Реакции борилирования C–H, катализируемые металлами, являются органическими реакциями, катализируемыми переходными металлами, которые производят борорганическое соединение посредством функционализации алифатических и ароматических связей C–H и, следовательно, являются полезными реакциями для активации связи углерод–водород . [1] Реакции борилирования C–H, катализируемые металлами, используют переходные металлы для прямого преобразования связи C–H в связь C–B. Этот путь может быть выгодным по сравнению с традиционными реакциями борилирования за счет использования дешевого и распространенного исходного углеводородного материала, ограничения предварительно функционализированных органических соединений, снижения токсичных побочных продуктов и оптимизации синтеза биологически важных молекул. [2] [3] Бороновые кислоты и бороновые эфиры являются обычными борильными группами, включенными в органические молекулы посредством реакций борилирования. [4] Бороновые кислоты являются трехвалентными борсодержащими органическими соединениями, которые обладают одним алкильным заместителем и двумя гидроксильными группами. Аналогично, бороновые эфиры обладают одним алкильным заместителем и двумя сложноэфирными группами. Бороновые кислоты и эфиры классифицируются в зависимости от типа углеродной группы (R), непосредственно связанной с бором, например, алкил-, алкенил-, алкинил- и арилбороновые эфиры. Наиболее распространенный тип исходных материалов, которые включают бороновые эфиры в органические соединения для реакций борирования, катализируемых переходными металлами, имеет общую формулу (RO) 2B - B ( OR) 2 . Например, бис(пинаколато)диборон ( B2Pin2 ) и бис(катехолато)диборан (B2Cat2 ) являются распространенными источниками бора этой общей формулы. [5]
Атом бора боронового эфира или кислоты находится в состоянии sp2 - гибридизации , обладая вакантной p-орбиталью, что позволяет этим группам действовать как кислоты Льюиса . Связь C–B бороновых кислот и эфиров немного длиннее типичных одинарных связей C–C с диапазоном 1,55–1,59 Å. Удлиненная связь C–B относительно связи C–C приводит к энергии связи, которая также немного меньше, чем у связей C–C (323 кДж/моль для C–B против 358 кДж/моль для C–C). [6] Связь углерод–водород имеет длину связи около 1,09 Å и энергию связи около 413 кДж/моль. Таким образом, связь C–B является полезным промежуточным соединением в качестве связи, которая заменяет обычно нереакционноспособную связь C–H.
Борорганические соединения — это органические соединения, содержащие связь углерод-бор. Борорганические соединения имеют широкое применение в химическом синтезе, поскольку связь C–B может быть легко преобразована в связь C–X (X = Br, Cl), C–O, C–N или C–C. Из-за универсальности связи C–B были разработаны многочисленные процессы для включения их в органические соединения. [7] Борорганические соединения традиционно синтезируются из реагентов Гриньяра посредством реакций гидроборирования или диборирования. [8] Борилирование обеспечивает альтернативу.
Как впервые описал Хартвиг, алканы могут быть селективно борилированы с высокой селективностью для первичной связи C–H с использованием Cp*Rh(η 4 -C 6 Me 6 ) в качестве катализатора. [9] Примечательно, что селективность для первичной связи C–H является исключительной даже при наличии гетероатомов в углеродно-водородной цепи. Катализируемое родием борилирование метильных связей C–H происходит селективно вне зависимости от положения гетероатома. Борилирование происходит селективно по наименее стерически затрудненной и наименее богатой электронами первичной связи C–H в ряду ацеталей , эфиров , аминов и алкилфторидов. [10] Кроме того, не показано, что реакция происходит в отсутствие первичных связей C–H, например, когда субстратом является циклогексан .
Избирательная функционализация первичной алкановой связи обусловлена образованием кинетически и термодинамически выгодного первичного алкилметаллического комплекса по сравнению с образованием вторичного алкилметаллического комплекса. [11]
Более высокая стабильность первичных алкильных комплексов по сравнению со вторичными может быть обусловлена несколькими факторами. Во-первых, первичный алкильный комплекс стерически предпочтительнее вторичного алкильного комплекса. Во-вторых, частичные отрицательные заряды часто присутствуют на α-углероде металл-алкильного комплекса, а первичный алкильный лиганд поддерживает частичный отрицательный заряд лучше, чем вторичный алкильный лиганд. Происхождение селективности для алифатического борилирования C–H с использованием родиевых катализаторов было исследовано с использованием типа механистического исследования, называемого обменом водорода на дейтерий . Обмен H/D показал, что региоселективность всего процесса, показанного ниже, является результатом селективного расщепления первичных связей C–H по сравнению со вторичными и селективной функционализацией первичного металл-алкильного промежуточного соединения по сравнению со вторичным металл-алкильным промежуточным соединением. [12]
Синтетическая полезность алифатического борирования C–H была применена для модификации полимеров посредством борирования с последующим окислением для образования гидроксил-функционализированных полимеров. [13]
Первый пример каталитического борилирования C–H неактивированного углеводорода (бензола) был описан Смитом и Айверсоном с использованием Ir(Cp*)(H)(Bpin) в качестве катализатора. Однако эффективность этой системы была низкой, обеспечивая только 3 оборота после 120 ч при 150 °C. [14] Многочисленные последующие разработки Хартвига и его коллег привели к эффективным, практическим условиям для борилирования арена. Ароматическое борилирование C–H было разработано Джоном Ф. Хартвигом и Ишиямой с использованием диборного реагента Bis(pinacolato)diboron , катализируемого 4,4'-ди-трет-бутилбипиридином (dtbpy) и [Ir(COD)(OMe)] 2 . [15] С этой каталитической системой борилирование ароматических связей C–H происходит с региоселективностью, которая контролируется стерическими эффектами исходного арена. Селективность функционализации ароматических связей C–H регулируется общим правилом, согласно которому реакция не происходит в орто-положении к заместителю, если доступна связь C–H, не имеющая орто- заместителя. [11] Если присутствует только одна функциональная группа, борилирование происходит в мета- и пара- положении в статистических соотношениях 2:1 (мета:пара). Орто- изомер не обнаруживается из-за стерических эффектов заместителя. [16]
Добавление Bpin происходит только в одном положении для симметрично замещенных 1,2- и 1,4-замещенных аренов. Симметричные или несимметричные 1,3-замещенные арены также селективно борилируются, поскольку только одна связь C–H стерически доступна.
Это контрастирует с электрофильным ароматическим замещением , где региоселективность регулируется электронными эффектами. [17]
Синтетическое значение ароматического борилирования C–H показано ниже, где 1,3-дизамещенное ароматическое соединение может быть напрямую преобразовано в 1,3,5-органоборановое соединение и впоследствии функционализировано. [15]
Ароматическая C–H-функционализация была успешно включена в общий синтез компланадина A, алкалоида Lycopodium , который усиливает экспрессию мРНК для фактора роста нервов (NGF) и выработку NGF в глиальных клетках человека . Натуральные продукты, которые способствуют росту новых нейронных сетей, представляют интерес для лечения таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера . [18] Компланадин A был успешно синтезирован с использованием комбинации прямого ароматического борилирования C–H, разработанного Хартвигом и Ишиямой, с последующим перекрестным связыванием Сузуки-Мияуры , а затем расщеплением защитной группы Boc .
Гетероарены также могут подвергаться борилированию в условиях катализа иридием, однако селективность в этом случае контролируется электронными эффектами , где фураны , пирролы и тиофены подвергаются реакции по связи C–H альфа к гетероатому. В этом случае предполагается, что селективность происходит через связь C–H альфа к гетероатому, поскольку это самая кислотная связь C–H и, следовательно, самая реактивная. [11]
Используя ту же каталитическую систему, направляющие группы могут быть использованы для достижения региоселективности без заместителей в качестве стерических посредников. Например, Boebel и Hartwig сообщили о методе проведения орто -борилирования, где диметилгидросилильная направляющая группа на арен подвергается катализируемому иридием борилированию по связи C–H в орто-положении к силановой направляющей группе. [19] Селективность для орто- положения в случае использования гидросилильных направляющих групп была приписана обратимому добавлению связи Si-H к металлическому центру, что приводит к преимущественному разрыву связи C–H в орто- положении к гидросилильному заместителю. Было разработано несколько других стратегий для достижения орто -борилирования аренов с использованием различных направляющих групп. [20] [21] [22]
Трисбориловый иридиевый комплекс был предложен для облегчения механизма каждой из этих реакций, которые приводят к борилированию C–H аренов и гетероаренов. Кинетические исследования и исследования изотопной маркировки показали, что трибориловый комплекс Ir(III) реагирует с ареном в каталитическом процессе. [23] Ниже показана версия каталитического цикла для ортоборилирования гидросилановых соединений. Кинетические данные показывают, что наблюдаемый трисбориловый комплекс, координированный с циклооктеном, быстро и обратимо диссоциирует циклооктен с образованием 16-электронного трисборилового комплекса. В случае использования бензилдиметилсилана в качестве направляющей группы предполагается, что бензилдиметилсилан реагирует с трисбориловым иридиевым катализатором посредством обратимого присоединения связи Si-H к металлическому центру с последующей селективной активацией орто -связи C–H посредством окислительного присоединения и восстановительного элиминирования . [24]
Мета-селективное борилирование : Мета-селективное борилирование C–H является важным синтетическим преобразованием, которое было открыто в 2002 году Смитом III из Мичиганского государственного университета, США. Однако это мета-борилирование было полностью стерически направленным и ограничивалось только 1,3-дизамещенными бензолами. Примерно 12 лет спустя доктор Чаттопадхай и его команда из Центра биомедицинских исследований, UP, Индия, открыли элегантную технологию для мета-селективной активации связи C–H и борилирования. Команда показала, что, используя тот же субстрат, можно переключить другую позиционную селективность, просто изменив лиганд. Происхождение мета-селективности определялось двумя параметрами, такими как: 1) электростатическое взаимодействие, 2) вторичное взаимодействие BN. [25]
В то же время группа из Японии, доктор Канаи, сообщила об удивительной концепции метаселективного борилирования, основанного на вторичном взаимодействии. Этот метод охватывает борилирование различных карбонильных соединений. [26]
В 1981 году Хирао и его коллеги обнаружили, что асимметричное восстановление прохиральных ароматических кетонов с хиральными аминоспиртами и бораном дает соответствующие вторичные спирты с 60% ee . Они обнаружили, что хиральные аминоспирты будут реагировать с бораном , образуя комплексы алоксиламин-боран. Предполагается, что комплексы содержат относительно жесткую пятичленную кольцевую систему, что делает их термически и гидролитически стабильными и растворимыми в широком спектре протонных и апротонных растворителей. [27]
В 1987 году Элиас Джеймс Кори и его коллеги обнаружили, что образование оксазаборолидинов из борана и хиральных аминоспиртов. И было обнаружено, что оксазаборолидины катализируют быстрое и высокоэнантиоселективное восстановление прохиральных кетонов в присутствии BH3THF. Это энантиоселективное восстановление ахиральных кетонов с каталитическим оксазаборолидином называется восстановлением Кори–Бакши–Шибата или восстановлением CBS. [28] [29]
В 1977 году М. М. Мидленд и его коллеги сообщили об удивительном наблюдении, что B-3-альфа-Пинанил-9-борабицикло [3,3,1] нонан, легко получаемый гидроборированием (+)-альфа-пинена с 9-боробицикло[3,3,1] нонаном , быстро восстанавливает бензальдегид-альфа-d до (S)-(+)-бензил-альфа-d спирта с существенно количественной асимметричной индукцией. [30]
В том же году MM Midland открыл B-3-альфа-пинанил-9-BBN в качестве восстанавливающего агента, который мог быть легко получен путем реакции (+)-альфа-пинена с 9-BBN. Новый восстанавливающий агент был позже коммерциализирован Aldrich Co. под названием Alpine Borane , а асимметричное восстановление карбонильных групп с любым энантиомером Alpine-Borane известно как восстановление Midland Alpine-Borane. [31]
В 2012 году Ури Венкатешварлу и его коллеги сообщили о стереоселективном методе синтеза пектинолида H. Восстановление Мидланда и реакция дигидроксилирования Шарплесса участвуют в образовании трех хиральных центров при C–4', C–5 и C–1'. [32]
В 1993 году NA Petasis и I. Akrltopoulou сообщили об эффективном синтезе аллильных аминов с помощью модифицированной реакции Манниха . В этой модифицированной реакции Манниха они обнаружили, что винилбороновые кислоты могут участвовать в качестве нуклеофилов , давая геометрически чистые аллиламины. Эта модифицированная реакция Манниха была известна как реакция Петасиса борной кислоты-Манниха. [33] [34]
В 1978 году Р. В. Хоффман и Т. Герольд сообщили об энантиоселективном синтезе вторичных гомоаллиловых спиртов через хиральные нерацемические аллилбороновые эфиры . Гомоаллиловые спирты были образованы с превосходным выходом и умеренной энантиоселективностью. [35]
В 1985 году WR Roush и его коллеги обнаружили, что модифицированные тартратом аллильные боронаты предлагают простой, очень привлекательный подход к контролю лицевой селективности в реакциях с хиральными и ахиральными альдегидами. В последующие годы WR Roush и его коллеги распространили эту стратегию на синтез бут-2-ен-1,4-диолов и анти-диолов. Этот тип реакции известен как асимметричное аллилирование Роуча. [36] [37] [38] [39]
В 2011 году RA Fernandes и P. Kattanguru завершили улучшенный полный синтез диастереомеров (8S, 11R, 12R)- и (8R, 11R, 12R)-топсентолида B2 в восемь этапов. В статье диастереоселективная реакция аллилирования Рауша использовалась в качестве ключевой реакции в полном синтезе для введения двух хиральных промежуточных соединений. Затем авторы синтезировали два диастереомера через эти два хиральных промежуточных соединения. [40]
В 1979 году Н. Мияура и А. Сузуки сообщили о синтезе арилированных (E)-алкенов с высоким выходом из арилгалогенидов с алкил-1-енилборанами и катализируемом тетракис( трифенилфосфин )палладием и основаниями. Затем А. Сузуки и его коллеги распространили этот тип реакции на другие борорганические соединения и другие алкенил, арил , алкилгалогениды и трифлат . Катализируемая палладием реакция кросс-сочетания борорганических соединений и этих органических галогенидов с образованием углерод-углеродных связей известна как кросс-сочетание Сузуки–Мияуры . [41] [42]
В 2013 году Йоахим Подлех и его коллеги определили структуру альтеновой кислоты III микотоксина Alternaria с помощью ЯМР-спектроскопического анализа и завершили ее полный синтез. В синтетической стратегии использовалась реакция кросс-сочетания Сузуки-Мияуры с высокофункционализированным боронатом и бутенолидами для синтеза предшественника натурального продукта с высоким выходом. [43]
В 1904 году Фриц Ульман обнаружил, что медный порошок может значительно улучшить реакцию арилгалогенидов с фенолами, чтобы получить биарильные эфиры. Эта реакция известна как конденсация Ульмана . В 1906 году И. Голдберг расширил эту реакцию, чтобы синтезировать ариламин путем взаимодействия арилгалогенидов с амидом в присутствии карбоната калия и CuI. Эта реакция известна как модифицированная Голдбергом конденсация Ульмана. [44] В 2003 году RA Batey и TD Quach модифицировали этот тип реакций, используя соли органотрифторборатов калия для реакции с алифатическими спиртами, алифатическими аминами или анилинами для синтеза арильных эфиров или ариламинов. [45] [46]