在路易斯对催化的亚胺氢化反应中使用的有机超碱

氢化反应中的有机超强碱与电子调谐硼烷形成 frustration Lewis pair (FLP) 催化体系，系统研究表明空间位阻大的P2-Bu t（1）与强Lewis酸形成稳定FLP活性随酸性强增，而空间位阻小的P2-Et（2）与弱Lewis酸形成高效加合物，其中2/9-(4-MeO-C6H5)BBN组合在80°C、40 bar H2压力下实现苯胺衍生物定量氢化。NMR和DFT证实可逆加合物形成主导催化机制。

　　

Jacob Culvyhouse|Shipra Garg|Carlos Balandran|Daniel K. Unruh|Adelia J.A. Aquino|Clemens Krempner

Clemens Krempner – 德克萨斯理工大学化学与生物化学系，美国德克萨斯州卢博克市Memorial Drive，邮编79409

摘要

有机超碱最近作为无金属催化体系中的强大组分而受到关注，但它们在受挫路易斯对（FLP）催化的氢化反应中的作用仍需进一步探索。本文研究了二膦类超碱P₂-^tBu (1) 和 P₂-Et (2) 与电子可调的硼烷（化学式为9-(X_n-C₆H_5-n)BBN的结合效果，其中X_n = 4-NMe₂、4-OMe、4-Me、4-H、4-F、4-OCF₃、4-CF₃、3,5-(CF₃)在FLP催化的亚胺氢化反应中的应用。空间位阻较大的超碱1会形成稳定的FLP，其催化活性随硼烷的路易斯酸性强弱而增加；而空间位阻较小的超碱2则生成路易斯酸碱加合物，尤其是在路易斯酸性强较低的硼烷存在下表现出更优异的催化性能。系统筛选表明，加合物2/9-(4-MeO-C₆H₄)BBN是活性最高的催化体系，在80°C和40巴的H₂压力下可实现N-苯亚胺的定量氢化。多核NMR光谱研究和DFT计算结果表明，加合物的形成及随后的解离过程先于限速的异裂H₂断裂，加合物的稳定性决定了催化活性。在优化条件下，加合物2/9-(4-MeO-C₆H₄)BBN能够高效且选择性地氢化多种醛亚胺，包括电子富集的4-NMe₂类底物、单取代和双取代的亚胺以及某些杂芳基亚胺。这些发现为BBN衍生FLP体系的优化设计提供了依据，扩展了无金属氢化催化的应用范围。

引言

未带电的有机超碱，如单磷杂环、双磷杂环和四磷杂环[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，已成为现代合成化学中一类强大的“无金属”催化剂，其Br?nsted碱性强于传统的胺、脒和胍[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。这些磷杂环的空间和电子可调性使得它们能够选择性地脱质子而不引发不必要的副反应，这是传统碱难以实现的。它们在需要从弱酸性底物（如C–H、N–H和O–H键）中抽取质子的催化反应中特别有效，从而促进了多种转化，包括烷基化、Michael加成、硝基醛醇缩合、环加成、异构化以及醚的形成（包括对映选择性反应[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]（见图1）。

这些有机超碱的结构设计不仅使其具有高质子亲和力，还具备强亲核性，使其在与电子缺乏物种的协同反应中表现出潜力[32]，这一点在C–C、C–B和C–Sb键的形成反应[33]、[34]、[35]以及μ-康酸酯和山梨酸酯的转移聚合[36]、[37]中得到了验证。

在这种背景下，“受挫路易斯对”（FLP）[38]、[39]、[40]成为另一类多功能无金属催化剂，尤其是在无过渡金属的氢化催化中[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]。FLP由空间位阻较大的路易斯酸和碱组成，它们无法通过传统的酸碱加合物形式相互中和，因此能够协同激活底物。自发现以来，大多数FLP催化剂主要依赖于强且空间位阻较大的路易斯酸（如体积庞大且电子缺乏的硼烷B(C₆F₅)₃）与相对较弱的胺类或膦类路易斯碱的组合。相比之下，将有机超碱引入FLP框架后，可以使用更弱、更丰富且易于获得的硼基路易斯酸组分，特别是在分子氢的异裂反应中[50]、[51]。这种“反向”FLP方法使得催化剂体系能够催化多种聚合反应[52]、[53]、分子内的羟胺化[54]以及酮[55]、氯硅烷[56]和卤硼烷[57]与分子氢的氢化反应。

受这些进展的启发，我们假设通过系统调节有机超碱的空间需求和电子特性，可以显著促进异裂H₂断裂，并为FLP氢化催化剂的反应性和选择性提供灵活的调控平台。本文研究了两种二膦类超碱P₂-Bu^t (1) 和 P₂-Et (2)（图1）与多种电子结构不同的含硼路易斯酸（9-(X_n-C₆H_5-n)BBN的相互作用，以及由此形成的路易斯酸碱对催化多种醛亚胺氢化的能力。氢化过程的机理通过DFT计算和多核NMR光谱进行了研究。

活性路易斯酸碱对的鉴定与催化筛选

作为路易斯酸组分，我们选择了X-芳基取代的9-硼杂环(3.3.1)壬烷类化合物9-(X_n-C₆H_5-n)BBN（X_n = 4-NMe₂、4-OMe、4-Me、4-H、4-F、4-OCF₃、4-CF₃ 和 3,5-(CF₃)₂，这些化合物可通过9-MeO-BBN与芳基格氏试剂或芳基溴化物在Barbier条件下反应获得。芳香环3位和4位的X基团替换可以调节硼中心的电子缺陷程度，同时保持其化学性质。

结论

在这项综合研究中，我们探讨了有机超碱P₂-Bu^t (1) 和 P₂-Et (2作为受挫路易斯对（FLP）催化的醛亚胺氢化反应中的活性组分的作用。这两种超碱与多种电子可调的硼烷（化学式为9-(X_n-C₆H_5-n)BBN（其中X_n = 4-NMe₂、4-OMe、4-Me、4-H、4-F、4-OCF₃、4-CF₃ 和 3,5-(CF₃)₂）结合时表现出不同的行为。空间位阻较大的超碱1会形成稳定的FLP，其催化氢化活性...

未引用的参考文献

[58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68].

CRediT作者贡献声明

Jacob Culvyhouse: 方法学研究、实验设计、数据分析。Shipra Garg: 方法学研究、实验设计、数据分析。Carlos Balandran: 实验设计、数据分析。Daniel K. Unruh: 数据分析。Adelia J.A. Aquino: 文章撰写与审稿、初稿撰写。Clemens Krempner: 文章撰写与编辑、项目监督、资源协调、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了美国能源部科学办公室基础能源科学办公室催化科学项目的支持，项目编号为DE-SC0019094。