Un par de Lewis frustrado ( FLP ) es un compuesto o mezcla que contiene un ácido de Lewis y una base de Lewis que, debido a un impedimento estérico , no pueden 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 dividen el H2 [ 4] desencadenó un rápido crecimiento de la investigación sobre los FLP. Debido a su reactividad "no extinguida", estos sistemas son reactivos hacia sustratos que pueden sufrir heterolisis . Por ejemplo, muchos FLP dividen moléculas de hidrógeno . Por lo tanto, una mezcla de triciclohexilfosfina (PCy3 ) 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 por coordinación.
El descubrimiento de que algunos FLP son capaces de dividir y, por lo tanto, activar el H2 [ 4] desencadenó un rápido crecimiento de la investigación en esta área. La activación y, por lo tanto, el uso del H2 es importante para muchas transformaciones químicas y biológicas. El uso de FLP para liberar H2 no requiere metales, lo que resulta beneficioso debido al coste y al suministro limitado de algunos metales de transición que se utilizan habitualmente para activar el H2 ( Ni, Pd, Pt). [6] Los sistemas FLP son reactivos frente a sustratos que pueden sufrir heterólisis (por ejemplo, hidrógeno) debido a la reactividad "no extinguida" de dichos sistemas. Por ejemplo, se ha demostrado anteriormente que una mezcla de triciclohexilfosfina (PCy3 ) y tris(pentafluorofenil)borano reacciona con H2 para dar los iones fosfonio y borato respectivos:
En esta reacción, el PCy3 ( la base de Lewis) y el B(C6F5 ) 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 pueden ser "entregados" posteriormente a un sustrato orgánico, lo que da como resultado la hidrogenación .
El mecanismo de activación de H2 por FLP se ha analizado tanto en el caso intermolecular como en el intramolecular. En el caso de FLP intermoleculares, la base de Lewis es una molécula separada del ácido de Lewis. Se cree que estas moléculas individuales interactúan a través de interacciones de dispersión de London secundarias para unir la base y el ácido de Lewis (un efecto preorganizacional), donde las moléculas pequeñas pueden interactuar con los FLP. La evidencia experimental de este tipo de interacción a nivel molecular no está clara. Sin embargo, hay evidencia que respalda este tipo de interacción basada en estudios computacionales de teoría funcional de la densidad . En el caso de FLP intramoleculares, el ácido de Lewis y la base de Lewis se combinan en una molécula mediante un enlace covalente. A pesar de los "efectos preorganizacionales" mejorados, se cree que los marcos rígidos de FLP intramoleculares tienen una reactividad reducida a las moléculas pequeñas debido a una reducción de la flexibilidad.
Las FLP también reaccionan con muchos sustratos insaturados además del H 2 . Algunas FLP reaccionan con el CO 2 , específicamente en la reducción desoxigenativa del CO 2 a metano. [7]
El eteno también reacciona con los FLP: [8]
El hecho de que los pares ácido-base se comporten tanto nucleofílicamente como electrofílicamente al mismo tiempo ofrece un método para la apertura del anillo de éteres cíclicos como THF, 2,5-dihidrofurano, cumarano 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 se pueden efectuar mediante reacciones catalizadas por metales. La hidrogenación catalítica sin 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 el catalizador de metal de alto costo.
Se propone que el mecanismo de reducción de la imina implica la protonación en el nitrógeno, lo que da lugar a la sal de iminio. La basicidad del centro de nitrógeno determina la velocidad de reacción. Las iminas más ricas en electrones se reducen a velocidades más rápidas que las iminas pobres en electrones. El centro de iminio resultante sufre un ataque nucleofílico por parte del anión borohidruro para formar la amina. Las aminas pequeñas se unen al borano, lo que extingue las reacciones posteriores. Este problema se puede superar utilizando varios métodos: 1) Aplicación de temperaturas elevadas 2) Utilización de sustituyentes de imina estéricamente voluminosos 3) Protección de la imina con el grupo B(C 6 F 5 ) 3 , que también sirve como promotor de ácido de Lewis. [10]
Un ácido Lewis boronato quiral derivado del (1 R )-( + )-alcanfor forma un par Lewis frustrado con t Bu 3 P, que se puede aislar como sal. Este FLP cataliza la hidrogenación enantioselectiva de algunas aril iminas con un alto rendimiento pero un ee modesto (hasta 83%).
Aunque conceptualmente es 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 de amina . Las iminas sustituidas con metoxilo muestran un rendimiento y un ee superiores . [10]
Los pares de Lewis frustrados de alquenilboranos y fosfinas quirales son beneficiosos para las hidrosililaciones asimétricas de tipo Piers de compuestos 1,2-dicarbonílicos y alfa-cetoésteres, lo que da lugar a un alto rendimiento y enantioselectividad. Sin embargo, en comparación con las hidrosililaciones convencionales de tipo Piers, las hidrosililaciones asimétricas de tipo Piers 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 sin metales de alquinos internos no activados a cis -alquenos se logra fácilmente utilizando catalizadores basados en FLP. [12] Las condiciones para esta reacción fueron relativamente suaves utilizando 2 bar de H2 . En términos del mecanismo, el material alquino primero se hidrobora y luego el FLP basado en vinilborano resultante puede activar el dihidrógeno. Un paso de protodesborilación libera el producto cis -alqueno, que se obtiene debido al proceso de sin -hidroborilación y regenerando el 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 hidroboración sin y, como resultado, se observa una selectividad cis elevada. En la etapa final del ciclo catalítico, el grupo C 6 F 5 se escinde con mayor facilidad que un grupo alquilo, lo que provoca la degradación del catalizador en lugar de la liberación de alcanos. El ciclo catalítico consta de tres pasos:
En los alquinos internos se produce una reacción competitiva en la que el protón unido al nitrógeno puede añadirse a los fluorobencenos, por lo que esta adición no avanza tanto y parece favorecerse la formación del alqueno.
Pero los alquinos terminales no se unen al boro mediante hidroboración, sino mediante la activación del CH. Por lo 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 los alquinos terminales y solo dará pentafluorobenceno.
Recientemente se logró la hidrogenación sin metales de alquinos terminales para formar los alquenos respectivos utilizando un sistema basado en piridona-borano. [13] Este sistema activa el hidrógeno fácilmente a temperatura ambiente, lo que produce 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 de 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 a través de la activación de CH por el FLP. Las borilaciones aromáticas se utilizan a menudo en el desarrollo farmacéutico, en particular 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 vinculados al mecanismo de borilación. Primero, el sustrato debe ser rico en electrones, ejemplificado por la ausencia de una reacción con tiofeno, mientras que sus derivados más ricos en electrones - metoxitiofeno y 3,4-etilendioxitiofeno - pueden experimentar una reacción con el aminoborano. Además, la sustitución del 1-metilpirrol (que puede reaccionar) con el grupo terc-butiloxicarbonilo (Boc) fuertemente atractor de electrones en la posición 2 inhibe completamente la reacción. El segundo requisito es la ausencia de grupos amino básicos en el sustrato, que de otra manera formarían un aducto no deseado. Esto puede ilustrarse por la falta de una reacción con pirrol, mientras que tanto los derivados 1-metil como N-bencilpirrol pueden reaccionar.
Trabajos posteriores de los mismos autores revelaron que la piperidina como grupo amino R (en contraposición a la tetrametilpiperidina, en la imagen de arriba) aceleraba la velocidad de la reacción. Mediante estudios cinéticos y de DFT, los autores propusieron que el paso de activación del CH era más fácil que con sustituyentes más grandes. [16]
La desaromatización también se puede lograr en condiciones similares pero utilizando indoles N-tosílicos. Se obtienen indolinas sin -hidroboriladas. [17]
También se ha observado la borilación de enlaces SH en tioles mediante un proceso deshidrogenativo. Los alcoholes y las aminas, como el terc-butanol y la terc-butilamina, forman productos estables que impiden 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 la 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 de FLP es conceptualmente relevante para la captura de carbono . [19] Se utilizaron tanto un FLP intermolecular (Esquema 1) como un FLP intramolecular (Esquema 2) que consiste en una fosfina y un borano para capturar y liberar selectivamente dióxido de carbono. Cuando una solución del FLP se cubrió con una atmósfera de CO 2 a temperatura ambiente, el compuesto FLP-CO 2 precipitó inmediatamente como un sólido blanco. [19] [20]
El calentamiento del compuesto intermolecular FLP-CO2 en bromobenceno a 80 °C al vacío durante 5 horas provocó la liberación de aproximadamente la mitad del CO2 y la regeneración de los dos componentes constituyentes del FLP. Después de varias horas más de reposo a temperatura ambiente al vacío, se produjo la liberación total del CO2 y la regeneración del 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 de FLP. [19]
Este método de captura de carbono FLP se puede adaptar para funcionar en sistemas de química de flujo. [21]
Los pares de radicales frustrados (FRP) pueden resultar de una transferencia de un solo electrón entre la base de Lewis y el ácido de Lewis (a veces después de la fotoactivación). Pueden estudiarse mediante espectroscopia EPR .
Se han propuesto los FRP como intermediarios de algunas reacciones de los FLP, como la activación del dihidrógeno. Estos mecanismos se han rechazado posteriormente porque la concentración de pares de radicales frustrados debido a la transferencia espontánea de un solo electrón entre los FLP es insignificante, lo que se puede deducir del potencial de oxidación de la base de Lewis y del potencial de reducción del ácido de Lewis.
Los pares de radicales frustrados pueden tener aplicaciones sintéticas en la activación homolítica de enlaces químicos, por ejemplo, en la funcionalización del enlace CH . [22]
