Разочарованная пара Льюиса - Frustrated Lewis pair

В химии, А разочарование пар Льюиса ( ЛПФ ) представляет собой соединение или смесь , содержащее кислоту Льюиса и основание Льюиса , что, из - за стерические затруднения , не может объединить , чтобы сформировать классический аддукт . Было разработано много видов FLP, и многие простые субстраты проявляют активацию.

Открытие того, что некоторые FLP расщепляют H 2, вызвало стремительный рост исследований в области FLP. Из-за своей «незатухающей» реакционной способности такие системы реагируют по отношению к субстратам, которые могут подвергаться гетеролизу . Например, многие FLP расщепляют молекулы водорода . Таким образом, смесь трициклогексилфосфина (PCy 3 ) и трис (пентафторфенил) борана реагирует с водородом с образованием соответствующих ионов фосфония и бората :

Эта реакционная способность была использована для получения FLP, которые катализируют реакции гидрирования .

Активация малых молекул

Было показано, что расстроенные пары Льюиса активируют многие небольшие молекулы либо за счет гетеролиза, либо за счет координации.

Водород

Открытие того, что некоторые FLP способны расщеплять и, следовательно, активировать H 2, вызвало стремительный рост исследований в этой области. Активация и, следовательно, использование H 2 важны для многих химических и биологических превращений. Использование FLP для высвобождения H 2 не содержит металлов, это выгодно из-за стоимости и ограниченного предложения некоторых переходных металлов, обычно используемых для активации H 2 (Ni, Pd, Pt). Системы FLP реактивны по отношению к субстратам, которые могут подвергаться гетеролизу (например, к водороду) из-за "незагашенной" 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 :

В этой реакции PCy 3 (основание Льюиса) и B (C 6 F 5 ) 3 (кислота Льюиса) не могут образовывать аддукт из-за стерических препятствий со стороны объемных циклогексильных и пентафторфенильных групп. Протон на фосфоре и гидрид из бората теперь «активированы» и впоследствии могут быть «доставлены» к органическому субстрату, что приводит к гидрированию .

Механизм активации дигидрогена ФЛП

Механизм активации H 2 с помощью FLP обсуждался как для межмолекулярных, так и для внутримолекулярных случаев. В межмолекулярных ФЛП 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 (предварительный эффект), при этом небольшие молекулы могут затем взаимодействовать. с ФЛП. Экспериментальные доказательства этого типа взаимодействия на молекулярном уровне неясны. Однако есть подтверждающие доказательства этого типа взаимодействия, основанные на компьютерных исследованиях DFT (Density Functional Theory). Внутримолекулярные FLP - это места, где кислота Льюиса и основание Льюиса объединены в одну молекулу ковалентным линкером. Несмотря на улучшенные «предорганизационные эффекты», считается, что жесткие внутримолекулярные каркасы FLP обладают пониженной реакционной способностью к малым молекулам из-за снижения гибкости.

Другие низкомолекулярные субстраты

FLP также реактивны по отношению ко многим ненасыщенным субстратам, помимо H 2 . Некоторые FLP реагируют с CO 2 , особенно при деоксигенационном восстановлении CO 2 до метана.

Этилен также реагирует с ФЛП:

Для кислотно-основных пар, которые одновременно ведут себя как нуклеофильно, так и электрофильно, предлагает метод раскрытия цикла циклических простых эфиров, таких как ТГФ, 2,5-дигидрофуран, кумаран и диоксан.

Использование в катализе

Гидрирование имина, нитрила и азиридина

Каталитический цикл восстановления имина до амина
Каталитический цикл восстановления имина до амина с использованием FLP

Восстановление иминов , нитрилов и азиридинов до первичных и вторичных аминов традиционно осуществляется реагентами на основе гидридов металлов, например алюмогидридом лития и цианоборгидридом натрия . Гидрирование этих ненасыщенных субстратов может осуществляться с помощью реакций, катализируемых металлами. Безметалловое каталитическое гидрирование проводили с использованием катализатора бората фосфония (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 может заменить дорогостоящий металлический катализатор.

Предполагается, что механизм восстановления имина включает протонирование по азоту с образованием иминиевой соли. Основность азотного центра определяет скорость реакции. Имины с большим количеством электронов восстанавливаются быстрее, чем имины с низким содержанием электронов. Образовавшийся иминиевый центр подвергается нуклеофильной атаке боргидрид-анионом с образованием амина. Небольшие амины связываются с бораном, гася дальнейшие реакции. Эта проблема может быть преодолена с использованием различных методов: 1) Применение повышенных температур 2) Использование пространственно объемных иминных заместителей 3) Защита имина группой B (C 6 F 5 ) 3 , которая также служит промотором кислоты Льюиса.

Энантиоселективное гидрирование имина

Хиральная боронатная кислота Льюиса, полученная из (1 R ) - ( + ) -камфоры, образует фрустрированную пару Льюиса с t Bu 3 P, который выделяется в виде соли. Этот FLP катализирует энантиоселективное гидрирование некоторых арилиминов с высоким выходом, но умеренным ее (до 83%).

Асимметричное гидрирование имина с помощью FLP
Асимметричное гидрирование имина с помощью FLP

Хотя этот протокол интересен концептуально, он не является универсальным. Было обнаружено , что увеличение стерической массы иминных заместителей приводит к снижению выхода и Й из амина продукта. метоксизамещенные имины демонстрируют превосходный выход и ее превосходство .

Асимметричные гидросилиляции

Группа катализаторов, фрустрированные пары Льюиса хиральных алкенилборанов и фосфинов, полезны для асимметричного гидросилилирования типа Пирса 1,2-дикарбонильных соединений и альфа-кетоэфиров, приводя к продуктам с высокой энантиоселективностью. Однако, по сравнению с обычным гидросилированием типа Пирса, асимметричные гидросилирование типа Пирса развиты не так хорошо.

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 FLP образует ионный комплекс силилия и гидридобората.

Асимметричное гидросилилирование дикетона ФЛП

Гидрирование алкинов

Безметалловое гидрирование неактивированных внутренних алкинов до цис- алкенов легко достигается с использованием катализаторов на основе FLP. Условия для этой реакции были относительно мягкими при использовании 2 бар H 2 . С точки зрения механизма, алкиновый материал сначала гидроборируют, а затем полученный FLP на основе винилборана может активировать дигидроген. На стадии протодеборилирования высвобождается цис- алкеновый продукт, который получается в результате процесса син- гидроборилирования, и регенерации катализатора. Хотя катализаторы на основе FLP активны для гидрирования алкинов, они не способствуют гидрированию алкенов в алканы.

Реакция представляет собой син-гидроборирование, и в результате наблюдается высокая цис-селективность. На заключительной стадии каталитического цикла группа C 6 F 5 отщепляется легче, чем алкильная группа, что вызывает разложение катализатора, а не высвобождение алкана. Каталитический цикл состоит из трех этапов:

  • 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
Связывание терминального алкина с катализатором FLP

С внутренними алкинами происходит конкурентная реакция, когда протон, связанный с азотом, может быть добавлен к фторбензолам. Следовательно, это добавление не так интенсивно, образование алкена кажется благоприятным.

Но терминальные алкины связываются с бором не посредством гидроборирования, а скорее посредством активации CH. Таким образом, добавление протона к алкину приведет к получению исходного концевого алкина. Следовательно, этот процесс гидрирования не подходит для концевых алкинов и дает только пентафторбензол.

Безметалловое гидрирование концевых алкинов до соответствующих алкенов было недавно достигнуто с использованием системы на основе пиридонборана. Эта система легко активирует водород при комнатной температуре с образованием комплекса пиридонборана. Диссоциация этого комплекса делает возможным гидроборирование алкина свободным бораном. При протодеборилировании свободным пиридоном образуется цис- алкен. С помощью этой системы возможно гидрирование концевых алкинов, поскольку активация CH обратима и конкурирует с активацией водородом.

Борилирование

Аминоборановые ФЛП катализируют борилирование электронно-богатых ароматических гетероциклов (схема 1). Реакция вызвана высвобождением водорода через активацию CH с помощью FLP. Ароматические борилирования часто используются в фармацевтических разработках, в частности из-за большого количества, низкой стоимости и низкой токсичности соединений бора по сравнению с благородными металлами.,

Механизм борилирования, катализируемый ФЛП
Схема 1: Механизм борилирования, катализируемого FLP

Субстрат для реакции имеет два основных требования, тесно связанных с механизмом борилирования. Во-первых, субстрат должен быть богатым электронами, примером чего может служить 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) на сильно электроноакцепторную трет-бутилоксикарбонильную (Boc) группу во 2-положении полностью ингибирует реакцию. Второе требование - отсутствие в субстрате основных аминогрупп, которые в противном случае образовали бы нежелательный аддукт. Это можно проиллюстрировать отсутствием реакции с пирролом, в то время как производные 1-метила и N-бензилпиррола способны реагировать.

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 исследований методом DFT авторы предположили, что стадия активации CH была более простой, чем с более крупными заместителями.

Диароматизация также может быть достигнута в аналогичных условиях, но с использованием N-тозилиндолов. Получены син- гидроборилированные индолины.

Дероматизация N-тозилиндола с помощью HBpin

Также наблюдается борилирование SH-связей в тиолах в результате 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, в то время как это не относится к тиолам, что обеспечивает успешный катализ. . Кроме того, было достигнуто успешное борилирование связей Se-H. Во всех случаях образование газообразного H 2 является сильной движущей силой реакций.

Улавливание углерода

Химия FLP концептуально важна для улавливания углерода . Как межмолекулярный (схема 1), так и внутримолекулярный (схема 2) ФЛП, состоящий из фосфина и борана, использовали для селективного захвата и высвобождения диоксида углерода. Когда раствор FLP был покрыт атмосферой CO 2 при комнатной температуре, соединение FLP-CO 2 немедленно выпало в осадок в виде белого твердого вещества.

Схема 1: Межмолекулярный захват и высвобождение CO 2 FLP .

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 сидения при комнатной температуре под вакуумом произошло полное высвобождение CO 2 и регенерация FLP.

Схема 2: Внутримолекулярный захват и высвобождение CO 2 FLP .

Внутримолекулярное соединение FLP-CO 2 , напротив, было стабильным в виде твердого вещества при комнатной температуре, но полностью разлагалось при температурах выше -20 ° C в виде раствора в дихлорметане с высвобождением CO 2 и регенерированием молекулы FLP.

Этот метод улавливания углерода FLP может быть адаптирован для работы в проточных химических системах.

Рекомендации