Borylace

Alkany mohou být selektivně borylovány na primárních vazbách C–H s využitím Cp*Rh(η⁴-C₆Me₆) jako katalyzátoru.[9]

Vysoká selektivita na primárních vazbách C–H se objevuje i tehdy, když jsou v hlavních řetězcích molekul substrátu přítomny heteroatomy. Rhodiem katalyzované borylace vazeb C–H v methylových skupinách jsou selektivní nezávisle na poloze heteroatomu. K borylaci dochází na nejméně stericky zatížené a na elektrony nejchudší primární vazbě C–H acetalů, etherů, aminů a alkylfluoridů.[10]

Při nepřítomnosti primárních vazeb C–H v molekule substrátu, například u cyklohexanu, k reakci nedochází.

Alifatická C–H borylce

Selektivita funkcionalizací primárních alkanových vazeb je způsobena tvorbou kineticky a termodynamicky výhodných primárních alkylkovových komplexů přes sekundární alkylkovové komplexy.[11]

Primární a sekundární alkylkovové komplexy

Větší stabilita primárního alkylkomplexu oproti sekundárnímu je dána několika faktory; Prvním je jeho sterická výhodnost, druhým to, že se na α-uhlících alkylkovových komplexů často nacházejí částečné záporné náboje a primární alkylové ligandy si drží částečné záporné náboje lépe než sekundární ligandy. Příčiny selektivity C–H borylací pomocí katalyzátorů založených na rhodiu byla zkoumána pomocí druhu mechanistické studie nazývané vodíko-deuteriová výměna. Ukázalo se, že regioselektivita procesu je způsobována přednostním štěpením primárních vazeb C–H a funkcionalizací primárního alkylkovového meziproduktu oproti sekundárnímu.[12]

Mechanismy alifatických C–H borylací

Syntetické možnosti borylací vazeb C–H bylo využito k modifikacím polymerů borylacemi a následnými oxidacemi za vzniku hydroxylových polymerů.[13]

C–H borylation of polyolefins

První případ katalytické borylace vazby C–H u neaktivovaného uhlovodíku (konkrétně benzenu) popsali Milton R. Smith a Carl N. Iverson; jako katalyzátor byl použit komplex Ir(Cp*)(H)(Bpin). Účinnost byla ovšem nízká, když se za 120 h při 150 °C podařilo provést pouze tři cykly.[14]

Později bylo vyvinuto několik vylepšení, které vedly k účinným borylacím arenů za vhodných podmínek. Aromatické C–H borylace rozvinuli John F. Hartwig a Išijama pomocí bis(pinacoláto)dibou, katalyzátory byly 4,4’-di-terc-butylbipyridin (dtbpy) a bis[(cyklooktadien]di-μ-methoxydiiridium.[15]

S tímto katalytickým systémem probíhaly borylace arenů s regioselektivitou řízenou stetrickými efekty použitých arenů. Selektivitu funkcionalizací aromatických vazeb C–H ovlivňuje pravidlo, že reakce neprobíhá v pozici ortho vůči substituentu, jestliže je dostupná vazba C–H, která nemá ortho substituent.[11] Pokud je přítomna pouze jedna funkční skupina, tak borylace probíhá do poloh meta a para v poměru 2:1. Ortho izomer nevzniká kvůli sterickým efektům vytvářeným substituentem.[16]

Meta-para borylace

Adice Bpin probíhá u symetricky 1,2- a 1,4-substituovaných arenů pouze do jedné pozice. Symetricky i nesymetricky 1,3-substituované areny se také borylují selektivně, protože je stericky dostupná jen jedna vazba C–H.

Stericky řízená iridiem katalyzovaná C–H borylace

Tímto se reakce liší od elektrofilních aromatických substitucí, kde regioselektivitu řídí elektronové efekty.[17]

Regioselektivita C–H borylací arenů a elektrofilních aromatických substitucí

Níže je zobrazeno syntetické využití C–H borylace arenů, kdy je možné převést 1,3-disubstituované aromatické sloučeniny přímo na 1,3,5-organoborité molekuly a následně je funkcionalizovat.[15]

Meta-funkcionalizace arenů s využitím C–H borylace

Aromatické funkcionalizace vazeb C–H byly využity při totální syntéze plavuňového alkaloidu komplanadinu A, posilujícího expresi mRNA nervového růstového faktoru a jeho tvorbu v lidských neurogliových buňkách. Přírodní látky podporující růst nových nervových sítí jsou předmětem zájmu co se týče léčby nemocí, jako je Alzheimerova choroba.[18] Komplanadin A byl připraven kombinací přímé aromatické C–H borylace a Suzukiovy reakce, po které následovalo odštěpení terc-butyloxykarbonylové chránicí skupiny.

Synthéza komplanadinu A

I heteroareny mohou být borylovány s využitím iridiových katalyzátorů, ovšem elektronové efekty zde způsobují vedlejší selektivitu, kde furany, pyrroly a thiofeny reagují na C–H vazbách v polohách alfa oproti heteroatomům. Tato selektivita je pravděpodobně způsobena tím, že jde o nejkyselejší, a tedy i nejreaktivnější, vazby C–H.[11]

C–H borylace heteroaromatických sloučenin

Stejný katalytický systém může být použit k dosažení regioselektivity bez využití substituentů, T. A. Boebel a J. F. Hartwig například provedli ortho-borylaci, při které dimethylhydrosilylové řídicí skupiny vstupují do iridiem katalyzovaných borylací vazeb C–H do polohy ortho oproti silanovým skupinám.[19] Selektivita v pozici ortho při použití hydrosilylových skupin se připisuje zpětné adici vazby Si-H na kovové centrum, jež vede k přednostnímu štěpení vazby C–H v poloze ortho vůči hydrosilylovému substituentu. Bylo vyvinuto i několik dalších postupů ortho-borylace arenů zahrnujících jiné řídicí skupiny.[20][21][22]

Využití řídicích skupoin při selektivní ortho borylaci

K usnadnění vysvětlení mechanismů C–H borylačních reakcí u arenů a heteroarenů byl použit trisboryliridiový komplex. Kineticlými studiemi studies a pomocí izotopového značkování bylo zjištěno, že s arenem v katalytickém procesu reaguje triborylový komplex iriditého kationtu.[23]

Níže je zobrazena varianta katalytického cyklu pro orthoborylaci hydrosilanů. Z kinetických dat vyplývá, že pozorovaný trisborylový komplex se koordinuje s cyklooktenem a zvratně se disociuje na šestnáctielektronový komplex. Jako řídicí skupina zde byl použit benzyldimethylsilan, o kterém se předpokládá, že reaguje s trisboryliriditým katalyzátorem skrze zvratnou adici vazby Si-H na kovové centrum, po níž následuje selektivní ortho-C–H aktivace přes oxidační adici a redukční eliminaci.[24]

Mechanismus borylace pomocí hydrosilanu

Metaselektivní C–H borylace je významným syntetickým postupem, objeveným v roce 2002. Tyto reakce jsou ovšem zcela stericky řízené a mohou probíhat jen u 1,3-disubstituovaných benzenů. Přibližně o 12 let dříve byla provedena metaselektivní aktivace vazeb C–H a následná borylace. Za použití stejného substrátu je možné změnit poziční selektivitu použitím jiného ligandu. Byly navrženy dvě příčiny metaselektivity, elektrostatické interakce a sekundární interakce mezi atomy boru a dusíku.[25]

Ve stejné době skupina vědců z Japonska popsala mechanismus metaselektivní borylace založený na sekundárních interakcích. Tento mechanismus odpovídá borylacím mnoha různých karbonylových sloučenin.[26]

V roce 1981 byla objevena asymetrická redukce prochirálních aromatických ketonů chirálními aminoalkoholy a boranem za vzniku příslušných sekundárních alkoholů s  60procentním enantiomerním přebytkem. Chirální aminoalkoholy reagují s boranem za tvorby aloxylaminoboranových komplexů. Komplexy obsahují poměrně nereaktivní pětičlenný kruh, který jim dodává tepelnou a hydrolytickou stabilitu a rozpustnost v řadě protických i aprotických rozpouštědel.[27]

V roce 1987 Elias James Corey popsal tvorbu oxazaborolidinů z boranu a chirálních aminoalkoholů a zjistil, že oxazaborolidiny mohou katalyzovat rychlé a velmi enantioselektivní redukce prochirálních ketonů za přítomnosti BH₃THF. Tato reakce bývá nazývána Coreyova–Itsunova redukce.[28][29]

Coreyova–Itsunova redukce

V roce 1977 popsal M. M. Midland se svými spolupracovníky přípravu B-3-alfa-pinanyl-9-borabicyklo [3,3,1]nonanu hydroborací (+)-alfa-pinenu pomocí 9-borabicyklo[3,3,1] nonanu (9-BBN) ajeho využití k redukci benzaldehydu-alfa-d na (S)-(+)-benzyl-alfa-d-alkohol kvantitativní asymetrickou indukcí.[30]

Midlandova redukce

Ve stejném roce M. M. Midland zjistil, že lze jako redukční činidlo použít B-3-alfa-pinanyl-9-BBN, snadno dostupný pomocí reakce (+)-alfa-pinenu s 9-BBN.[31]

V roce 2012 oznámil U. R. Y. Venkateswarlu se spolupracovníky stereoselektivní přípravu pektinolidu zahrnující tvorbu trojice chirálních center na C–4’, C–5 a C–1’ Midlandovu redukci a Sharplessovu dihydroxylaci.[32]

Využití Midlandovy redukce

Roku 1993 oznámili Nicos A. Petasis a Irini Akritopoulou objev účinné syntézy allylaminů pomocí pozměněné Mannichovy reakce. Zjistili, že vinylboronové kyseliny se mohou jako nukleofily účastnit reakcí, při kterých vznikají geometricky čisté allylaminy. Tato upravená Mannichova reakce je nazývána Petasisova-Mannichova reakce boronových kyselin nebo, zkráceně, Petasisova reakce.[33][34]

Petasisova reakce

V roce 1978 popsali R. W. Hoffmann a T. Herold enantioselektivní syntézu sekundárních homoallylových alkoholů přes chirální neracemické allylboronové estery. Homoallylové alkoholy se tvořily s velmi dobrou výtěžností a středně velkou enantioselektivitou.[35]

Roushova asymetrická allylace

V roce 1985 W. R. Roush zjistil, že allylboronáty s navázanými tartarátovými skupinami je možné snadno použít k řízení faciální selektivity reakcí chirálních a nechirálních aldehydů. Později tento postup rozšířil na přípravu but-2-en-1,4-diolů a anti-diolů. Tato reakce je známa jako Rouchova asymetrická allylace.[36][37][38][39]

Roushova asymetrická allylace 2

Roku 2011 provedli R. A. Fernandes a P. Kattanguru vylepšenou totální syntézu (8S, 11R, 12R)- a (8R, 11R, 12R)-diastereomerů topsentolidu B2, skládající se z osmi kroků. Jedním z kroků byla diastereoselektivní Roushova allylace.[40]

Využití Roushovy allylace

V roce 1979 oznámili N. Miyaura a A. Suzuki přípravu (E)-alkenů s vysokou výtěžností z arylhalogenidů a alkyl-1-enylboranů katalyzovanou tetrakis(trifenylfosfin)palladiem a zásadami. Poté A. Suzuki se svými spolupracovníky rozšířil tento druh reakcí nba ostatní organoborité sloučeniny a zvětšil také okruh použitelných alkenyl, aryl a alkylhalogenidů a triflátů. Paladiem katalyzované reakce organoboitých sloučenin s organohalogenidy vytvářející vazby uhlík-uhlík jsou známy jako Suzukiovy reakce.[41][42]

Suzukiova reakce

V roce 2013 určil Joachim Podlech strukturu mykotoxinu kyseliny altenuové pomocí NMR spektroskopie a provedl jeho totální syntézu. Součástí syntézy byla Suzukiova reakce, na níž byly použity vysoce funkcionalizovaný boronát a butenolidy.[43]

Využití Suzukiovy reakce

V roce 1904 zjistil Fritz Ullmann, že použití práškové mědi výrazně usnadňuje reakce arylhalogenidů s fenoly za tvorby biaryletherů; tato reakce se nazývá Ullmannova kondenzace. Roku 1906 rozšířil možnosti Ulmannovy kondenzace na syntézu arylaminů reakcemi arylhalogenidů s amidy za přítomnosti uhličitanu draselného a jodidu měďného; tato varianta se nazývá Goldbergova modifikace Ullmannovy kondenzace.[44]

V roce 2003 popsali R. A. Batey a T. D. Quach obměnu tohoto druhu reakcí, kde reagují organotrifluorboritanové draselné soli s alifatickými alkoholy, alifatickými aminy nebo s aniliny za vzniku aryletherů či arylaminů.[45][46]

Pozměněná Ullmannova syntéza biaryletherů a biarylaminů

• Organoborité sloučeniny
• Coreyova–Itsunova redukce
• Midlandova redukce
• Petasisova reakce
• Suzukiova reakce

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Borylation na anglické Wikipedii.