En química, un par de Lewis frustrado (FLP por sus siglas en inglés) es un compuesto o mezcla que contiene un ácido de Lewis y una base de Lewis que, debido al impedimento estérico, no se puede combinar para formar un aducto clásico. Se han ideado muchos tipos de FLP y muchos sustratos simples exhiben activación.
El descubrimiento de que algunos FLP se dividieron en H2 desencadenó un rápido crecimiento de la investigación en FLPs. Debido a su reactividad "no extinguida", tales sistemas son reactivos hacia sustratos que pueden experimentar heterólisis. Por ejemplo, muchos FLPs dividen la molécula de hidrógeno. Por lo tanto, una mezcla de triciclohexilfosfina (PCy3) y tris (pentafluorofenil) borano reacciona con el hidrógeno para dar los iones de fosfonio y borato respectivos:
PCy3 + B(C6F5)3 + H2 -> [HPCy3]+ [HB(C6F5)3]-
Esta reactividad se ha explotado para producir FLP que catalizan las reacciones de hidrogenación. Historia
El concepto de ácido de Lewis fue descrito por Gilbert N. Lewis en la década de 1920, incluyendo el comportamiento típico de la formación de complejos. Sin embargo, en la década de 1940 se demostró que esto no funcionaba en todos los casos: por ejemplo, la lutidina forma un complejo con trifluoruro de boro, pero no con trimetilborano. Posteriormente, en la década de 2000, se descubrió que algunos representantes de pares de Lewis frustrados podían romper el hidrógeno molecular. Estos incluyen pares de tris(pentafluorofenil)borano con tri-tert-butilfosfina o trimesitilfosfina. Esto también funciona cuando unidades de fosfina y borano sustituidas de forma análoga se unen en una molécula, por ejemplo, en el dimesitilfosfinoetilbis(pentafluorofenil)borano. El término pares de Lewis frustrados tiene su origen en una publicación de 2007 de Douglas Stephan titulada Reactivity of “Frustrated Lewis Pairs”: Three-Component Reactions of Phosphines, a Borane, and Olefins [Reactividad de “pares de Lewis frustrados”: reacciones de tres componentes de fosfinas, un borano y olefinas]. Como resultado de esta reactividad recientemente descubierta, el área de investigación recibió gran interés y se desarrolló rápidamente.
Activación de moléculas pequeñas Se ha demostrado que los pares de Lewis frustrados activan muchas moléculas pequeñas, ya sea por inducción de la heterólisis o por coordinación.
Hidrógeno El descubrimiento de que algunos FLP pueden dividir y, por lo tanto, activar, H2 desencadenó un rápido crecimiento de la investigación en esta área. La activación y por lo tanto uso de H2 es importante para muchas transformaciones químicas y biológicas. El uso de FLP para liberar H2 no contiene metales, esto es beneficioso debido al costo y al suministro limitado de algunos metales de transición comúnmente utilizados para activar H2 (Ni, Pd, Pt). Los sistemas FLP son reactivos frente a sustratos que pueden sufrir una heterólisis (por ejemplo, hidrógeno) debido a la reactividad "no apagada" 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 de fosfonio y borato respectivos:
PCy3 + B(C6F5)3 + H2 -> [HPCy3]+ [HB(C6F5)3]-
En esta reacción, PCy3 (la base de Lewis) y B (C6F5)3 (el ácido de Lewis) no pueden formar un aducto debido al impedimento estérico de los grupos ciclohexilo y pentafluorofenilo voluminosos. El protón en el fósforo y el hidruro del borato ahora están "activados" y posteriormente pueden "entregarse" a un sustrato orgánico, dando como resultado la hidrogenación.
Mecanismo de activación del dihidrógeno por FLP El mecanismo para la activación de H2 por FLP ha sido discutido, tanto para el intermolecular y casos intramoleculares. Los FLP intermoleculares son donde la Base de Lewis es una molécula separada del Ácido de Lewis, se piensa que estas moléculas individuales interactúan a través de las interacciones de la dispersión secundaria de Londres para unir la Base de Lewis y el Ácido (un efecto preorganizativo) 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, existe evidencia de apoyo para este tipo de interacción basada en estudios computacionales de DFT (Teoría de la Funcionalidad de la Densidad). Los FLP intramoleculares son donde el ácido de Lewis y la base de Lewis se combinan en una molécula mediante un enlazador covalente. A pesar de los "efectos preorganizativos" mejorados, se cree que los marcos rígidos de FLP intramoleculares tienen una reactividad reducida a las moléculas pequeñas debido a una reducción en la flexibilidad.
Ejemplo de activación de dihidrógeno La activación de H2 mediante FLP se informó por primera vez en 2006. En este informe se observó una especie de fosfonio-borato de someterse a la pérdida térmica de una molécula de H2, para generar la fosfina y el borano. La especie de borato de fosfonio 1 se preparó a partir de B(C6F5)3 y (C6H2Me3)2PH, debido a las exigencias estéricas de ambas moléculas, no se pudo formar un aducto tradicional y se preparó fosfato bipolar-boronato [Figura 1]. Se llevó a cabo un "intercambio de H por F" para obtener 2 que era estable a la humedad y al aire. Esta sal lanzará H molecular 2 cuando se calienta por encima de 100 °C, un cambio de color también se observó desde el incoloro 2 a la naranja-rojo 3 (tanto en THF). Esta reacción se invierte al reaccionar 3 con H2 a 25 °C, donde el cambio de color se invierte y 2 se reforma. La reacción de H2 con 3 fue un éxito para temperaturas tan bajas como 25 °C. La recristalización de 3 en THF proporcionó cristales incoloros del aducto 4 . alt=Absorption and release of hydrogen from FLP|centro|miniaturadeimagen|512x512px| Metodología sintética para el primer FLP, (1) reportado por Stephan et. Alabama. formado a partir de dimesililo fosfina y tris (pentafluorofenil) borano. Después de la reacción con Me2SiHCl para dar (C6H2Me3) 2PH (C6F4) BH (C6F5) 2 (2), el dihidruro resultante se descompondrá térmicamente para liberar hidrógeno gas y el compuesto neutro 3. El uso de THF como un disolvente donante produjo cristales blancos incoloros de la molécula 4 del aducto.
Otros sustratos de molécula pequeña FLP también son reactivos frente a muchos sustratos insaturados más allá de H2. Algunos FLP reaccionan con el CO2, específicamente en la reducción desoxigenativa del CO2 al metano.
PCy3 + B(C6F5)3 + C2H4 -> Cy3P+CH2CH2B^{-}(C6F5)3
El hecho de que los pares ácido-base se comporten de forma tanto nucleófila como electrófila al mismo tiempo ofrece un método para la apertura de anillos de éteres cíclicos como el THF, el 2,5-dihidrofurano, el cumarano y el dioxano.
Uso en catálisis
Hidrogenación de imina, nitrilo y aziridina alt=Catalytic cycle for reduction of imine to amine|miniaturadeimagen|276x276px| Ciclo catalítico para la reducción de imina a una amina usando un FLP La reducción de iminas, nitrilos y aziridinas a aminas primarias y secundarias se realiza tradicionalmente mediante reactivos de hidruro metálico, por ejemplo, hidruro de litio y aluminio y cianoborohidruro de sodio. Las hidrogenaciones de estos sustratos insaturados pueden efectuarse mediante reacciones catalizadas por metal. La hidrogenación catalítica libre de metales se llevó a cabo utilizando el catalizador de borato de fosfonio (R2PH) (C6F4)BH(C6F5)2 (R = 2,4,6-Me3C6H2) 1 . Este tipo de hidrogenación sin metal tiene el potencial de reemplazar el catalizador metálico de alto costo.
Se propone que el mecanismo de reducción de imina involucre la protonación en nitrógeno que da la sal de iminio. La basicidad del centro de nitrógeno determina la velocidad de reacción. Más iminas ricas en electrones reducen a velocidades más rápidas que las iminas pobres en electrones. El centro de iminio resultante sufre un ataque nucleofílico por el anión borohidruro para formar la amina. Las aminas pequeñas se unen al borano, apagando las reacciones adicionales. Este problema se puede superar utilizando varios métodos: 1) Aplicación de temperaturas elevadas 2) Utilizando sustituyentes de imina estéricamente voluminosos 3) Protegiendo la imina con el grupo B(C6F5)3, que también sirve como un promotor de ácido de Lewis.
Hidrogenación enantioselectiva de imina Boronato quiral ácido de Lewis derivado de (1 R) - (+) alcanfor forman un par Lewis frustrado con tBu3P, que es aislable como una sal. Este FLP cataliza la hidrogenación enantioselectiva de algunas aril iminas en alto rendimiento pero modesto ee (hasta 83%). alt=Asymmetric imine hydrogenation by an FLP|centro|miniaturadeimagen|267x267px| Hidrogenación de imina asimétrica por un FLP Aunque conceptualmente interesante, el protocolo adolece de falta de generalidad. Se encontró que el aumento del volumen estérico de los sustituyentes de imina conduce a una disminución del rendimiento y de la ee del producto de amina. Las iminas sustituidas con metoxi muestran un rendimiento superior y el de ee.
Hidrosililaciones asimétricas Un grupo de catalizadores, los pares de Lewis frustrados de alquenilboranos quirales y fosfinas son beneficiosos para las hidrosililaciones asimétricas tipo Piers de los compuestos de 1,2-dicarbonilo y los ésteres alfa-ceto, dando como resultado productos de enantioselectividad de alto rendimiento. Sin embargo, en comparación con la hidrosililación tipo Piers convencional, las hidrosililaciones asimétricas tipo Piers no están tan bien desarrolladas
En el siguiente ejemplo, el alquenilborano quiral se forma in situ a partir del diino quiral y el HB (C6F5)2. La escisión heterolítica del enlace Si-H de PhMe2SiH por el catalizador FLP, forma un complejo iónico de sililio e hidridoborato. miniaturadeimagen| Hidrosililación asimétrica de una dicetona por un FLP
Hidrogenación de alquinos La hidrogenación libre de metales de alquinos internos no activados a alquenos cis se logra fácilmente utilizando catalizadores basados en FLP. La condición para esta reacción eran relativamente suave utilizando 2 bar de H2. En términos de mecanismo, el material alquino primero se hidroliza y luego el FLP a base de vinilborano resultante puede luego activar dihidrógeno. Un paso protodeborilación libera los cis -alqueno producto, que se obtiene debido al proceso de syn-hidroborilación, y regenerar el catalizador. Aunque son activos para la hidrogenación de alquinos, los catalizadores basados en FLP no facilitan, sin embargo, la hidrogenación de alquenos a alcanos. alt=Mechanism for hydrogenation of alkynes using FLPs|centro|miniaturadeimagen|500x500px| Mecanismo de hidrogenación de alquinos mediante FLPs. La reacción es una syn-hidroboración, y como resultado se observa una alta selectividad cis. En la etapa final del ciclo catalítico, el grupo C6F5 se escinde más fácilmente que un grupo alquilo, causando la degradación del catalizador en lugar de la liberación de alcano. El ciclo catalítico tiene tres pasos:
Unión del sustrato (la hidroboración del alquino) H2 escisión con vinilborano, seguido por protodeborylation intramolecular de sustituyente de vinilo, la recuperación de N, N-dimetil-2 - [(pentafluorofenil) borilo] anilina Liberación del alqueno cis.
miniaturadeimagen| Unión del alquino terminal al catalizador FLP Con los alquinos internos, se produce una reacción competitiva en la que el protón unido al nitrógeno se puede agregar a los fluorobencenos. Por lo tanto, esta adición no procede mucho, la formación del alqueno parece favorecida.
Pero los alquinos terminales no se unen al boro a través de una inserción de 1,2 como los alquenos, sino a través de una adición oxidativa. 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.
Borilación