Frustrovaný Lewisův pár - Frustrated Lewis pair

V chemii, a frustrovaný Lewisův pár (FLP) je sloučenina nebo směs obsahující a Lewisova kyselina a a Lewisova základna že kvůli sterická překážka, nelze kombinovat a vytvořit klasický adukt.[1] Bylo navrženo mnoho druhů FLP a mnoho jednoduchých substrátů vykazuje aktivaci.[2][3]

Objev, že některé FLP rozdělily H2[4] spustil rychlý růst výzkumu FLP. Vzhledem ke své „neutíchané“ reaktivitě jsou takové systémy reaktivní vůči substrátům, které mohou podstoupit heterolýza. Například mnoho FLP se dělí molekuly vodíku. Směs tedy tricyklohexylfosfin (PCy3) a tris (pentafluorfenyl) boran reaguje s vodíkem za vzniku příslušných fosfonium a borát ionty:

Tato reaktivita byla využita k výrobě FLP, které katalyzují hydrogenace reakce.[5]

Aktivace malé molekuly

Ukázalo se, že frustrované Lewisovy páry aktivují mnoho malých molekul, ať už indukcí heterolýzy nebo koordinací.

Vodík

Objev, že některé FLP jsou schopné se rozdělit, a proto aktivovat, H2[4] spustil rychlý růst výzkumu v této oblasti. Aktivace a tedy použití H2 je důležitý pro mnoho chemických a biologických transformací. Použití FLP k osvobození H2 je bez kovů, což je výhodné vzhledem k ceně a omezenému přísunu některých přechodných kovů běžně používaných k aktivaci H2 (Ni, Pd, Pt).[6] Systémy FLP reagují na substráty, které mohou podstoupit heterolýza (např. vodík) v důsledku „nezhasnuté“ reaktivity těchto systémů. Například bylo dříve prokázáno, že směs tricyklohexylfosfin (PCy3) a tris (pentafluorfenyl) boran reaguje s H2 dát příslušné fosfonium a borát ionty:

V této reakci PCy3 (Lewisova základna) a B (C.6F5)3 (Lewisova kyselina) nemůže tvořit adukt kvůli sterické zábraně z objemných cyklohexylových a pentafluorfenylových skupin. Proton na fosforu a hydridu z boritanu je nyní „aktivován“ a může být následně „dodáván“ na organický substrát, což vede k hydrogenace.

Mechanismus aktivace dihydrogenu pomocí FLP

Mechanismus pro aktivaci H2 FLP byly diskutovány jak pro intermolekulární, tak pro intramolekulární případy. Intermolekulární FLP jsou tam, kde je Lewisova báze samostatnou molekulou s Lewisovou kyselinou, předpokládá se, že tyto jednotlivé molekuly interagují prostřednictvím sekundárních Londýnských disperzních interakcí, aby spojily Lewisovou bázi a kyselinu dohromady (předorganizační účinek), kde pak mohou interagovat malé molekuly s FLP. Experimentální důkazy pro tento typ interakce na molekulární úrovni jsou nejasné. Existují však podpůrné důkazy pro tento typ interakce založené na výpočtových studiích DFT (Density Functional Theory). Intramolekulární FLP jsou místa, kde jsou Lewisova kyselina a Lewisova báze kombinovány v jedné molekule kovalentním linkerem. Navzdory vylepšeným „předorganizačním účinkům“ se předpokládá, že rigidní intramolekulární rámce FLP mají sníženou reaktivitu na malé molekuly kvůli snížení flexibility.

Příklad aktivace dihydrogenu

Aktivace H2 používání FLP bylo poprvé hlášeno v roce 2006.[4] V této zprávě bylo pozorováno, že fosfonium-boritanové druhy podléhají tepelné ztrátě H2 molekuly, za vzniku fosfinu a boranu. Fosfonium-boritanové druhy 1 byl připraven z B (C.6F5)3 a (C.6H2Mě3)2PH, vzhledem ke sterickým nárokům obou těchto molekul nemohl být vytvořen tradiční adukt a byl připraven zwitteriontový fosfonon-boronát [obrázek 1]. Byla provedena „výměna H-za-F“ 2 který byl stabilní vůči vlhkosti a vzduchu. Tato sůl uvolní molekulární H2 při zahřátí nad 100 ° C byla také pozorována změna barvy od bezbarvé 2 do oranžovo-červené 3 (oba v THF). Tato reakce je obrácena reakcí 3 s H.2 na 25 °, kde je změna barvy obrácená a 2 je reformovaný. Reakce H2 s 3 byl úspěšný pro teploty až 25 ° C. Rekrystalizace z 3 z THF poskytly bezbarvé krystaly aduktu 4.

Absorpce a uvolňování vodíku z FLP
Syntetická metodika pro první FLP, (1) uvádí Stephan et. al. vytvořený z dimesitylfosfinu a tris (pentafluorfenyl) boranu. Po reakci se mnou2SiHCl za vzniku (C.6H2Mě3)2PH (C.6F4) BH (C.6F5)2 (2), výsledný dihydrid se tepelně rozloží a uvolní plynný vodík a neutrální sloučeninu 3. Použitím THF jako donorového rozpouštědla se získaly bílé bezbarvé krystaly molekuly aduktu 4.

Další substráty s malou molekulou

FLP jsou také reaktivní vůči mnoha nenasyceným substrátům za hranicí H2. Některé FLP reagují s CO2, konkrétně při deoxygenativní redukci CO2 na metan.[7]

Ethylen také reaguje s FLP:[8]

Pro páry kyselin-bází chovat se současně nukleofilně i elektrofilně nabízí způsob otevření kruhu cyklickým etherům, jako je THF, 2,5-dihydrofuran, kumaran a dioxan.[9]

Použití při katalýze

Hydrogenace iminu, nitrilu a aziridinu

Katalytický cyklus pro redukci iminu na amin
Katalytický cyklus pro redukci iminu na amin pomocí FLP

Snížení iminy, nitrily, a aziridiny na primární a sekundární aminy tradičně se provádí reakcí s hydridy kovů, např. lithiumaluminiumhydrid a kyanoborohydrid sodný. Hydrogenace těchto nenasycených substrátů lze provádět reakcemi katalyzovanými kovem. Katalytická hydrogenace bez obsahu kovů byla prováděna za použití katalyzátoru na bázi fosfoniumboritanu (R.2PH) (C.6F4) BH (C.6F5)2 (R = 2,4,6-Me3C6H2) 1. Tento typ hydrogenace bez kovů má potenciál nahradit nákladný kovový katalyzátor.

Mechanismus redukce iminu je navržen tak, aby zahrnoval protonaci dusíkem za vzniku iminiové soli. Bazicita centra dusíku určuje rychlost reakce. Více iminů bohatých na elektrony se snižuje rychleji než iminy chudé na elektrony. Výsledné iminiové centrum prochází nukleofilní útok borohydridovým aniontem za vzniku aminu. Malé aminy se vážou na boran a potlačují další reakce. Tento problém lze překonat pomocí různých metod: 1) Aplikace zvýšených teplot 2) Použití stericky objemné iminové substituenty 3) Ochrana iminu pomocí B (C6F5)3skupina, která také slouží jako promotor Lewisovy kyseliny.[10]

Enantioselektivní iminová hydrogenace

Chirální boronát Lewisova kyselina odvozeno z (1R)-(+) -camphor tvoří frustrovaný Lewisův pár tBu3P, který je izolovatelný jako sůl. Tento FLP katalyzuje enantioselektivní hydrogenace některých aryliminů ve vysokém výtěžku, ale skromná ee (až 83%).

Asymetrická hydrogenace iminu pomocí FLP
Asymetrická hydrogenace iminu pomocí FLP

Ačkoli je koncepčně zajímavý, protokol trpí nedostatkem obecnosti. Bylo zjištěno, že zvětšování sterického objemu já těžím substituenty vedou ke snížení výtěžku a ee z amin produkt. methoxy-substituovaný iminy vykazují vyšší výtěžek a ee 's.[10]

Asymetrické hydrosilylace

Skupina katalyzátorů, frustrované Lewisovy páry chirálních alkenylboranů a fosfinů, jsou prospěšné pro asymetrické Piersovy hydrosilylace 1,2-dikarbonylových sloučenin a alfa-ketoesterů, což vede k produktům enantioselektivity s vysokým výtěžkem. Avšak ve srovnání s konvenční Piersovou hydrosilylací nejsou asymetrické Piersovy hydrosilylace tak dobře vyvinuté

V následujícím příkladu se chirální alkenylboran tvoří in situ z chirálního diynu a HB (C6F5)2. Heterolytické štěpení vazby Si-H z PhMe2SiH katalyzátorem FLP tvoří iontový komplex silylia a hydridoboritanu.[11]

Asymetrická hydrosilylace diketonu pomocí FLP

Alkyně hydrogenace

Hydrogenace bez aktivovaných vnitřních alkynů na kov bez obsahu kovů cis-alkenů lze snadno dosáhnout pomocí katalyzátorů na bázi FLP.[12] Podmínky pro tuto reakci byly relativně mírné při použití 2 barů H2. Z hlediska mechanismu je alkynový materiál první hydroborovaný a potom výsledný FLP na bázi vinylboranu pak může aktivovat dihydrogen. Krokem protodeborylace se uvolní cis-alkenový produkt, který se získává díky syn-hydroborylační proces a regenerace katalyzátoru. I když jsou katalyzátory na bázi FLP aktivní pro hydrogenaci alkinu, neusnadňují hydrogenaci alkenů na alkany.

Mechanismus pro hydrogenaci alkynů za použití FLP
Mechanismus pro hydrogenaci alkynů za použití FLP

Reakce je syn-hydroborace a ve výsledku je pozorována vysoká cis selektivita. V závěrečné fázi katalytického cyklu C6F5 skupina se odštěpuje snadněji než alkylová skupina, což vede spíše k degradaci katalyzátoru než k uvolňování alkanu. Katalytický cyklus má tři kroky:

  • Vazba substrátu (hydroborace alkynu)
  • H2 štěpení vinylboranem, následované intramolekulární protodeborylací vinylového substituentu, čímž se získá N, N-dimethyl-2 - [(pentafluorfenyl) boryl] anilin
  • Uvolňování cis-alkenu
Vazba terminálního alkinu na katalyzátor FLP

S interními alkiny dochází ke kompetitivní reakci, kdy může být proton vázaný na dusík přidán k fluorobenzenům. Toto přidání proto příliš nepokračuje, zdá se, že tvorba alkenu je příznivá.

Ale terminální alkyny se neváží na bór hydroborací, ale spíše aktivací CH. Přidání protonu k alkinu tedy povede k počátečnímu terminálnímu alkinu. Proto tento hydrogenační proces není vhodný pro koncové alkyny a poskytne pouze pentafluorbenzen.

Hydrogenace koncových alkynů na příslušné alkeny bez obsahu kovů byla nedávno dosažena za použití systému na bázi pyridonboranu.[13] Tento systém snadno aktivuje vodík při teplotě místnosti za vzniku komplexu pyridon-boran.[14] Disociace tohoto komplexu umožňuje hydroboraci alkynu volným boranem. Po protodeborylaci volným pyridonem cis je generován alken. Hydrogenace koncových alkynů je u tohoto systému možná, protože aktivace CH je reverzibilní a soutěží s aktivací vodíku.


Borylace

Aminoboranové FLP katalyzují borylaci aromatických heterocyklů bohatých na elektrony (schéma 1).[15] Reakce je řízena uvolňováním vodíku aktivací CH pomocí FLP. Aromatické borylace se často používají ve farmaceutickém vývoji, zejména kvůli hojnosti, nízké ceně a nízké toxicitě sloučenin boru ve srovnání s ušlechtilými kovy.,

Mechanismus pro borylaci katalyzovaný FLP
Schéma 1: Mechanismus pro borylaci katalyzovaný FLP

Substrát pro reakci má dva hlavní požadavky, silně spojené s mechanismem borylace. Nejprve musí být substrát bohatý na elektrony, což dokládá absence reakce s thiofenem, zatímco jeho deriváty bohatší na elektrony - methoxythiofen a 3,4-ethylendioxythiofen - může podstoupit reakci s amino-boranem. Dále substituce 1-methylpyrrolu (který může reagovat) se silným odběrem elektronů terc-butyloxykarbonyl (Boc) skupina v poloze 2 zcela inhibuje reakci. Druhým požadavkem je nepřítomnost bazických aminových skupin v substrátu, které by jinak vytvořily nežádoucí adukt. To lze ilustrovat absencí reakce s pyrrolem, zatímco deriváty 1-methylu i N-benzylpyrrolu jsou schopné reagovat.

Další práce stejných autorů odhalily, že jednoduše piperidin jako aminová skupina R (na rozdíl od tetramethylpiperidinu, na obrázku výše) zrychlil rychlost reakce. Prostřednictvím kinetických a DFT studií autoři navrhli, že aktivační krok CH byl snadnější než s většími substituenty.[16]

Dearomatizace může být také dosažena za podobných podmínek, ale za použití N-tosylindolů. Syn- získají se hydrogenylované indoliny.[17]

Deromatizace N-tosylindolu pomocí HBpin

Rovněž byla pozorována borylace vazeb S-H v thiolech dehydrogenačním procesem. Alkoholy a aminy, jako je terc-butanol a terc-butylamin, vytvářejí stabilní produkty, které zabraňují katalýze v důsledku silné vazby π mezi osamělým párem atomu dusíku a bórem, zatímco totéž neplatí pro thioly, což umožňuje úspěšnou katalýzu . Kromě toho bylo dosaženo úspěšné borylace vazeb Se-H. Ve všech případech je tvorba H2 plyn je silnou hnací silou reakcí.[18]

Zachycování uhlíku

Chemie FLP je koncepčně relevantní pro zachycování uhlíku.[19] K selektivnímu zachycení a uvolnění oxidu uhličitého byly použity jak intermolekulární (schéma 1), tak intramolekulární (schéma 2) FLP sestávající z fosfinu a boranu. Když bylo řešení FLP pokryto atmosférou CO2 při pokojové teplotě, FLP-CO2 sloučenina se okamžitě vysráží jako bílá pevná látka.[19][20]

Schéma 1: Intermolekulární FLP CO2 zajmout a uvolnit.

Zahřívání intermolekulárního FLP-CO2 sloučenina v brombenzenu při 80 ° C ve vakuu po dobu 5 hodin způsobila uvolnění přibližně poloviny CO2 a regeneraci dvou základních složek FLP. Po několika dalších hodinách sedění při teplotě místnosti ve vakuu došlo k úplnému uvolnění CO2 a došlo k regeneraci FLP.[19]

Schéma 2: Intramolekulární FLP CO2 zajmout a uvolnit.

Intramolekulární FLP-CO2 sloučenina byla naopak stabilní jako pevná látka při teplotě místnosti, ale plně se rozkládala při teplotách nad -20 ° C jako roztok v dichlormethanu uvolňujícího CO2 a regenerace molekuly FLP.[19]

Tuto metodu zachycování uhlíku FLP lze přizpůsobit pro práci v systémech průtokové chemie.[21]

Reference

  1. ^ Stephan, Douglas W. (2008). „Frustrované Lewisovy páry: koncept nové reaktivity a katalýzy“. Org. Biomol. Chem. 6 (9): 1535–1539. doi:10.1039 / b802575b. PMID  18421382. uzavřený přístup
  2. ^ Stephan, Douglas W .; Erker, Gerhard (2010). „Frustrované páry Lewis: Aktivace vodíku bez obsahu kovů a další“. Angewandte Chemie International Edition. 49 (1): 46–76. doi:10.1002 / anie.200903708. ISSN  1433-7851. PMID  20025001. uzavřený přístup
  3. ^ Stephan, Douglas W .; Erker, Gerhard (2017). „Frustrovaná chemie Lewisových párů“. Filozofické transakce Královské společnosti A: Matematické, fyzikální a technické vědy. 375 (2101): 20170239. Bibcode:2017RSPTA.37570239S. doi:10.1098 / rsta.2017.0239. ISSN  1364-503X. PMC  5540845. PMID  28739971. otevřený přístup
  4. ^ A b C Welch, Gregory C.; Juan, Ronan R. San; Masuda, Jason D .; Stephan, Douglas W. (2006). "Reverzibilní aktivace vodíku bez obsahu kovů". Věda. 314 (5802): 1124–1126. Bibcode:2006Sci ... 314.1124W. doi:10.1126 / science.1134230. ISSN  0036-8075. PMID  17110572. uzavřený přístup
  5. ^ Lam, Jolie; Szkop, Kevin M .; Mosaferi, Eliar; Stephan, Douglas W. (2018). "FLP katalýza: hlavní skupina hydrogenací organických nenasycených substrátů". Recenze chemické společnosti. 41 (13): 3592–3612. doi:10.1039 / C8CS00277K. PMID  30178796.
  6. ^ Welch, Gregory C .; Juan, Ronan R. San; Masuda, Jason D .; Stephan, Douglas W. (2006-11-17). "Reverzibilní aktivace vodíku bez obsahu kovů". Věda. 314 (5802): 1124–1126. Bibcode:2006Sci ... 314.1124W. doi:10.1126 / science.1134230. ISSN  0036-8075. PMID  17110572.
  7. ^ Berkefeld, Andreas; Piers, Warren E .; Parvez, Masood (11.08.2010). „Tandemová frustrovaná Lewisova dvojice / tris (pentafluorfenyl) boranem katalyzovaná deoxygenativní hydrosilylace oxidu uhličitého“. Journal of the American Chemical Society. 132 (31): 10660–10661. doi:10.1021 / ja105320c. ISSN  0002-7863. PMID  20681691.
  8. ^ Stephan, D. W. (2009). ""Frustrated Lewis Pairs „: Nová strategie pro aktivaci malých molekul a hydrogenační katalýzu“. Dalton Trans (17): 3129–3136. doi:10.1039 / b819621d. PMID  19421613. uzavřený přístup
  9. ^ Tochertermam, W (1966). "Struktury a reakce organických jedlých komplexů". Angew. Chem. Int. Vyd. 5 (4): 351–171. doi:10,1002 / anie.196603511.
  10. ^ A b Chen, Dianjun; Wang, Yutian; Klankermayer, Jürgen (03.12.2010). "Enantioselektivní hydrogenace s chirálně frustrovanými Lewisovými páry". Angewandte Chemie International Edition. 49 (49): 9475–9478. doi:10,1002 / anie.201004525. ISSN  1521-3773. PMID  21031385.
  11. ^ Ren, Xiaoyu; Du, Haifeng (2016-01-15). „Chiral Frustrated Lewis Pairs Catalyzed Highly Enantioselective Hydrosilylations of 1,2-Dicarbonyl Compounds“. Journal of the American Chemical Society. 138 (3): 810–813. doi:10.1021 / jacs.5b13104. ISSN  0002-7863. PMID  26750998.
  12. ^ Černichenko, Konstantin; Madarász, Ádám; Pápai, Imre; Nieger, Martin; Leskelä, Markku; Repo, Timo (2013). „Přístup frustrovaných Lewisových párů ke katalytické redukci alkynů na cis-alkeny“ (PDF). Přírodní chemie. 5 (8): 718–723. Bibcode:2013NatCh ... 5..718C. doi:10.1038 / nchem.1693. PMID  23881505.uzavřený přístup
  13. ^ Wech, Felix; Hasenbeck, Max; Gellrich, Urs (2020-09-18). „Semihydrogenace alkylů katalyzovaných komplexem pyridon-boran: Frustrovaná Lewisova dvojice reaktivity a spolupráce bor-ligand ve shodě“. Chemistry - A European Journal: chem.202001276. doi:10.1002 / chem.202001276. ISSN  0947-6539.
  14. ^ Gellrich, Urs (2018). „Reverzibilní aktivace vodíku komplexem pyridonát-boran: Kombinace frustrované reaktivity Lewisova páru se spoluprací bor-ligand“. Angewandte Chemie International Edition. 57 (17): 4779–4782. doi:10.1002 / anie.201713119. ISSN  1521-3773.
  15. ^ Légaré, Marc A .; Courtmanche, Marc A .; Rochette, Étienne; Fontaine, Frédéric G. (2015-07-30). "Aktivace katalytické vazby C-H bez kovů a borylace heteroarenů". Věda. 349 (6247): 513–516. Bibcode:2015Sci ... 349..513L. doi:10.1126 / science.aab3591. hdl:20.500.11794/30087. ISSN  0036-8075. PMID  26228143.uzavřený přístup
  16. ^ Légaré Lavergne, Julien; Jayaraman, Arumugam; Misal Castro, Luis C .; Rochette, Étienne; Fontaine, Frédéric-Georges (06.10.2017). „Bezkovová borylace heteroarenů pomocí ambifilních aminoboranů: O důležitosti stereiky při aktivaci vazby frustrovaným Lewisovým párem – H“. Journal of the American Chemical Society. 139 (41): 14714–14723. doi:10.1021 / jacs.7b08143. hdl:20.500.11794/30144. ISSN  0002-7863. PMID  28901757.
  17. ^ Jayaraman, Arumugam; Misal Castro, Luis C .; Desrosiers, Vincent; Fontaine, Frédéric-Georges (2018). „Bezkovová borylativní dearomatizace indolů: zkoumání divergentní reaktivity aminoboranových C – H borylačních katalyzátorů“. Chemická věda. 9 (22): 5057–5063. doi:10.1039 / c8sc01093e. ISSN  2041-6520. PMC  5994747. PMID  29938036.
  18. ^ Rochette, Étienne; Boutin, Hugo; Fontaine, Frédéric-Georges (30.06.2017). „Frustrovaný Lewis Pair katalyzoval S-H Bond Borylation“. Organometallics. 36 (15): 2870–2876. doi:10.1021 / acs.organomet.7b00346. hdl:20.500.11794/30088. ISSN  0276-7333.
  19. ^ A b C d Mömming, Cornelia M .; Otten, Edwin; Kehr, Gerald; Fröhlich, Roland; Grimme, Stefan; Stephan, Douglas W .; Erker, Gerhard (2009-08-24). „Oboustranné vázání oxidu uhličitého bez obsahu kovů od frustrovaných Lewisových párů“ (PDF). Angewandte Chemie International Edition. 48 (36): 6643–6646. doi:10.1002 / anie.200901636. ISSN  1433-7851. PMID  19569151.
  20. ^ Stephan, Douglas W .; Erker, Gerhard (2015-05-14). „Frustrated Lewis Pair Chemistry: Development and Perspectives“. Angewandte Chemie International Edition. 54 (22): 6400–6441. doi:10,1002 / anie.201409800. ISSN  1433-7851. PMID  25974714.
  21. ^ Abolhasani, Milad; Günther, Axel; Kumacheva, Eugenia (2014-06-24). „Mikrofluidní studie oxidu uhličitého“. Angewandte Chemie International Edition. 53 (31): 7992–8002. doi:10,1002 / anie.201403719. ISSN  1433-7851. PMID  24961230.