Химия органоборана или химия органоборана изучает борорганические соединения , также называемые органоборанами . Эти химические соединения объединяют бор и углерод ; как правило, они являются органическими производными борана (BH3 ) , как в триалкилборанах. [1] [2]
Органобораны и -бораты позволяют проводить множество химических превращений в органической химии — наиболее важные из них — гидроборирование и карбоборирование . Большинство реакций переносят нуклеофильный заместитель бора в электрофильный центр либо межмолекулярно, либо внутримолекулярно . В частности, α,β -ненасыщенные бораты и бораты с α-уходящей группой весьма восприимчивы к внутримолекулярной 1,2-миграции группы из бора в электрофильное α-положение. Окисление или протонолиз полученных органоборанов приводит к образованию множества органических продуктов, включая спирты, карбонильные соединения, алкены и галогениды. [3]
Связь CB имеет низкую полярность ( электроотрицательность 2,55 для углерода и 2,04 для бора). Алкилборированные соединения в целом стабильны, хотя легко окисляются.
Бор часто образует электронно-дефицитные соединения без полного октета , такие как триорганобораны. Эти соединения являются сильными электрофилами , но обычно слишком стерически затруднены для димеризации . Электронный донор от винильных и арильных групп может придать связи CB некоторый характер двойной связи .
Наиболее изученный класс борорганических соединений имеет формулу BR n H 3−n . Эти соединения являются катализаторами, реагентами и синтетическими промежуточными продуктами. Триалкильные и триарильные производные имеют тригонально-плоский борный центр, который обычно является лишь слабокислотным по Льюису . За исключением нескольких объемных производных, гидриды (n = 1 или 2) димеризуются, как и сам диборан . Тризамещенные производные, например, триэтилбор , являются мономерами. [5]
Моноалкилбораны встречаются относительно редко. Когда алкильная группа мала, например, метильная, моноалкилбораны имеют тенденцию перераспределяться , давая смеси диборана и ди- и триалкилборанов. Моноалкилбораны обычно существуют в виде димеров формы [RBH 2 ] 2 . Одним из примеров является тексилборан (ThxBH 2 ), полученный гидроборированием тетраметилэтилена : [ 6] Хиральным примером является моноизопинокамфеилборан. Хотя его часто записывают как IpcBH 2 , он представляет собой димер [IpcBH 2 ] 2 . Он получается гидроборированием (−)‐α‐пинена с диметилсульфидом борана . [7]
Диалкилбораны также редки для небольших алкильных групп. Одним из распространенных способов их получения является восстановление диалкилгалогенборанов с помощью гидридов металлов. [8] Важным синтетическим применением таких диалкилборанов, таких как диэтилборан, является трансметаллирование борорганических соединений для образования цинкорганических соединений. [9] [10]
Некоторые диарил- и диалкилбораны хорошо известны. Димезитилборан представляет собой димер (C 6 H 2 Me 3 ) 4 B 2 H 2 ). Он медленно реагирует с простыми терминальными алкенами. Он присоединяется к алкинам, давая алкенилбораны. [11] Среди затрудненных диалкилборанов находится дисиамилборан , сокращенно Sia 2 BH. Он также является димером. Благодаря своему стерическому объему он селективно гидроборирует менее затрудненные, обычно терминальные алкены в присутствии более замещенных алкенов. [12] Дисиамилборан должен быть свежеприготовленным, так как его растворы можно хранить при температуре 0 °C только в течение нескольких часов. Дициклогексилборан Chx 2 BH демонстрирует улучшенную термическую стабильность, чем Sia 2 BH. Универсальным диалкилбораном является 9-BBN . Также называемый «банановым бораном», он существует в виде димера. Его можно перегонять без разложения при 195 °C (12 мм рт. ст.). Реакции с 9-BBN обычно происходят при 60–80 °C, при этом большинство алкенов реагируют в течение одного часа. Тетразамещенные алкены присоединяют 9-BBN при повышенной температуре. Гидроборирование алкенов с 9-BBN протекает с превосходной региоселективностью. Он более чувствителен к стерическим различиям, чем Sia 2 BH, возможно, из-за его жесткой основной цепи C 8. 9-BBN более реакционноспособен по отношению к алкенам, чем к алкинам. [13]
Соединения типа BR n (OR) 3-n называются борными эфирами (n = 2), бороновыми эфирами (n = 1) и боратами (n = 0). Борные кислоты играют ключевую роль в реакции Сузуки . Триметилборат , спорно не являющийся борорганическим соединением, является промежуточным продуктом в производстве боргидрида натрия.
Бор известен кластерными видами , например, додекаборатом [B 12 H 12 ] 2- . Такие кластеры имеют много органических производных. Одним из примеров является [B 12 (CH 3 ) 12 ] 2- и его радикальное производное [B 12 (CH 3 ) 12 ] − . [14] Родственные кластерные соединения с углеродными вершинами являются карборанами ; наиболее известным является ортокарборан, C 2 B 10 H 12 . Карбораны имеют мало коммерческих применений. Анионные производные, такие как [C 2 B 9 H 11 ] 2− , называемые дикарболлидами, лигируют аналогично циклопентадиенид .
В борабензоле бор замещает один центр CH в бензоле. Борабензол и его производные неизменно появляются в виде аддуктов, например, C 5 H 5 B-пиридин.
Циклическое соединение борола , структурный аналог пиррола , не выделено, но известны замещенные производные (боролы).
Циклическое соединение борепин является ароматическим.
Металлоорганические соединения со связями металл-бор (M–BR 2 ) представляют собой борильные комплексы, соответствующие условному борильному аниону R 2 B − . Родственные лиганды — борилены (M–B(R)–M).
Сильные основания не депротонируют бораны R 2 BH. Вместо этого эти реакции дают октет-полный аддукт R 2 HB-основание. [15]
Известны соединения , изоэлектронные N -гетероциклическим карбенам. Необычное соединение было получено восстановлением предшественника бромистого бора: [16] [17]
Алкилиденбораны (RB=CRR) с двойной связью бор-углерод встречаются редко. Одним из примеров является борабензол . Исходное соединение HB=CH 2 можно обнаружить при низкой температуре. Производное CH 3 B=C(SiMe 3 ) 2 довольно стабильно, но склонно к циклодимеризации. [18]
NHC и бораны образуют стабильные аддукты NHC-борана . [19] Аддукты триэтилборана можно синтезировать непосредственно из соли имидазолия и триэтилборогидрида лития .
Двойные связи бор-бор встречаются редко. Одним из примеров является диборен (RHB=BHR): [20] [21]
Каждый атом бора имеет присоединенный протон и координируется с NHC карбеном . Родительская структура с дополнительными карбеновыми лигандами — диборан(2) . [22] [23]
Известный диборин имеет схожую химическую основу.
Простые органобораны, такие как триэтилборан или трис(пентафторфенил)бор, могут быть получены из трифторборана (в эфире ) и этила или пентафторфенила реактива Гриньяра . Дальнейшее добавление карбаниона приведет к образованию бората (R 4 B − ).
Бороновые кислоты RB(OH) 2 реагируют с гидробифторидом калия K[HF2 ] с образованием трифторборатных солей K[RBF3 ] , [24] предшественников нуклеофильных алкил- и арилбордифторидов, ArBF2 : [ 25]
При гидроборировании алкены встраиваются в борановые связи BH с антимарковниковской стереохимией. Гидроборирование происходит стереоспецифично syn — на той же грани алкена. Переходное состояние для этой согласованной реакции можно визуализировать как квадрат с углами, занятыми углеродом, углеродом, водородом и бором, что максимизирует перекрытие между p -орбиталями олефина и пустой орбиталью бора.
Гидроборирование с эквивалентами борана (BH 3 ) преобразует только 33% исходного олефина в продукт — побочные продукты , содержащие бор, потребляют остаток. Хелатный эффект улучшает это соотношение для циклических борсодержащих реагентов. Одним из распространенных циклических борорганических реагентов является 9-BBN . [26] [27]
Реакции борилирования, катализируемые металлами, производят борорганическое соединение из алифатических или ароматических связей CH сигма через катализатор на основе переходного металла. Обычным реагентом является бис(пинаколато)дибор .
Окись углерода реагирует с алкилборанами, образуя нестабильный карбонил борана . Затем заместитель алкила перемещается от бора к углероду карбонила. Например, гомологированные первичные спирты получаются из органоборанов, окиси углерода и восстановителя (в данном случае борогидрида натрия ): [28]
Алкинилбораны атакуют электрофилы, образуя транс- алкенилбораны [29], как на первом этапе этого синтеза олефинов:
Ключевым свойством органоборанов (R 3 B) и боратов (R 4 B − , образующихся путем присоединения R − к R 3 B) является их восприимчивость к реорганизации. Эти соединения обладают связями бор–углерод, поляризованными по направлению к углероду. Углерод, связанный с бором, является нуклеофильным; [30] в боратах нуклеофичность достаточна для межмолекулярного переноса к электрофилу. [31] [3]
Бораны сами по себе, как правило, недостаточно нуклеофильны для межмолекулярного переноса группы R. Вместо этого группа 1,2-мигрирует к электрофильному углероду, присоединенному к бору, особенно если этот углерод ненасыщен или несет хорошую уходящую группу: [31]
Склонность органической группы к миграции зависит от ее способности стабилизировать отрицательный заряд: алкинил > арил ≈ алкенил > первичный алкил > вторичный алкил > третичный алкил. [32] По этой причине бис(норборнил)боран и 9-BBN часто являются реагентами гидроборирования — только гидроборированный олефин, вероятно, будет мигрировать при нуклеофильной активации.
Миграция сохраняет конфигурацию на углероде-мигранте [33] и инвертирует ее на конце (предположительно sp 3 -гибридизованном ). [34] Полученный реорганизованный боран затем может быть окислен или протолизирован до конечного продукта.
Органобораны нестабильны к кислотам Бренстеда-Лоури , деборируя в пользу протона. Следовательно, органобораны легко удаляются из алканового или алкенового субстрата, как на втором этапе этого синтеза олефинов: [29]
α-Галоеноляты являются обычными нуклеофилами в реорганизации борана. После нуклеофильной атаки на бор, полученный кетоборонат устраняет галоген и таутомеризуется в нейтральный енолборан. Затем в результате протонолиза [35] или гашения другими электрофилами получается функционализированное карбонильное соединение:
Поскольку миграция является стереоспецифической, этот метод синтезирует энантиомерно чистые α-алкил- или -арилкетоны. [36]
α-Галоэфирные еноляты присоединяются аналогично боранам, но с более низкими выходами: [37]
Диазоэфиры и диазокетоны устраняют необходимость во внешнем основании. [38] α,α'-Дигалогененоляты реагируют с боранами с образованием α-галогенкарбонильных соединений, которые могут быть далее функционализированы в α-положении. [39]
При аллилборировании аллилборан присоединяется к альдегиду или кетону с аллильным сдвигом и затем может быть преобразован в гомоаллильный спирт во время обработки . Реакция протекает намного медленнее с кетонами, чем с альдегидами. [40] Например, в синтезе эпотилонов Николау асимметричное аллилборирование (с аллилбораном, полученным из хирального альфа-пинена ) является первым шагом в двухуглеродной гомологизации ацетогенина : [41]
Соли трифторбората более стабильны, чем бороновые кислоты, и селективно алкилируют альдегиды : [42]
Пара реакций гидроборирования-окисления окисляет боран до спирта с помощью перекиси водорода или до карбонильной группы с помощью оксида хрома .
Окисление алкенилборана дает енол, не содержащий бора. [43]
Активация органоборана гидроксидом или алкоксидом и обработка X 2 дает галогеналканы. При избытке основания две из трех алкильных групп, присоединенных к атому бора, могут преобразовываться в галогенид, но дисиамилборан допускает только галогенирование гидроборированного олефина: [44]
Обработка алкенилборана йодом или бромом вызывает миграцию органической группы, присоединенной к бору. Алкинильные группы мигрируют селективно, образуя енины после обработки ацетатом натрия и перекисью водорода: [45]
Борорганические соединения также легко трансметаллируются , особенно в органопалладиевые соединения. В реакции Сузуки арил- или винилбороновая кислота соединяется с арил- или винилгалогенидом через комплексный катализатор палладия (0) : [ 46 ]
Борангидриды, такие как 9-BBN и L-селектрид (литийтри( втор-бутил )борогидрид) являются восстановителями . Асимметричным катализатором для восстановления карбонила является катализатор CBS , который основан на координации бора с карбонильным кислородом.
Гомологированные первичные спирты получаются в результате обработки органоборанов оксидом углерода и гидридом: [47]
Третичные спирты с двумя идентичными группами, присоединенными к спиртовому углероду, могут быть синтезированы посредством двойной миграции алкинилборана: [43]
Органоборатные анионы восстановительно устраняются против ацилгалогенидов. Здесь борат был получен из три(циклопентил)борана и фениллития; три циклопентильные группы не мигрируют в значительной степени: [48]
Борорганическая химия в основном имеет коммерческое значение в фармацевтической промышленности.
Триэтилборан использовался для воспламенения топлива JP-7 двигателей Pratt & Whitney J58 с переменным циклом, установленных на самолете Lockheed SR-71 Blackbird .
Борорганические соединения уже давно обсуждаются для использования в качестве агентов доставки бора в нейтронной захватной терапии рака . [49]