フラストレーションを募らせるルイスペア

フラストレートしたルイス対（FLP ）は、立体障害のために古典的な付加物を形成できないルイス酸とルイス塩基を含む化合物または混合物である。^[1]多くの種類のFLPが考案されており、多くの単純な基質が活性化を示す。^{[2] [3]}

_{いくつかのFLPがH 2を}分解するという発見^[4]は、FLPの研究の急速な発展のきっかけとなった。これらのシステムは「消光しない」反応性のため、ヘテロリシスを起こすことができる基質に対して反応性がある。例えば、多くのFLPは水素分子を分解する。したがって、トリシクロヘキシルホスフィン（PCy ₃）とトリス（ペンタフルオロフェニル）ボランの混合物は水素と反応して、それぞれホスホニウムイオンとホウ酸イオンを生成する。

PCy ₃ + B(C ₆ F ₅ ) ₃ + H ₂ → [HPCy ₃ ] ⁺ [HB(C ₆ F ₅ ) ₃ ] ⁻

この反応性は、水素化反応を触媒するFLPの製造に利用されている。^[5]

フラストレートしたルイス対は、ヘテロリシスを誘導するか、または配位によって、多くの小分子を活性化することが示されています。

_{一部の FLP が H 2 を}分解し、活性化できることが発見された^[4]ことで、この分野の研究が急速に進みました。H ₂の活性化とそれによる使用は、多くの化学的および生物学的変換にとって重要です。FLP を使用した H ₂の遊離は金属を必要とせず、H ₂の活性化に一般的に使用される一部の遷移金属(Ni、Pd、Pt)のコストと供給量の制限を考えると、これは有益です。 ^{[6] FLP システムは、そのようなシステムの「消光しない」反応性のため、}ヘテロリシスを起こすことができる基質 (水素など) に対して反応します。たとえば、トリシクロヘキシルホスフィン(PCy ₃ ) とトリス (ペンタフルオロフェニル) ボランの混合物が H ₂と反応して、それぞれホスホニウムイオンとホウ酸イオンを 生成することが以前に示されています。

PCy ₃ + B(C ₆ F ₅ ) ₃ + H ₂ → [HPCy ₃ ] ⁺ [HB(C ₆ F ₅ ) ₃ ] ⁻

この反応では、PCy ₃ (ルイス塩基) と B(C ₆ F ₅ ) ₃ (ルイス酸) は、かさ高いシクロヘキシル基とペンタフルオロフェニル基による立体障害のため、付加物を形成できません。リン上の陽子とホウ酸塩の水素化物は「活性化」され、その後有機基質に「送達」され、水素化が起こります。

_{FLP による H 2}の活性化のメカニズムは、分子間および分子内の両方のケースについて議論されています。分子間 FLP では、ルイス塩基はルイス酸とは別の分子であり、これらの個々の分子は二次ロンドン分散相互作用を介して相互作用してルイス塩基と酸を結び付け (事前組織化効果)、その後、小分子が FLP と相互作用する可能性があると考えられています。分子レベルでのこのタイプの相互作用の実験的証拠は不明です。ただし、計算密度汎関数理論の研究に基づく、このタイプの相互作用を支持する証拠があります。分子内 FLP では、ルイス酸とルイス塩基が共有結合リンカーによって 1 つの分子に結合されます。「事前組織化効果」が改善されているにもかかわらず、剛性の分子内 FLP フレームワークは柔軟性の低下により小分子に対する反応性が低下していると考えられています。

_FLPはH2以外にも多くの不飽和基質に対して反応性があります。一部のFLPは_CO2と反応し、特に_CO2からメタンへの脱酸素還元反応を起こします。 ^[7]

エテンはFLPとも反応する：^[8]

PCy ₃ + B(C ₆ F ₅ ) ₃ + C ₂ H ₄ → Cy ₃ P ⁺ CH ₂ CH ₂ B ⁻ (C ₆ F ₅ ) ₃

酸塩基対が求核的かつ求電子的に同時に挙動することは、THF、2,5-ジヒドロフラン、クマラン、ジオキサンなどの環状エーテルの開環反応に利用できる。^[9]

イミン、ニトリル、アジリジンの第一級および第二級アミンへの還元は、従来、水素化アルミニウムリチウムやシアノ水素化ホウ素ナトリウムなどの金属水素化物試薬によって行われています。これらの不飽和基質の水素化は、金属触媒反応によって行うことができます。金属を使用しない触媒水素化は、ホスホニウムボレート触媒 (R ₂ PH)(C ₆ F ₄ )BH(C ₆ F ₅ ) ₂ (R = 2,4,6-Me ₃ C ₆ H ₂ ) 1を使用して実施しました。このタイプの金属を使用しない水素化は、高価な金属触媒を置き換える可能性があります。

イミン還元のメカニズムは、窒素でのプロトン化によってイミニウム塩を生成すると考えられている。窒素中心の塩基性度が反応速度を決定する。電子が豊富なイミンは、電子が乏しいイミンよりも速く還元される。結果として生じたイミニウム中心は、ボロヒドリドアニオンによる求核攻撃を受けてアミンを形成する。小さなアミンがボランに結合し、それ以上の反応を抑制します。この問題は、さまざまな方法で克服できます。1) 高温の適用 2)立体的にかさ高いイミン置換基の使用 3)ルイス酸プロモーターとしても機能するB(C ₆ F ₅ ) _{3基によるイミンの保護。} ^[10]

(1 R )-( + )-カンファーから誘導されるキラルボロネートルイス酸は、 ^t Bu ₃ Pとフラストレートルイス対を形成し、塩として単離できます。このFLPは、いくつかのアリールイミンのエナンチオ選択的水素化を高収率で触媒しますが、eeは中程度です（最大83％）。

概念的には興味深いものの、このプロトコルは一般性に欠けるという欠点がある。イミン置換基の立体的嵩高さが増加すると、アミン生成物の収率とeeが低下することがわかった。メトキシ置換イミンは優れた収率とeeを示す。^[10]

キラルなアルケニルボランとホスフィンのフラストレートしたルイス対は、1,2-ジカルボニル化合物とアルファ-ケトエステルの非対称ピアーズ型ヒドロシリル化に有益であり、高い収率とエナンチオ選択性をもたらします。しかし、従来のピアーズ型ヒドロシリル化と比較すると、非対称ピアーズ型ヒドロシリル化は十分に開発されていません。

次の例では、キラルなアルケニルボランがキラルなジインとHB(C ₆ F ₅ ) _{2からその場で生成されます。FLP触媒によるPhMe 2} SiHからのSi-H結合のヘテロリティック切断により、シリリウムとヒドリドボレートのイオン錯体が形成されます。^[11]

非活性化内部アルキンの金属フリー水素化は、FLPベースの触媒を使用して容易に達成される。^[12]この反応の条件は、2 barのH _{2 を}使用する比較的穏やかなものであった。メカニズム的には、アルキン材料が最初にヒドロホウ素化され、次に結果として生じるビニルボランベースのFLPが二水素を活性化することができる。プロト脱ホウ素化ステップにより、シンヒドロホウ素化プロセスによって得られるシスアルケン生成物が放出され、触媒が再生される。アルキンの水素化には活性であるが、FLPベースの触媒はアルケンのアルカ​​ンへの水素化を促進しない。

この反応はシンヒドロホウ素化であり、その結果、高いシス選択性が観察されます。触媒サイクルの最終段階では、C ₆ F ₅基はアルキル基よりも容易に切断され、アルカンの放出ではなく触媒の劣化を引き起こします。触媒サイクルには 3 つのステップがあります。

• 基質結合（アルキンのヒドロホウ素化）
• ビニルボランによるH ₂分解、続いてビニル置換基の分子内プロト脱ホウ素化により、N,N-ジメチル-2-[(ペンタフルオロフェニル)ボリル]アニリンが回収される。
• シスアルケンの放出

内部アルキンの場合、窒素に結合したプロトンがフルオロベンゼンに付加される競合反応が起こります。したがって、この付加はそれほど進行せず、アルケンの形成が優先されるようです。

しかし、末端アルキンはヒドロホウ素化ではなく、CH 活性化によってホウ素に結合します。したがって、アルキンにプロトンを追加すると、最初の末端アルキンが生成されます。したがって、この水素化プロセスは末端アルキンには適しておらず、ペンタフルオロベンゼンのみが生成されます。

末端アルキンからそれぞれのアルケンへの金属フリー水素化は、最近、ピリドンボランベースのシステムを使用して達成されました。^[13]このシステムは室温で容易に水素を活性化し、ピリドンボラン錯体を生成します。^[14]この錯体の解離により、遊離ボランによるアルキンのヒドロホウ素化が可能になります。遊離ピリドンによるプロト脱ホウ素化により、シスアルケンが生成されます。このシステムでは、CH活性化が可逆的であり、水素活性化と競合するため、末端アルキンの水素化が可能です。

アミンボランFLPは電子豊富な芳香族複素環のホウ素化を触媒する（図1）。^[15]この反応は、FLPによるCH活性化による水素の放出によって駆動される。芳香族ホウ素化は、特に貴金属に比べてホウ素化合物が豊富で、コストが低く、毒性が低いため、医薬品開発でよく使用されている。,

反応の基質には、ホウ素化のメカニズムと密接に関係する 2 つの主な要件があります。まず、基質は電子が豊富でなければなりません。これは、チオフェンとは反応しないことで例証されますが、より電子が豊富な誘導体であるメトキシチオフェンと3,4-エチレンジオキシチオフェンは、アミノボランと反応する可能性があります。さらに、1-メチルピロール (反応する可能性があります) を 2 位の強力な電子吸引性tert-ブチルオキシカルボニル(Boc) 基で置換すると、反応が完全に阻害されます。2 つ目の要件は、基質に塩基性アミン基が存在しないことです。そうしないと、不要な付加物が形成されます。これは、ピロールとは反応しないことで例証できますが、1-メチルピロールと N-ベンジルピロールの誘導体は両方とも反応できます。

同じ著者らによるさらなる研究では、アミンR基として単にピペリジン（上図のテトラメチルピペリジンとは対照的）を使用すると、反応速度が加速されることが明らかになった。速度論およびDFT研究を通じて、著者らはCH活性化ステップはより大きな置換基を使用する場合よりも容易であると提案した。^[16]

同様の条件下でN-トシルインドールを用いて脱芳香族化を行うこともできる。シンヒドロボリル化インドリンが得られる。^[17]

脱水素プロセスによるチオールのSH結合のホウ素化も観察されている。tert-ブタノールやtert-ブチルアミンなどのアルコールやアミンは、N/O原子の孤立電子対とホウ素の間の強いπ結合により触媒作用を妨げる安定した生成物を形成するが、チオールの場合は同じことが当てはまらないため、触媒作用が成功する。さらに、Se-H結合のホウ素化にも成功している。すべての場合において、H ₂ガスの生成は反応の強力な推進力である。^[18]

FLP化学は概念的に炭素回収に関連している。^[19]ホスフィンとボランからなる分子間（図1）および分子内（図2）FLPは、二酸化炭素を選択的に回収して放出するために使用された。FLP溶液を室温でCO2雰囲気で覆うと、FLP-CO2_化合物はすぐに白い固体として沈殿した。^{[19] [20]}

ブロモベンゼン中の分子間FLP-CO2化合物を真空下で80℃で5時間加熱する_と、CO2の約半分が放出され_、 FLPを構成する2つの成分が再生した。さらに数時間、真空下で室温で放置すると、CO2が完全に放出され_、 FLPが再生された。^[19]

対照的に、分子内FLP-CO2_化合物は室温では固体として安定しているが、-20℃を超える温度ではジクロロメタン溶液として完全に分解し、CO2を放出して_FLP分子を再生する。^[19]

このFLP炭素回収法はフロー化学システムにも応用できる。^[21]

フラストレートラジカル対（FRP）は、ルイス塩基とルイス酸（場合によっては光活性化後）間の単一電子移動によって生成されます。これらはEPR 分光法を使用して研究できます。

FRP は、二水素の活性化など、FLP のいくつかの反応の中間体として提案されてきました。このようなメカニズムは、ルイス塩基の酸化電位とルイス酸の還元電位から推測できる、FLP 間の自発的な単一電子移動によるフラストレートしたラジカル対の濃度が重要ではないため、後に否定されました。

フラストレートしたラジカル対は、例えばCH結合の機能化など、ホモリティックに化学結合を活性化する合成用途に利用できる可能性がある。^[22]