Borylace jsou skupina organických reakcí katalyzovaných přechodnými kovy, kterými vznikají organoborité sloučeniny funkcionalizací alifatických a aromatických vazeb C–H; díky tomu mají význam pro aktivace vazeb uhlík-vodík. Kovy katalyzované borylace vazeb C–H umožňují pomocí přechodných kovů k přímé přeměně vazeb C–H na vazby C–B. Tento postup může být výhodný oproti tradičním borylacím, protože umožňuje použití cenově dostupných uhlovodíkových prekurzorů, omezení využívání prefunkcionalizovaných organických sloučenin, toxických vedlejších produktů a usnadnění syntézy biologicky významných molekul.Ishiyama, T.; Nobuta, Y.; Hartwig, J. F.; Miyaura, N. Chem. Commun. 2003, 2924. Častými borylovými skupinami zaváděnými do organických sloučenin borylačními reakcemi jsou boronové kyseliny a jejich estery.Brown, H. C.; Kramer, G. W.; Levy, A. B.; Midland, M. M. Organic Synthesis via Boranes; Wiley-Interscience: New York, 1975; Vol. 1. Boronové kyseliny jsou trojvazné organické sloučeniny obsahující bor, na který jsou navázány jedna alkylová nebo arylová a dvě hydroxylové skupiny, jejich estery mají jeden alkylový nebo arylový a dva esterové substituenty. Boronové kyseliny a estery se dělí na základě druhu uhlovodíkové skupiny (R) navázané přímo na bor, například na alkyl-, alkenyl-, alkynyl- and arylboronové estery. Nejběžnější typ boronových esterů využívaných k borylacím organických sloučenin katalyzovaných přechodnými kovy má obecný vzorec (RO)2B-B(OR)2; patří sem například bis(pinakoláto)dibor (B2Pin2) a bis(katecholáto)diboran (B2Cat2).
střed|300px|B2pin2 a B2cat2
Atomy boru v boronových kyselinách a esterech jsou sp2 hybridizované s prázdnými p orbitaly, které jim dodávají vlastnosti odpovídající Lewisovým kyselinám. Vazby C–B u boronových kyselin a esterů jsou poněkud delší než běžné vazby C–C, s obvyklými délkami 155-159 pm. Prodloužení vazeb C–B oproti C–C vede k tomu, že tyto vazby mají i o něco nižší energie než vazby C-C (323 kJ/mol u C–B a 358 kJ/mol u C–C).Hall, D. G. (2011) Structure, Properties, and Preparation of Boronic Acid Derivatives, in Boronic Acids: Preparation and Applications in Organic Synthesis, Medicine and Materials (Volume 1 and 2), Second Edition (ed D. G. Hall), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany. Vazby mezi uhlíkovými a vodíkovými atomy vykazují délky kolem 109 pm a energie přibližně 413 kJ/mol. Vazby C–B jsou tak vhodnými meziprodukty nahrazujícími obvykle nereaktivní vazby C–H.
Sloučeniny obsahující vazby mezi atomy uhlíku a boru se nazývají organoborité sloučeninyy. Mají široké využití v syntetických reakcích, protože se vazby C–B bond dají snadno přeměnit na vazby C–X (X = Br, Cl), C–O, C–N nebo C–C bond. Vzhledem k užitečnosti vazeb C–B bylo vyvinuto mnoho různých postupů na jejich zavádění do organických sloučenin.
Organoborité sloučeniny se často připravují z Grignardových činidel hydroboračními nebo diboračními reakcemi.Wade, L. G., Organic Chemistry. Upper Saddle River: Pearson Education, Inc., 2010.
Kovy katalyzované C–H borylace
Alifatické C–H borylace Alkany mohou být selektivně borylovány na primárních vazbách C–H s využitím Cp*Rh(η4-C6Me6) jako katalyzátoru.
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.
Při nepřítomnosti primárních vazeb C–H v molekule substrátu, například u cyklohexanu, k reakci nedochází.
střed|Alifatická C–H borylce
Selektivita funkcionalizací primárních alkanových vazeb je způsobena tvorbou kineticky a termodynamicky výhodných primárních alkylkovových komplexů přes sekundární alkylkovové komplexy.
vpravo|rám|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.
střed|Mechanismy alifatických C–H borylací
Syntetické možnosti borylací vazeb C–H bylo využito k modifikacím polymerů borylacemi a následnými oxidacemi za vzniku hydroxylových polymerů.
střed|C–H borylation of polyolefins
Aromatické C–H borylace
Stericky řízené C–H borylace arenů 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.
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.
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. 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.
střed|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.
střed|Stericky řízená iridiem katalyzovaná C–H borylace
Tímto se reakce liší od elektrofilních aromatických substitucí, kde regioselektivitu řídí elektronové efekty.Liskey, C. Iridium-Catalyzed Borylation of Aromatic and Aliphatic C–H bonds: Methodology and Mechanism. Dissertation, University of Illinois. Urbanan-Champaign. 2013
střed|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.
střed|350x350px|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. Komplanadin A byl připraven kombinací přímé aromatické C–H borylace a Suzukiovy reakce, po které následovalo odštěpení terc-butyloxykarbonylové chránicí skupiny.
střed|Synthéza komplanadinu A
C–H borylace heteroarenů 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.
střed|400x400px|C–H borylace heteroaromatických sloučenin
Řízené ortho C–H borylace 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. 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.Ros, A.; Estepa, B.; Lopez-Rodriquez, R.; Alvarez, E.; Fernandez, R.; Lassaletta, J.M. Angew. Chem. Int. Ed. 2011; 50, 1.
střed|500x500px|Využití řídicích skupoin při selektivní ortho borylaci
Mechanistické parametry C–H borylací arenů 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.Boller, T.M.; Murphy, J. M.; Hapke, M.; Ishiyama, T.; Miyaura, N.; Hartwig, J.F. J. Am. Chem. Soc. 2005;, 127, 14263.
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.
střed|Mechanismus borylace pomocí hydrosilanu
Metaselektivní borylace 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.
Ve stejné době skupina vědců z Japonska popsala mechanismus metaselektivní borylace založený na sekundárních interakcích. Tento mechanismus odpovídá borylacím mnoha různých karbonylových sloučenin.
Redukční reakce organoboritých sloučenin
Coreyova–Itsunova redukce 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.
bezrámu|střed|upright=2.0
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.
bezrámu|střed|upright=2.2|Coreyova–Itsunova redukce
Midlandova 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.
bezrámu|střed|upright=2.0|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.
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.
bezrámu|střed|upright=3.0|Využití Midlandovy redukce