stringtranslate.com

Борная кислота

Общая структура бороновой кислоты, где R — заместитель .

Бороновая кислота — это органическое соединение, родственное борной кислоте ( B(OH) 3 ), в котором одна из трех гидроксильных групп ( −OH ) заменена алкильной или арильной группой (представленной R в общей формуле R−B(OH) 2 ). [1] Как соединение, содержащее связь углерод-бор , члены этого класса, таким образом, относятся к более широкому классу органоборанов .

Бороновые кислоты действуют как кислоты Льюиса . Их уникальная особенность заключается в том, что они способны образовывать обратимые ковалентные комплексы с сахарами , аминокислотами , гидроксамовыми кислотами и т. д. (молекулы с вицинальными , (1,2) или иногда (1,3) замещенными донорами оснований Льюиса ( спирт , амин , карбоксилат)). P K a бороновой кислоты составляет ~9, но они могут образовывать тетраэдрические боронатные комплексы с p K a ~7. Иногда их используют в области молекулярного распознавания для связывания с сахаридами для флуоресцентного обнаружения или селективного транспорта сахаридов через мембраны.

Борные кислоты широко используются в органической химии в качестве химических строительных блоков и промежуточных продуктов, в основном в реакции Сузуки . Ключевой концепцией в ее химии является трансметаллирование ее органического остатка в переходный металл.

Соединение бортезомиб с группой бороновой кислоты является лекарственным средством, используемым в химиотерапии . Атом бора в этой молекуле является ключевой подструктурой, поскольку посредством него блокируются определенные протеасомы , которые в противном случае разрушали бы белки. Известно, что бороновые кислоты связываются с активными серинами и являются частью ингибиторов свиной панкреатической липазы , [2] субтилизина [3] и протеазы Kex2 . [4] Кроме того, производные бороновой кислоты составляют класс ингибиторов человеческой ацил-протеинтиоэстеразы 1 и 2, которые являются мишенями противораковых препаратов в цикле Ras . [5]

Структура и синтез

В 1860 году Эдвард Франкленд первым сообщил о получении и выделении бороновой кислоты. Этилбороновая кислота была синтезирована двухстадийным процессом. Сначала диэтилцинк и триэтилборат реагировали, образуя триэтилборан . Затем это соединение окислялось на воздухе, образуя этилбороновую кислоту. [6] [7] [8] В настоящее время широко используются несколько синтетических путей, и многие устойчивые на воздухе бороновые кислоты имеются в продаже.

Борные кислоты обычно имеют высокие температуры плавления. Они склонны образовывать ангидриды путем потери молекул воды, как правило, с образованием циклических тримеров .

Синтез

Борные кислоты можно получить несколькими способами. Наиболее распространенным способом является реакция металлоорганических соединений на основе лития или магния ( реактор Гриньяра ) с эфирами борной кислоты . [9] [10] [11] [12] Например, фенилбороновую кислоту получают из бромида фенилмагния и триметилбората с последующим гидролизом [13]

PhMgBr + B(OMe) 3 → PhB(OMe) 2 + MeOMgBr
PhB(OMe) 2 + 2H2O → PhB(OH) 2 + 2MeOH

Другой метод — реакция арилсилана ( RSiR 3 ) с трибромидом бора (BBr 3 ) в трансметаллировании до RBBr 2 с последующим кислотным гидролизом.

Третий метод — катализируемая палладием реакция арилгалогенидов и трифлатов с диборониловыми эфирами в реакции сочетания, известной как реакция борилирования Мияуры . Альтернативой эфирам в этом методе является использование дибороновой кислоты или тетрагидроксидибора ([B(OH 2 )] 2 ). [14] [15] [16]

Эфиры борной кислоты (также называемые эфирами борной кислоты)

Эфиры борной кислоты — это сложные эфиры, образованные бороновой кислотой и спиртом.

Соединения могут быть получены из эфиров борной кислоты [17] путем конденсации со спиртами и диолами . Фенилбороновая кислота может быть самоконденсирована в циклический тример, называемый трифенилангидридом или трифенилбороксином. [18]

Соединения с 5-членными циклическими структурами, содержащими связь C–O–B–O–C, называются диоксабороланами , а соединения с 6-членными кольцами — диоксаборинанами .

Приложения органической химии

реакция сцепления Сузуки

Борные кислоты используются в органической химии в реакции Сузуки . В этой реакции атом бора обменивается своей арильной группой с алкоксильной группой палладия.

Сочетание Чана–Лама

В реакции Чана–Лэма алкил-, алкенил- или арилбороновая кислота реагирует с соединением, содержащим N–H или O–H, с Cu(II), таким как ацетат меди(II) , и кислородом , а также основанием, таким как пиридин [19] [20], образуя новую связь углерод–азот или связь углерод–кислород, например, в этой реакции 2-пиридона с транс -1-гексенилбороновой кислотой:

Сочетание Чана–Лама

Последовательность механизма реакции : депротонирование амина , координация амина с медью(II), трансметаллирование (перенос алкилборной группы на медь и ацетатной группы меди на бор), окисление Cu(II) до Cu(III) кислородом и, наконец, восстановительное элиминирование Cu(III) до Cu(I) с образованием продукта. В каталитических системах кислород также регенерирует катализатор Cu(II).

Связь Либескинда–Срогля

В реакции Либескинда-Срогля тиоловый эфир соединяется с бороновой кислотой с образованием кетона .

Сопряженное сложение

Органический остаток борной кислоты является нуклеофилом в сопряженном присоединении также в сочетании с металлом. В одном исследовании пинаколовый эфир аллилборной кислоты реагирует с дибензилиденацетоном в таком сопряженном присоединении: [21]

Бороновые кислоты в сопряженном присоединении
Каталитической системой в этой реакции является трис(дибензилиденацетон)дипалладий(0) / трициклогексилфосфин .

Другое сопряженное присоединение – это присоединение грамина с фенилбороновой кислотой, катализируемое димером циклооктадиенродийхлорида : [22]

Реакция Грамина с фенилбороновой кислотой

Окисление

Эфиры борной кислоты окисляются до соответствующих спиртов с помощью основания и перекиси водорода (например, см.: карбеноид ).

Омологация

В этой реакции дихлорметиллитий преобразует бороновый эфир в боронат. Затем кислота Льюиса вызывает перегруппировку алкильной группы с замещением группы хлора. Наконец, металлоорганический реагент, такой как реагент Гриньяра, эффективно замещает второй атом хлора, что приводит к вставке группы RCH 2 в связь CB. Другая реакция, в которой происходит миграция боронатного алкила, — это реакция Петазиса .

Электрофильные аллильные сдвиги

Аллилбороновые эфиры участвуют в электрофильных аллильных сдвигах, очень похожих на кремниевые кулоны в реакции Сакураи . В одном исследовании реагент диаллилирования объединяет оба [24] [примечание 1] :

Двойной аллилирующий реагент на основе эфира бороновой кислоты

Гидролиз

Гидролиз бороновых эфиров обратно в бороновую кислоту и спирт может быть осуществлен в определенных системах с тионилхлоридом и пиридином . [25] Арилбороновые кислоты или эфиры могут быть гидролизованы в соответствующие фенолы путем реакции с гидроксиламином при комнатной температуре. [26]

Реакции связи C–H

Диборное соединение бис(пинаколато)дибор [27] реагирует с ароматическими гетероциклами [28] или простыми аренами [29] с образованием арилборонатного эфира с иридиевым катализатором [IrCl(COD)] 2 (модификация катализатора Крэбтри ) и основанием 4,4′-ди-трет-бутил-2,2′-бипиридином в реакции сочетания CH , например, с бензолом :

Активация иридия CH Мияура Хартвиг ​​2003

В одной из модификаций арен реагирует, используя только стехиометрический эквивалент, а не большой избыток, используя более дешевый пинаколборан : [30]

Иридий Арен Борилирование Мияура Хартвиг ​​2005

В отличие от обычного электрофильного ароматического замещения (EAS), где доминируют электронные эффекты , региоселективность в этом типе реакции определяется исключительно стерическим объемом иридиевого комплекса. Это используется в мета-бромировании м- ксилола , которое по стандарту AES дало бы орто-продукт: [31] [примечание 2]

Метагалогенирование Арилборилирование Мерфи 2007

Протонолиз

Протодеборирование — это химическая реакция, включающая протонолиз бороновой кислоты (или другого органоборанового соединения), в которой связь углерод-бор разрывается и заменяется связью углерод-водород. Протодеборирование — это хорошо известная нежелательная побочная реакция , часто связанная с реакциями сочетания, катализируемыми металлами , в которых используются бороновые кислоты (см. Реакция Сузуки ). Для данной бороновой кислоты склонность к протодеборированию сильно варьируется и зависит от различных факторов, таких как используемые условия реакции и органический заместитель бороновой кислоты:

Простое протодеборирование в кислой среде
Простое протодеборирование в кислой среде

Супрамолекулярная химия

Распознавание сахарида

Пример флуоресцентного комплекса дибороновой кислоты и винной кислоты [32]

Ковалентное парное взаимодействие между бороновыми кислотами и гидроксильными группами , обнаруженное в спиртах и ​​кислотах, является быстрым и обратимым в водных растворах . Равновесие, установленное между бороновыми кислотами и гидроксильными группами, присутствующими на сахаридах, было успешно использовано для разработки ряда сенсоров для сахаридов. [33] Одно из ключевых преимуществ этой динамической ковалентной стратегии [34] заключается в способности бороновых кислот преодолевать проблему связывания нейтральных видов в водной среде. При правильной организации введение третичного амина в эти супрамолекулярные системы позволит связыванию происходить при физиологическом pH и позволит сигнальным механизмам, таким как фотоиндуцированный перенос электронов , опосредованный флуоресцентной эмиссией, сообщать о событии связывания.

Потенциальные приложения для этого исследования включают системы мониторинга уровня глюкозы в крови , помогающие контролировать сахарный диабет. Поскольку датчики используют оптический отклик, мониторинг может быть достигнут с использованием минимально инвазивных методов, одним из таких примеров является исследование контактной линзы , которая содержит сенсорную молекулу на основе бороновой кислоты для определения уровня глюкозы в глазных жидкостях . [35]

Безопасность

Некоторые обычно используемые бороновые кислоты и их производные дают положительный тест Эймса и действуют как химические мутагены . Механизм мутагенности, как полагают, включает генерацию органических радикалов посредством окисления бороновой кислоты кислородом воздуха. [36]


Примечания

  1. ^ В этой последовательности сдвиг аллилового эфира бороновой кислоты катализируется трифторидом бора . На втором этапе гидроксильная группа активируется как уходящая группа путем преобразования в трифлат трифторангидридом с помощью 2,6-лутидина . Конечный продукт — винилциклопропан . Примечание: ee обозначает энантиомерный избыток
  2. ^ In situ вторая стадия реакции эфира борной кислоты с бромидом меди(II)

Ссылки

  1. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «Бороновые кислоты». doi :10.1351/goldbook.B00714
  2. ^ Garner, CW (10 июня 1980 г.). «Бороновая кислота — ингибиторы свиной панкреатической липазы». Журнал биологической химии . 255 (11): 5064–5068. doi : 10.1016/S0021-9258(19)70749-2 . ISSN  0021-9258. PMID  7372625.
  3. ^ Линдквист, Р. Н.; Терри, К. (январь 1974 г.). «Ингибирование субтилизина бороновыми кислотами, потенциальными аналогами тетраэдрических промежуточных продуктов реакции». Архивы биохимии и биофизики . 160 (1): 135–144. doi :10.1016/s0003-9861(74)80018-4. ISSN  0003-9861. PMID  4364061.
  4. ^ Холиоук, Тодд; Уилсон, Марк А.; Фенн, Тимоти Д.; Кеттнер, Чарльз А.; Пецко, Грегори А.; Фуллер, Роберт С.; Ринге, Дагмар (10 июня 2003 г.). "2.4 Кристаллическая структура прототипической гормон-процессирующей протеазы Kex2 в комплексе с ингибитором борной кислоты Ala-Lys-Arg". Биохимия . 42 (22): 6709–6718. doi :10.1021/bi034434t. ISSN  0006-2960. PMID  12779325.
  5. ^ Циммерманн, Тобиас Дж.; Бюргер, Марко; Таширо, Эцу; Кондо, Ясумицу; Мартинес, Нэнси Э.; Гёрмер, Кристина; Розин-Штайнер, Сигрид; Симидзу, Такеши; Одзаки, Шойчиро (2 января 2013 г.). «Ингибиторы ацилпротеинтиоэстеразы 1 и 2 на основе бора». ХимБиоХим . 14 (1): 115–122. дои : 10.1002/cbic.201200571. ISSN  1439-7633. PMID  23239555. S2CID  205557212.
  6. ^ Франкленд, Э.; Дуппа, Б.Ф. (1860). «Vorläufige Notiz über Boräthyl». Юстус Либигс Энн. хим. 115 (3): 319. doi :10.1002/jlac.18601150324.
  7. ^ Франкленд, Э.; Дуппа, Б. (1860). «О борном этиде». Труды Королевского общества . 10 : 568–570. doi : 10.1098/rspl.1859.0112 .
  8. ^ Франкленд, Э. (1862). «О новой серии органических соединений, содержащих бор». J. Chem. Soc. 15 : 363–381. Bibcode :1862RSPT..152..167F. doi :10.1039/JS8621500363.
  9. ^ Деннис Г. Холл, ред. (2005). Бороновые кислоты . Wiley. ISBN 978-3-527-30991-7.
  10. ^ Пример: Кристенсен, Йеспер Ланггаард; Лисен, Мортен; Ведсё, Пер; Бегтруп, Микаэль (2005). "Синтез орто- замещенных арилбороновых эфиров путем in situ захвата нестабильных литиевых промежуточных продуктов: этиловый эфир 2-(5,5-диметил-1,3,2-диоксаборинан-2-ил)бензойной кислоты". Органические синтезы . 81 : 134; Собранные тома , т. 11, стр. 1015 prep= v81p0134.
  11. ^ Пример: Ли, Вэньцзе; Нельсон, Дориан П.; Дженсен, Марк С.; Скотт Хёрнер, Р.; Кай, Донгвэй; Ларсен, Роберт Д. (2005). "Синтез 3-пиридилбороновой кислоты и ее пинаколового эфира. Применение 3-пиридилбороновой кислоты в реакции Сузуки для получения 3-пиридин-3-илхинолина". Органические синтезы . 81 : 89; Собрание томов , т. 11, стр. 393.
  12. ^ Шаретт, Андре Б.; Лебель, Элен (1999). «(2S,3S)-(+)-(3-Фенилциклопропил)метанол». Органические синтезы . 76 : 86; Собрание томов , т. 10, стр. 613.
  13. ^ Washburn, Robert M.; Levens, Ernest; Albright, Charles F.; Billig, Franklin A. (1959). "Бензолбороновый ангидрид". Органические синтезы . 39 : 3; Собрание томов , т. 4, стр. 68.
  14. ^ Пиларски, Лукаш Т.; Сабо, Кальман Дж. (2011). «Палладий-катализируемый прямой синтез борорганических кислот». Angewandte Chemie, международное издание . 50 (36): 8230–8232. дои : 10.1002/anie.201102384. ПМИД  21721088.
  15. ^ Моландер, Гэри А.; Трайс, Сара Л. Дж.; Дреер, Спенсер Д. (2010). «Прямой синтез бороновой кислоты из арилхлоридов, катализируемый палладием: упрощенный путь к различным производным эфира бороната». Журнал Американского химического общества . 132 (50): 17701–17703. doi :10.1021/ja1089759. PMC 3075417. PMID  21105666 . 
  16. ^ Ишияма, Тацуо; Мурата, Мики; Мияура, Норио (1 ноября 1995 г.). «Реакция кросс-сочетания алкоксидибора с галогенаренами, катализируемая палладием (0): прямая процедура для арилбороновых эфиров». Журнал органической химии . 60 (23): 7508–7510. doi :10.1021/jo00128a024. S2CID  98029876.
  17. ^ Кидвелл, Р. Л.; Мерфи, М.; Дарлинг, С. Д. (1969). «Фенолы: 6-метокси-2-нафтол». Органические синтезы . 49 : 90; Собрание томов , т. 5, стр. 918.
  18. ^ Washburn, Robert M.; Levens, Ernest; Albright, Charles F.; Billig, Franklin A. (1959). "Бензолбороновый ангидрид". Органические синтезы . 39 : 3; Собрание томов , т. 4, стр. 68.
  19. ^ Чан, Доминик МТ (2003). «Медь способствовала перекрестному связыванию связей C–N и C–O с фенил- и пиридилборонатами». Tetrahedron Letters . 44 (19): 3863–3865. doi :10.1016/S0040-4039(03)00739-1.
  20. ^ Лэм, Патрик YS (2003). «Кросс-сочетание связей C–N и C–O, катализируемое медью, с винилбороновой кислотой и его полезность». Tetrahedron Letters . 44 (26): 4927–4931. doi :10.1016/S0040-4039(03)01037-2.
  21. ^ Sieber, Joshua D. (2007). «Каталитическое сопряженное присоединение аллильных групп к активированным стирилом енонам». Журнал Американского химического общества . 129 (8): 2214–2215. CiteSeerX 10.1.1.624.3153 . doi :10.1021/ja067878w. PMID  17266312. 
  22. ^ Габриэла (2007). «Бензильное замещение граминов борными кислотами и родиевыми или иридиевыми катализаторами †». Organic Letters . 9 (6): 961–964. doi :10.1021/ol063042m. PMID  17305348.
  23. ^ Мэттесон, Дональд С. (1986). «99% хирально селективный синтез через пинандиолбороновые эфиры: феромоны насекомых, диолы и аминоспирт». Журнал Американского химического общества . 108 (4): 810–819. doi :10.1021/ja00264a039.
  24. ^ Пэн, Фэн (2007). «Простые, стабильные и универсальные реагенты двойного аллилирования для стереоселективного получения скелетно-разнородных соединений». Журнал Американского химического общества . 129 (11): 3070–3071. doi :10.1021/ja068985t. PMID  17315879.
  25. ^ Мэттесон, Дональд С. (2003). «Новые асимметричные синтезы с бороновыми эфирами и фторборанами» (PDF) . Pure Appl. Chem . 75 (9): 1249–1253. doi :10.1351/pac200375091249. S2CID  15944330.
  26. ^ Кианмер, Эбрахим; Яхьяи, Марьям; Табатабай, Катаюн (2007). «Мягкое превращение арилбороновых кислот и их пинаколилборонатных эфиров в фенолы с использованием гидроксиламина». Tetrahedron Letters . 48 (15): 2713–2715. doi :10.1016/j.tetlet.2007.02.069.
  27. ^ Исияма, Тацуо; Мурата, Мики; Ахико, Така-аки; Мияура, Норио (2000). «Бис(пинаколато)дибор». Органические синтезы . 77 : 176; Собрание томов , т. 10, стр. 115.
  28. ^ Takagi, Jun (2002). «Реакция сопряжения C–H гетероароматических соединений с бис(пинаколато)дибором, катализируемая иридием: региоселективный синтез гетероарилборонатов». Tetrahedron Letters . 43 (32): 5649–5651. doi :10.1016/S0040-4039(02)01135-8. hdl : 2115/56222 .
  29. ^ Ишияма, Тацуо (2002). «Мягкое катализируемое иридием борилирование аренов. Высокие числа оборотов, реакции при комнатной температуре и выделение потенциального промежуточного продукта». Журнал Американского химического общества . 124 (3): 390–391. doi :10.1021/ja0173019. PMID  11792205.
  30. ^ Ишияма, Тацуо (2003). «Борилирование аренов и гетероаренов при комнатной температуре с использованием стехиометрических количеств пинаколборана, катализируемое иридиевыми комплексами в инертном растворителе». Chemical Communications (23): 2924–5. doi : 10.1039/b311103b. hdl : 2115/56377 . PMID  14680243. S2CID  34802662.
  31. ^ Мерфи, Жаклин М. (2007). «Метагалогенирование 1,3-дизамещенных аренов посредством катализируемого иридием борирования арена». Журнал Американского химического общества . 129 (50): 15434–15435. doi :10.1021/ja076498n. PMID  18027947.
  32. ^ Чжао, Цзяньчжан; Дэвидсон, Мэтью Г.; Махон, Мэри Ф.; Коциок-Кён, Габриэль; Джеймс, Тони Д. (2004). «Энантиоселективный флуоресцентный сенсор для сахарных кислот». J. Am. Chem. Soc . 126 (49): 16179–16186. doi :10.1021/ja046289s. PMID  15584754.
  33. ^ Джеймс, Тони Д.; Филлипс, Маркус Д.; Синкай, Сейджи (2006). Бороновые кислоты в распознавании сахаридов . doi : 10.1039/9781847557612. ISBN 978-0-85404-537-2.
  34. ^ Роуэн, Стюарт Дж .; Кантрилл, Стюарт Дж.; Казинс, Грэм Р.Л.; Сандерс, Джереми К.М.; Стоддарт, Дж. Фрейзер (2002). «Динамическая ковалентная химия». Angewandte Chemie International Edition . 41 (6): 898–952. doi :10.1002/1521-3773(20020315)41:6<898::AID-ANIE898>3.0.CO;2-E. PMID  12491278.
  35. ^ US 6850786, Wayne Front March, «Датчик анализа глазного вещества», выдан 01.02.2005 
  36. ^ Хансен, Марвин М.; Джолли, Роберт А.; Линдер, Райан Дж. (29 июля 2015 г.). «Бороновые кислоты и их производные — исследование взаимосвязей структуры и активности для мутагенности». Organic Process Research & Development . 19 (11): 1507–1516. doi :10.1021/acs.oprd.5b00150. ISSN  1083-6160.

Внешние ссылки