Sfrustrowana para Lewisa - Frustrated Lewis pair

W chemii sfrustrowana para Lewisa ( FLP ) to związek lub mieszanina zawierająca kwas Lewisa i zasadę Lewisa, która z powodu zawady sterycznej nie może łączyć się, tworząc klasyczny addukt . Opracowano wiele rodzajów FLP, a wiele prostych substratów wykazuje aktywację.

Odkrycie, że niektóre FLPs podzielić H 2 wywołały gwałtowny wzrost badań nad FLPs. Ze względu na ich „nieugaszoną” reaktywność, takie układy reagują z substratami, które mogą ulegać heterolizie . Na przykład wiele FLP rozszczepia cząsteczki wodoru . Zatem mieszanina tricykloheksylofosfiny (PCy 3 ) i tris (pentafluorofenylo) boranu reaguje z wodorem, dając odpowiednie jony fosfoniowe i boranowe :

Ta reaktywność została wykorzystana do wytworzenia FLP, które katalizują reakcje uwodornienia .

Aktywacja małych cząsteczek

Wykazano, że sfrustrowane pary Lewisa aktywują wiele małych cząsteczek, albo przez indukcję heterolizy, albo przez koordynację.

Wodór

Odkrycie, że niektórzy są w stanie FLPs rozłamu, a zatem aktywować, H 2 wywołały gwałtowny wzrost badań w tej dziedzinie. Zastosowanie aktywacji i dlatego H 2 jest ważne dla wielu przemianach chemicznych i biologicznych. Korzystanie FLPs wyzwolić H 2 jest wolne od metalu, jest to korzystne ze względu na koszty i ograniczone dostawy niektórych metali przejściowych zwykle stosowanych do aktywowania H 2 (Ni, Pd, Pt). Systemy FLP reagują z substratami, które mogą ulegać heterolizie (np. Wodór) z powodu „nieugaszonej” reaktywności takich systemów. Na przykład wcześniej wykazano, że mieszanina tricykloheksylofosfiny (PCy 3 ) i tris (pentafluorofenylo) boranu reaguje z H 2, dając odpowiednie jony fosfoniowe i boranowe :

W tej reakcji PCy 3 ( zasada Lewisa) i B (C 6 F 5 ) 3 (kwas Lewisa) nie mogą tworzyć adduktu z powodu zawady przestrzennej z masywnych grup cykloheksylowych i pentafluorofenylowych. Proton na fosforze i wodorek z boranu są teraz „aktywowane” i mogą być następnie „dostarczane” do organicznego podłoża, co prowadzi do uwodornienia .

Mechanizm aktywacji diwodoru przez FLP

Mechanizm aktywacji H 2 przez FLP został omówiony zarówno w przypadkach międzycząsteczkowych, jak i wewnątrzcząsteczkowych. Międzymolekularne FLP są tam, gdzie zasada Lewisa jest oddzielną cząsteczką od kwasu Lewisa; uważa się, że te pojedyncze cząsteczki oddziałują poprzez wtórne interakcje dyspersji Londynu, aby połączyć zasadę Lewisa i kwas (efekt przedorganizacyjny), gdzie małe cząsteczki mogą następnie oddziaływać z FLP. Doświadczalne dowody na tego typu interakcje na poziomie molekularnym są niejasne. Istnieją jednak dowody potwierdzające tego rodzaju interakcje oparte na obliczeniowych badaniach DFT (teorii funkcjonałów gęstości). Wewnątrzcząsteczkowe FLP występują, gdy kwas Lewisa i zasada Lewisa są połączone w jedną cząsteczkę za pomocą kowalencyjnego łącznika. Pomimo ulepszonych „efektów przedorganizacyjnych”, uważa się, że sztywne struktury wewnątrzcząsteczkowe FLP mają zmniejszoną reaktywność na małe cząsteczki z powodu zmniejszenia elastyczności.

Inne substraty o małych cząsteczkach

FLPs są również reaktywne względem wielu nienasyconych podłoża poza H 2 . Niektóre FLP reagują z CO 2 , szczególnie podczas deoksygenacyjnej redukcji CO 2 do metanu.

Etylen reaguje również z FLP:

Aby pary kwasowo-zasadowe zachowywały się jednocześnie nukleofilowo i elektrofilowo, oferuje metodę otwierania pierścienia cyklicznych eterów, takich jak THF, 2,5-dihydrofuran, kumaran i dioksan.

Zastosowanie w katalizie

Uwodornianie iminy, nitrylu i azyrydyny

Cykl katalityczny redukcji iminy do aminy
Cykl katalityczny do redukcji iminy do aminy przy użyciu FLP

Redukcję imin , nitryli i azyrydyn do pierwszorzędowych i drugorzędowych amin tradycyjnie prowadzi się za pomocą odczynników wodorkowych, np. Wodorek litowo-glinowy i cyjanoborowodorek sodu . Uwodornianie tych nienasyconych substratów można przeprowadzić w reakcjach katalizowanych metalami. Bezmetalowe uwodornienie katalityczne przeprowadzono z użyciem katalizatora boranowego fosfoniowego (R 2 PH) (C 6 F 4 ) BH (C 6 F 5 ) 2 (R = 2,4,6-Me 3 C 6 H 2 ) 1 . Ten rodzaj uwodornienia bez metalu może potencjalnie zastąpić kosztowny katalizator metalowy.

Proponuje się, że mechanizm redukcji iminy obejmuje protonowanie przy azocie prowadzące do soli iminiowej. Zasadowość centrum azotowego determinuje szybkość reakcji. Iminy bogatsze w elektrony ulegają redukcji szybciej niż iminy ubogie w elektrony. Powstałe centrum iminiowe ulega nukleofilowemu atakowi anionu borowodorkowego, tworząc aminę. Małe aminy wiążą się z boranem, wygaszając dalsze reakcje. Problem ten można rozwiązać różnymi metodami: 1) Stosowanie podwyższonych temperatur 2) Stosowanie sterycznie masywnych podstawników iminowych 3) Zabezpieczanie iminy grupą B (C 6 F 5 ) 3 , która służy również jako promotor kwasu Lewisa.

Enancjoselektywne uwodornianie iminy

Chiralny boronowego kwas Lewisa pochodzi od (1 R ) - ( + ) -camphor tworzą frustracji parę Lewisa z t Bu- 3 P, który jest w postaci soli, które można wyodrębniać. Ten FLP katalizuje enancjoselektywne uwodornienie niektórych aryloimin z wysoką wydajnością, ale umiarkowaną ee (do 83%).

Asymetryczne uwodornianie iminy przez FLP
Asymetryczne uwodornianie iminy przez FLP

Chociaż koncepcyjnie interesujący, protokół cierpi na brak ogólności. Stwierdzono, że zwiększenie stearynowy nasypowa iminowych podstawników prowadzić do zmniejszenia wydajności i ee o aminowego produktu. metoksy-podstawione iminy wykazują wyższą wydajność i ee .

Asymetryczne hydrosililacje

Grupa katalizatorów, pary chiralnych alkenyloboranów i fosfin sfrustrowanych Lewisa, jest korzystna dla asymetrycznych hydrosililacji związków 1,2-dikarbonylowych i alfa-keto-estrów typu Piersa, dając produkty o wysokiej wydajności enancjoselektywności. Jednak w porównaniu z konwencjonalnymi hydrosililacjami typu Piersa, asymetryczne hydrosililacje typu Piersa nie są tak dobrze rozwinięte

W poniższym przykładzie chiralny alkenyloboran powstaje in situ z chiralnego dynu i HB (C 6 F 5 ) 2 . Heterolityczne rozszczepienie wiązania Si-H z PhMe 2 SiH przez katalizator FLP, tworzy kompleks jonowy silylium i hydridoboranu.

Asymetryczna hydrosililacja diketonu przez FLP

Uwodornienie alkinów

Wolne od metalu uwodornianie nieaktywowanych wewnętrznych alkinów do cis- alkenów jest łatwo osiągane przy użyciu katalizatorów opartych na FLP. Warunkiem do tej reakcji są stosunkowo łagodne stosując 2 bar H 2 . Z punktu widzenia mechanizmu, materiał alkinowy jest najpierw hydroborowany, a następnie powstały FLP oparty na winyloboranie może następnie aktywować diwodor. Etap protodeborylacji uwalnia produkt cis- alkenowy, który jest otrzymywany w wyniku procesu syn- hydroborylacji i regeneracji katalizatora. Chociaż katalizatory oparte na FLP są aktywne w uwodornianiu alkinów, nie ułatwiają jednak uwodorniania alkenów do alkanów.

Reakcja jest syn-hydroboracją, w wyniku czego obserwuje się wysoką selektywność cis. Na ostatnim etapie cyklu katalitycznego grupa C 6 F 5 jest odszczepiana łatwiej niż grupa alkilowa, powodując raczej degradację katalizatora niż uwolnienie alkanu. Cykl katalityczny składa się z trzech etapów:

  • Wiązanie podłoża (hydroboracja alkinów)
  • H 2 rozszczepienie vinylborane, po wewnątrzcząsteczkowej protodeborylation podstawnika winylowego, odzyskiwanie N, N-dimetylo-2 - [(pentafluorofenylo) boryl] aniliny
  • Uwalnianie cis-alkenu
Wiązanie terminala alkinowego z katalizatorem FLP

W przypadku alkinów wewnętrznych zachodzi reakcja konkurencyjna, w której proton związany z azotem można dodać do fluorobenzenów. Dlatego ten dodatek nie przebiega tak bardzo, wydaje się, że korzystne jest tworzenie alkenu.

Ale terminalne alkiny nie wiążą się z borem poprzez hydroborację, ale raczej poprzez aktywację CH. Zatem dodanie protonu do alkinu spowoduje powstanie początkowego końcowego alkinu. Stąd ten proces uwodornienia nie jest odpowiedni dla końcowych alkinów i daje tylko pentafluorobenzen.

Wolne od metalu uwodornienie końcowych alkinów do odpowiednich alkenów zostało ostatnio osiągnięte przy użyciu układu opartego na pirydonie-boranie. Ten system łatwo aktywuje wodór w temperaturze pokojowej, dając kompleks pirydonu-boranu. Dysocjacja tego kompleksu umożliwia hydroborację alkinu przez wolny boran. Po protodeborylacji przez wolny pirydon powstaje alken cis . W tym systemie możliwe jest uwodornianie końcowych alkinów, ponieważ aktywacja CH jest odwracalna i konkuruje z aktywacją wodoru.

Borylacja

Amino-boranowe FLP katalizują borylację bogatych w elektrony aromatycznych heterocykli (Schemat 1). Reakcja jest napędzana przez uwolnienie wodoru poprzez aktywację CH przez FLP. Borylacje aromatyczne są często wykorzystywane w rozwoju farmacji, szczególnie ze względu na obfitość, niski koszt i niską toksyczność związków boru w porównaniu z metalami szlachetnymi.,

Mechanizm borylacji katalizowany przez FLP
Schemat 1: Mechanizm borylacji katalizowanej przez FLP

Substrat do reakcji ma dwa główne wymagania, silnie związane z mechanizmem borylacji. Po pierwsze, substrat musi być bogaty w elektrony, czego przykładem może być brak reakcji z tiofenem, podczas gdy jego bardziej bogate w elektrony pochodne - metoksytiofen i 3,4-etylenodioksytiofen - mogą ulegać reakcji z aminoboranem. Ponadto, podstawienie 1-metylopirolu (który może reagować) silnie odciągającą elektrony grupą tert-butyloksykarbonylową (Boc) w pozycji 2 całkowicie hamuje reakcję. Drugim wymaganiem jest brak zasadowych grup aminowych w podłożu, które w innym przypadku tworzyłyby niepożądany addukt. Można to zilustrować brakiem reakcji z pirolem, podczas gdy zarówno pochodne 1-metylo, jak i N-benzylopirolu mogą reagować.

Dalsze prace tych samych autorów ujawniły, że po prostu piperydyna jako grupa aminowa R (w przeciwieństwie do tetrametylopiperydyny, na zdjęciu powyżej) przyspiesza szybkość reakcji. Poprzez badania kinetyczne i DFT autorzy zaproponowali, że etap aktywacji CH był łatwiejszy niż w przypadku większych podstawników.

Dearomatyzację można również przeprowadzić w podobnych warunkach, ale stosując N-tosylindole. Otrzymuje się indoliny z syn- hydroksoborylacją.

Deromatyzacja N-tosylindolu przez HBpin

Zaobserwowano również borylację wiązań SH w tiolach w procesie odwodornienia. Alkohole i aminy, takie jak tert-butanol i tert-butyloamina, tworzą stabilne produkty, które zapobiegają katalizie ze względu na silne wiązanie π między wolną parą atomów N / O a borem, podczas gdy to samo nie dotyczy tioli, co pozwala na skuteczną katalizę . Ponadto osiągnięto skuteczną borylację wiązań Se-H. We wszystkich przypadkach tworzenie H 2 gazu jest siłę napędową dla reakcji.

Wychwytywanie węgla

Chemia FLP ma koncepcyjne znaczenie dla wychwytywania dwutlenku węgla . Do selektywnego wychwytywania i uwalniania dwutlenku węgla zastosowano zarówno międzycząsteczkowy (schemat 1), jak i wewnątrzcząsteczkowy (schemat 2) FLP składający się z fosfiny i boranu. Gdy roztwór FLP pokryto atmosferze CO 2 w temperaturze pokojowej FLP-CO 2 Związek natychmiast wytrąca się w postaci białego ciała stałego.

Schemat 1: Wychwytywanie i uwalnianie międzycząsteczkowego FLP CO 2 .

Ogrzewanie międzycząsteczkowego związku FLP-CO 2 w bromobenzenie w temperaturze 80 ° C pod próżnią przez 5 godzin spowodowało uwolnienie około połowy CO 2 i regenerację dwóch składników składowych FLP. Po kilka godzin siedzenia w temperaturze pokojowej pod zmniejszonym ciśnieniem, całkowite uwolnienie od CO 2 i regeneracji FLP wystąpiły.

Schemat 2: Wewnątrzcząsteczkowe wychwytywanie i uwalnianie CO 2 FLP .

Wewnątrzcząsteczkową FLP-CO 2 Związek przeciwieństwie była stabilna w postaci stałej w temperaturze pokojowej, ale w pełni rozłożony w temperaturach powyżej -20 ° C w postaci roztworu w dichlorometanie uwalniającego CO 2 i regeneracji cząsteczkę FLP.

Tę metodę wychwytywania węgla FLP można dostosować do pracy w przepływowych systemach chemicznych.

Bibliografia