: а б Макгоф, Джон С.; Батлер, Сэмюэл М.; Кейд, Ян А.; Инглсон, Майкл Дж. (26 апреля 2016 г.). «Высокоселективное каталитическое трансгидроборирование алкинов, опосредованное катионами борения и B(C6F5)3» . Химическая наука . 7 (5): 3384–3389. дои : 10.1039/C5SC04798F . ISSN 2041-6539 . ПМК 6006955 . ПМИД 29997833 .
- ^ Хогг, Джеймс М.; Феррер-Угальде, Альберт; Коулман, Фергал; Свадзба-Квасьны, Малгожата (08.08.2019). «Борениевые ионные жидкости как альтернатива BF3 в синтезе полиальфаолефинов (ПАО)» (PDF) . ACS Устойчивая химия и инженерия . 7 (17): 15044–15052. doi : 10.1021/acssuschemeng.9b03621 . ISSN 2168-0485 . S2CID 202069606 .
- ^ Сёдзи, Ёсиаки; Танака, Наоки; Миками, Коитиро; Утияма, Масанобу; Фукусима, Таканори (11 мая 2014 г.). «Двухкоординационный катион бора со связью C – B + – C». Природная химия . 6 (6): 498–503. Бибкод : 2014НатЧ...6..498С . дои : 10.1038/нчем.1948 . ISSN 1755-4330 . ПМИД 24848235 .
- ^ Де Врис, Тимоти С.; Прокофьев, Александр; Ведейс, Эдвин (20 апреля 2012 г.). «Катионные трехкоординированные промежуточные соединения бора: химия борения с органической точки зрения» . Химические обзоры . 112 (7): 4246–4282. дои : 10.1021/cr200133c . ISSN 0009-2665 . ПМЦ 3394883 . ПМИД 22519545 .
- ^ Пирс, Уоррен Э.; Бурк, Сара К.; Конрой, Кори Д. (2005). «Бориний, борений и ионы борония: синтез, реакционная способность и применение». Angewandte Chemie, международное издание . 44 (32): 5016–5036. дои : 10.1002/anie.200500402 . ПМИД 16086441 .
- ^ Варгас-Бака, Игнасио; Финдлейтер, Майкл; Пауэлл, Адам; Васудеван, Калян В.; Коули, Алан Х. (2008). «Ди- и трикатионы бора». Далтон Транзакции (45): 6421–6. дои : 10.1039/b810575h . ISSN 1477-9226 . ПМИД 19002329 .
- ^ Прокофьев, Александр; Кампф, Джефф В.; Соловьев Андрей; Карран, Деннис П.; Ведейс, Эдвин (10 октября 2013 г.). «Слабостабилизированные первичные катионы борения и их дикатионные димеры» . Журнал Американского химического общества . 135 (42): 15686–15689. дои : 10.1021/ja407458k . ISSN 0002-7863 . ПМЦ 3857331 . ПМИД 24087933 .
- ^ Арнольд, Николь; Брауншвейг, Хольгер; Дьюхерст, Райан Д.; Хапп, Флориан; Радацкий, Кшиштоф; Трампп, Александра (12 августа 2016 г.). «Десимметризация электронодефицитных диборанов (4): разнообразные продукты и их реакционная способность». Химия - Европейский журнал . 22 (39): 13927–13934. дои : 10.1002/chem.201602805 . ISSN 0947-6539 . ПМИД 27514500 .