Un par de Lewis frustrado ( FLP ) es un compuesto o mezcla que contiene un ácido de Lewis y una base de Lewis que, debido al impedimento estérico , no puede combinarse para formar un aducto clásico . [1] Se han ideado muchos tipos de FLP y muchos sustratos simples exhiben activación. [2] [3]
El descubrimiento de que algunos FLP dividían el H 2 [4] desencadenó un rápido crecimiento de la investigación sobre los FLP. Debido a su reactividad "no apagada", dichos sistemas reaccionan con sustratos que pueden sufrir heterólisis . Por ejemplo, muchos FLP dividen moléculas de hidrógeno . Así, una mezcla de triciclohexilfosfina (PCy 3 ) y tris(pentafluorofenil)borano reacciona con hidrógeno para dar los respectivos iones fosfonio y borato :
Esta reactividad se ha aprovechado para producir FLP que catalizan reacciones de hidrogenación . [5]
Se ha demostrado que los pares de Lewis frustrados activan muchas moléculas pequeñas, ya sea induciendo heterólisis o mediante coordinación.
El descubrimiento de que algunas FLP son capaces de dividir y, por tanto, activar el H 2 [4] desencadenó un rápido crecimiento de la investigación en esta área. La activación y por tanto el uso del H2 es importante para muchas transformaciones químicas y biológicas. El uso de FLP para liberar H 2 no requiere metales, lo que resulta beneficioso debido al costo y al suministro limitado de algunos metales de transición comúnmente utilizados para activar H 2 (Ni, Pd, Pt). [6] Los sistemas FLP son reactivos hacia sustratos que pueden sufrir heterólisis (por ejemplo, hidrógeno) debido a la reactividad "no apagada" de dichos sistemas. Por ejemplo, se ha demostrado previamente que una mezcla de triciclohexilfosfina (PCy 3 ) y tris(pentafluorofenil)borano reacciona con H 2 para dar los respectivos iones fosfonio y borato :
En esta reacción, PCy 3 (la base de Lewis) y B(C 6 F 5 ) 3 (el ácido de Lewis) no pueden formar un aducto debido al impedimento estérico de los voluminosos grupos ciclohexilo y pentafluorofenilo. El protón del fósforo y el hidruro del borato ahora están "activados" y posteriormente pueden "entregarse" a un sustrato orgánico, lo que da como resultado la hidrogenación .
El mecanismo para la activación de H 2 por las FLP se ha discutido tanto para el caso intermolecular como para el intramolecular. Los FLP intermoleculares se producen cuando la base de Lewis es una molécula separada del ácido de Lewis; se cree que estas moléculas individuales interactúan a través de interacciones secundarias de dispersión de London para unir la base de Lewis y el ácido (un efecto preorganizacional) donde las moléculas pequeñas pueden luego interactuar. con los FLP. La evidencia experimental de este tipo de interacción a nivel molecular no está clara. Sin embargo, existe evidencia que respalda este tipo de interacción basada en estudios de la teoría funcional de la densidad computacional . Los FLP intramoleculares son aquellos donde el ácido de Lewis y la base de Lewis se combinan en una molécula mediante un conector covalente. A pesar de los mejores "efectos preorganizativos", se cree que las estructuras rígidas intramoleculares de FLP tienen una reactividad reducida frente a moléculas pequeñas debido a una reducción de la flexibilidad.
Los FLP también son reactivos hacia muchos sustratos insaturados más allá del H2 . Algunos FLP reaccionan con CO 2 , específicamente en la reducción desoxigenativa de CO 2 a metano. [7]
El eteno también reacciona con los FLP: [8]
Que los pares ácido-base se comporten de forma nucleofílica y electrófila al mismo tiempo ofrece un método para la apertura de anillos de éteres cíclicos como THF, 2,5-dihidrofurano, cumarán y dioxano. [9]
La reducción de iminas , nitrilos y aziridinas a aminas primarias y secundarias se efectúa tradicionalmente mediante reactivos de hidruro metálico, por ejemplo, hidruro de litio y aluminio y cianoborohidruro de sodio . Las hidrogenaciones de estos sustratos insaturados pueden realizarse mediante reacciones catalizadas por metales. La hidrogenación catalítica libre de metales se llevó a cabo utilizando el catalizador de borato de fosfonio (R 2 PH)(C 6 F 4 )BH (C 6 F 5 ) 2 (R = 2,4,6-Me 3 C 6 H 2 ) 1 . Este tipo de hidrogenación sin metales tiene el potencial de reemplazar los catalizadores metálicos de alto costo.
Se propone que el mecanismo de reducción de imina implique la protonación en el nitrógeno dando la sal de iminio. La basicidad del centro de nitrógeno determina la velocidad de reacción. Las iminas más ricas en electrones se reducen a un ritmo más rápido que las iminas pobres en electrones. El centro de iminio resultante sufre un ataque nucleofílico por parte del anión borohidruro para formar la amina. Pequeñas aminas se unen al borano, apagando reacciones posteriores. Este problema se puede superar usando varios métodos: 1) Aplicación de temperaturas elevadas 2) Uso de sustituyentes imina estéricamente voluminosos 3) Protección de la imina con el grupo B(C 6 F 5 ) 3 , que también sirve como promotor del ácido de Lewis. [10]
Un ácido de Lewis boronato quiral derivado de (1 R )-( + )-alcanfor forma un par de Lewis frustrado con t Bu 3 P, que se puede aislar como una sal. Este FLP cataliza la hidrogenación enantioselectiva de algunas aril iminas con alto rendimiento pero modesto ee (hasta 83%).
Aunque conceptualmente interesante, el protocolo adolece de falta de generalidad. Se descubrió que el aumento del volumen estérico de los sustituyentes imina conduce a una disminución del rendimiento y del ee del producto amina . Las iminas metoxisustituidas exhiben rendimiento y ee superiores . [10]
Los pares de Lewis frustrados de alquenilboranos y fosfinas quirales son beneficiosos para las hidrosililaciones asimétricas tipo Piers de compuestos de 1,2-dicarbonilo y ésteres alfa-ceto, lo que proporciona un alto rendimiento y enantioselectividad. Sin embargo, en comparación con las hidrosililaciones de tipo Piers convencionales, las hidrosililaciones de tipo Piers asimétricas no están tan bien desarrolladas.
En el siguiente ejemplo, el alquenilborano quiral se forma in situ a partir de un diino quiral y el HB(C 6 F 5 ) 2 . La escisión heterolítica del enlace Si-H de PhMe 2 SiH por el catalizador FLP forma un complejo iónico de sililio e hidridoborato. [11]
La hidrogenación libre de metales de alquinos internos inactivados a cis -alquenos se logra fácilmente utilizando catalizadores basados en FLP. [12] Las condiciones para esta reacción fueron relativamente suaves utilizando 2 bares de H2 . En términos de mecanismo, el material alquino primero se hidrobora y luego el FLP resultante a base de vinilborano puede activar el dihidrógeno. Un paso de protodesborilación libera el producto cis -alqueno, que se obtiene mediante el proceso de sin -hidroborilación y la regeneración del catalizador. Si bien son activos para la hidrogenación de alquinos, los catalizadores basados en FLP no facilitan la hidrogenación de alquenos a alcanos.
La reacción es una sinhidroboración y, como resultado, se observa una alta selectividad cis. En la etapa final del ciclo catalítico, el grupo C 6 F 5 se escinde más fácilmente que un grupo alquilo, provocando la degradación del catalizador en lugar de la liberación de alcano. El ciclo catalítico tiene tres pasos:
Con los alquinos internos, se produce una reacción competitiva en la que el protón unido al nitrógeno se puede agregar a los fluorobencenos. Por tanto, esta adición no avanza tanto, la formación del alqueno parece favorecida.
Pero los alquinos terminales no se unen al boro mediante hidroboración sino mediante activación de CH. Por tanto, la adición del protón al alquino dará como resultado el alquino terminal inicial. Por lo tanto, este proceso de hidrogenación no es adecuado para alquinos terminales y solo dará pentafluorobenceno.
La hidrogenación libre de metales de alquinos terminales a los respectivos alquenos se logró recientemente utilizando un sistema basado en piridona borano. [13] Este sistema activa el hidrógeno fácilmente a temperatura ambiente produciendo un complejo de piridona borano. [14] La disociación de este complejo permite la hidroboración de un alquino por el borano libre. Tras la protodesborilación por la piridona libre se genera el alqueno cis . La hidrogenación de alquinos terminales es posible con este sistema, porque la activación del CH es reversible y compite con la activación del hidrógeno.
Los FLP de amina-borano catalizan la borilación de heterociclos aromáticos ricos en electrones (Esquema 1). [15] La reacción es impulsada por la liberación de hidrógeno mediante la activación de CH por el FLP. Las borilaciones aromáticas se utilizan a menudo en el desarrollo farmacéutico, particularmente debido a la abundancia, el bajo costo y la baja toxicidad de los compuestos de boro en comparación con los metales nobles.
El sustrato para la reacción tiene dos requisitos principales, fuertemente ligados al mecanismo de borilación. En primer lugar, el sustrato debe ser rico en electrones, como lo ejemplifica la ausencia de reacción con el tiofeno, mientras que sus derivados más ricos en electrones (metoxitiofeno y 3,4-etilendioxitiofeno ) pueden sufrir una reacción con el aminoborano. Además, la sustitución del 1-metilpirrol (que puede reaccionar) con el grupo tercbutiloxicarbonilo (Boc) fuertemente atractor de electrones en la posición 2 inhibe completamente la reacción. El segundo requisito es la ausencia de grupos amina básicos en el sustrato, que de otro modo formarían un aducto no deseado. Esto se puede ilustrar por la falta de reacción con el pirrol, mientras que tanto los derivados de 1-metilo como los de N-bencilpirrol son capaces de reaccionar.
Trabajos posteriores de los mismos autores revelaron que simplemente la piperidina como grupo amina R (a diferencia de la tetrametilpiperidina, en la foto de arriba) aceleraba la velocidad de la reacción. A través de estudios cinéticos y DFT, los autores propusieron que el paso de activación del CH era más fácil que con sustituyentes más grandes. [dieciséis]
La desaromatización también se puede lograr en condiciones similares pero usando N-tosil indoles. Se obtienen indolinas sinhidroboriladas . [17]
También se ha observado la borilación de enlaces SH en tioles mediante un proceso deshidrogenativo. Los alcoholes y aminas como el terc-butanol y la terc-butilamina forman productos estables que evitan la catálisis debido a un fuerte enlace π entre el par solitario del átomo N/O y el boro, mientras que no ocurre lo mismo con los tioles, lo que permite una catálisis exitosa. . Además, se ha logrado una borilación exitosa de enlaces Se-H. En todos los casos, la formación de gas H2 es una fuerte fuerza impulsora de las reacciones. [18]
La química FLP es conceptualmente relevante para la captura de carbono . [19] Se utilizó un FLP intermolecular (Esquema 1) e intramolecular (Esquema 2) compuesto por una fosfina y un borano para capturar y liberar selectivamente dióxido de carbono. Cuando una solución del FLP se cubrió con una atmósfera de CO2 a temperatura ambiente, el compuesto FLP-CO2 precipitó inmediatamente como un sólido blanco. [19] [20]
Calentar el compuesto intermolecular FLP-CO 2 en bromobenceno a 80 °C al vacío durante 5 horas provocó la liberación de aproximadamente la mitad del CO 2 y la regeneración de los dos componentes constituyentes del FLP. Después de varias horas más de estar a temperatura ambiente bajo vacío, se produjo la liberación total de CO2 y la regeneración de FLP . [19]
Por el contrario , el compuesto intramolecular FLP-CO 2 era estable como sólido a temperatura ambiente, pero se descomponía completamente a temperaturas superiores a -20 °C como una solución en diclorometano, liberando CO 2 y regenerando la molécula FLP. [19]
Este método de captura de carbono FLP se puede adaptar para funcionar en sistemas de química de flujo. [21]
![{\displaystyle {\ce {PCy3 + B(C6F5)3 + H2 -> [HPCy3]+ [HB(C6F5)3]-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3c7ea46199d1f74478288c7affc7bdd1fc964071)
