Гидроборирование алкенов

В 1956 году в лаборатории Университета Пердью эфир олеиновой кислоты «съел» больше восстановителя, чем полагалось по уравнению. Герберт Браун не списал это на ошибку, а разобрался — и открыл реакцию, за которую через 23 года получил Нобелевскую премию. Гидроборирование — присоединение связи B–H к двойной или тройной связи — стало одним из самых надёжных инструментов органического синтеза: оно превращает алкен в спирт «против правила Марковникова», идёт без перегруппировок, с одной стороны двойной связи, а связь углерод–бор потом можно заменить на OH, NH₂, H, D, галоген, новую связь C–C, не затронув (или предсказуемо изменив) пространственное строение молекулы.

В статье — история боранов и открытия Брауна, реагенты, механизм (включая современные данные о том, почему для этой реакции не работает теория переходного состояния), региоселективность и стереохимия на многих примерах, окисление, превращения связи C–B, карбонилирование и гомологизация, гидроборирование алкинов, изомеризация алкилборанов, избирательные и хиральные бораны, каталитическое гидроборирование, реакция Судзуки и применение в синтезе. В конце — что нужно знать для ЕГЭ, раздел для олимпиад и 25 заданий с разбором. Общие сведения о реакциях алкенов — в статье «Реакции алкенов», о механизмах с карбокатионами — в статье «Электрофильное присоединение к алкенам».

• 1. Что такое гидроборирование
• 2. Бораны: самые странные гидриды
• 3. Герберт Браун и открытие 1956 года
• 4. Реагенты и хемоселективность
• 5. Механизм
• 6. Региоселективность
• 7. Стереохимия
• 8. Окисление: от борана к спирту
• 9. Другие превращения связи C–B
• 10. Карбонилирование и гомологизация
• 11. Гидроборирование алкинов
• 12. Изомеризация алкилборанов
• 13. Избирательные бораны
• 14. Асимметрическое гидроборирование
• 15. Каталитическое гидроборирование
• 16. От гидроборирования к реакции Судзуки
• 17. Гидроборирование в синтезе
• 18. Техника безопасности
• 19. Интересные факты
• 20. Что пока обсуждается
• 21. Что нужно знать для ЕГЭ
• 22. Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

1. Что такое гидроборирование

Сам по себе алкилборан редко бывает целью. Обычно его тут же превращают дальше, и самая известная последовательность — гидроборирование–окисление: алкилборан окисляют пероксидом водорода в щёлочи, и на месте бора оказывается гидроксильная группа. В сумме получается присоединение воды «против правила Марковникова»: из пропена — пропан-1-ол, а не пропан-2-ол, как при кислотной гидратации. Но это лишь одно из десятков превращений: алкилбораны — универсальные «полуфабрикаты» органического синтеза.

2. Бораны: самые странные гидриды

Бор стоит в периодической таблице рядом с углеродом, но его гидриды совсем не похожи на углеводороды. Простейший «боран» BH₃ в свободном виде не существует: у атома бора всего шесть валентных электронов, и ему не хватает пары до октета. Поэтому две молекулы BH₃ объединяются в диборан B₂H₆ — газ с неприятным запахом, самовоспламеняющийся на воздухе и очень ядовитый.

Систематическое изучение гидридов бора начал немецкий химик Альфред Шток в 1912 году. Вещества оказались летучими, чувствительными к воздуху и влаге, и Шток создал для них особую вакуумную технику — стеклянные вакуумные линии, которыми химики пользуются до сих пор [3]. Строение диборана долго оставалось загадкой: в молекуле 12 валентных электронов, а связей, если рисовать по образцу этана, нужно семь, то есть 14 электронов. В 1943 году Кристофер Лонге-Хиггинс, тогда ещё студент, предложил ответ: два атома водорода служат «мостиками» между атомами бора, и каждый мостик B–H–B — это трёхцентровая двухэлектронная связь: одна пара электронов удерживает сразу три атома [4]. Позже Уильям Липскомб распространил эту идею на всю химию боранов и получил за неё Нобелевскую премию 1976 года.

Из-за электронного дефицита бора бораны — кислоты Льюиса: они охотно присоединяют молекулы с неподелённой парой электронов. С простыми эфирами, сульфидами и аминами BH₃ образует устойчивые комплексы, а с алкенами, у которых пара электронов «в π-связи», — реагирует. Это и есть химическая основа гидроборирования.

3. Герберт Браун и открытие 1956 года

Герберт Чарльз Браун (1912–2004) родился в Лондоне в семье эмигрантов из Житомира и вырос в Чикаго. В колледже он познакомился с Сарой Бейлен, лучшей студенткой химического отделения; она стала его женой. К окончанию колледжа в 1936 году Сара подарила ему книгу Альфреда Штока «Гидриды бора и кремния» — по словам Брауна, самую дешёвую химическую книгу в магазине. Так он выбрал тему: его диссертация в Чикагском университете у Германа Шлезингера была посвящена реакциям диборана [5, 6].

В годы войны Шлезингер и Браун искали летучие соединения урана для его разделения и попутно разработали удобный синтез борогидрида натрия NaBH₄ — мягкого восстановителя, без которого сегодня не обходится ни одна лаборатория органического синтеза [7].

Открытие гидроборирования — пример того, как внимательность к «неправильному» результату приводит к большой науке. В 1956 году Браун и его аспирант Б. Субба Рао восстанавливали сложные эфиры борогидридом натрия в присутствии хлорида алюминия. Эфир олеиновой кислоты — с двойной связью в цепи — расходовал заметно больше гидрида, чем насыщенные эфиры. Браун предположил, что избыток восстановителя присоединился к двойной связи, проверил это и обнаружил, что диборан в эфирных растворителях присоединяется к алкенам быстро, количественно и при комнатной температуре. До того считалось, что бораны с алкенами реагируют только при нагревании и ни на что в синтезе не годятся [1, 6].

За следующие двадцать лет Браун и его сотрудники (среди них — будущий нобелевский лауреат Эй-ити Негиши) превратили реакцию в целую область химии: нашли избирательные и хиральные бораны, десятки способов превращения связи C–B. В 1979 году Браун получил Нобелевскую премию «за развитие использования борсодержащих соединений в органическом синтезе» — вместе с Георгом Виттигом, награждённым за реакцию фосфорных илидов. Свою нобелевскую лекцию Браун назвал «От маленьких желудей к высоким дубам» [6].

4. Реагенты и хемоселективность

С самим дибораном работать неудобно: это ядовитый газ. Поэтому в лаборатории используют его комплексы с донорами:

• BH₃·THF — раствор борана в тетрагидрофуране (около 1 моль/л). Самый распространённый реагент; при хранении медленно разлагается, восстанавливая растворитель.
• BH₃·SMe₂ (боран-диметилсульфид) — концентрированная (около 10 моль/л) и устойчивая жидкость; недостаток — запах диметилсульфида.
• Комплексы с аминами (например, BH₃·NMe₃) слишком прочны и с алкенами почти не реагируют: для гидроборирования нужен слабый донор, который легко уступает место алкену.

У борана три связи B–H, и каждая способна присоединиться к алкену. С незатруднёнными алкенами BH₃ даёт триалкилборан R₃B: на один моль борана уходит три моля алкена. С объёмными алкенами реакция останавливается на диалкилборане R₂BH или моноалкилборане RBH₂ — так получают избирательные реагенты (раздел 13).

Хемоселективность. Боран — не только реагент гидроборирования, но и восстановитель, и важно знать, что он «трогает». BH₃ быстро восстанавливает карбоновые кислоты (быстрее, чем присоединяется к алкенам), альдегиды, кетоны, амиды и нитрилы, медленнее — сложные эфиры; не трогает галогениды и нитрогруппы. Поэтому в молекуле с группой COOH гидроборировать двойную связь чистым BH₃ не получится. Объёмные бораны (9-BBN, дисиамилборан) реагируют с карбонильными группами медленно и позволяют гидроборировать алкен в присутствии сложного эфира или кетона. Бороновые эфиры — катехолборан и пинаколборан — без катализатора почти ни с чем не реагируют (раздел 15) [8].

5. Механизм

Гидроборирование идёт в одну стадию: связи C–B и C–H образуются одновременно через четырёхцентровое переходное состояние, в котором атомы B, H и оба атома углерода образуют четырёхугольник. Пара электронов π-связи переходит на бор, пара электронов связи B–H — на второй атом углерода [2, 9].

Отсюда три следствия.

• Син-присоединение. Бор и водород входят с одной стороны двойной связи: они связаны друг с другом и подойти с разных сторон не могут.
• Нет перегруппировок. Свободный карбокатион не образуется, поэтому скелет молекулы не перестраивается, в отличие от кислотной гидратации.
• Региоселективность. В переходном состоянии связь C–B образуется чуть раньше, чем связь C–H, и на том атоме углерода, который получит водород, возникает частичный положительный заряд. Выгоднее, чтобы этот заряд оказался на более замещённом атоме (его стабилизируют алкильные группы) — значит, бор идёт к менее замещённому. В ту же сторону действует и пространственный фактор: объёмной группе BH₂ (а тем более BR₂) легче подойти к менее загромождённому концу двойной связи.

Кинетика. BH₃·THF реагирует через свободный BH₃: сначала уходит молекула растворителя, затем боран присоединяется к алкену. Для 9-BBN, который существует в виде димера с мостиковыми атомами водорода, скорость часто определяется распадом димера: с активными алкенами реакция идёт с одной и той же скоростью независимо от строения алкена — первым порядком по димеру и нулевым по алкену; с малоактивными алкенами медленной становится уже стадия присоединения [8].

Современные расчёты уточняют картину: сначала боран образует с алкеном слабый π-комплекс, а уже из него через переходное состояние получается продукт. В 2009 году Освальдо Ойола и Дэниел Синглтон показали, что для гидроборирования пропена BH₃ не работает классическая теория переходного состояния: соотношение продуктов определяется не высотами двух барьеров, а тем, как молекулы «движутся» по поверхности потенциальной энергии после образования π-комплекса. Это один из самых известных примеров роли динамики в органической реакции [10].

6. Региоселективность

Направление присоединения Браун измерил для сотен алкенов. Вот результаты для простых случаев (доля продукта с бором у менее замещённого атома) [2, 8]:

Закономерности: 1) чем сильнее различаются концы двойной связи, тем выше избирательность; 2) у стирола она хуже всего — фенильная группа стабилизирует частичный положительный заряд на соседнем атоме и частично «перетягивает» бор к себе; 3) объёмные бораны (9-BBN, дисиамилборан) резко повышают избирательность: для них решающим становится пространственный фактор [11].

Функциональные группы рядом с двойной связью тоже влияют. В виниловых эфирах CH₂=CH–OR бор идёт к концевому атому (β-положению относительно кислорода): кислород отдаёт пару и стабилизирует частичный положительный заряд на соседнем атоме. В аллильных соединениях (аллилхлорид, аллиловые эфиры) акцепторная группа уменьшает избирательность BH₃, и для них берут 9-BBN.

1,2-Дизамещённые алкены (бут-2-ен, циклогексен) — частный случай: концы двойной связи похожи, и региоселективность задаёт только разница в объёме заместителей. С BH₃ такие алкены дают смеси, а объёмные бораны ставят бор дальше от более крупной группы.

7. Стереохимия

Син-присоединение лучше всего видно на циклических алкенах. 1-Метилциклогексен после гидроборирования и окисления даёт транс-2-метилциклогексанол: бор (а после окисления — OH) встал к C2, водород — к C1, и оба с одной стороны кольца; метильная группа при этом оказалась с другой стороны от OH. Продукт образуется в виде рацемата: боран с равной вероятностью подходит сверху и снизу плоского алкена. Кислотная гидратация того же алкена даёт совсем другой спирт — 1-метилциклогексанол, по правилу Марковникова и без стереоцентров.

Если две стороны двойной связи неравноценны, боран подходит с менее загромождённой. У норборнена это экзо-сторона (со стороны однокарбонового мостика CH₂): гидроборирование–окисление даёт экзо-норборнеол почти без примеси эндо-изомера. У α-пинена боран подходит со стороны, противоположной геминальной диметильной группе мостика, — так получается изопинокамфеол и диизопинокамфеилборан (раздел 14). У стероидов боран атакует с менее загромождённой α-стороны, противоположной ангулярным метильным группам.

Для ациклических алкенов правило то же: из (Z)- и (E)-изомеров получаются разные диастереомеры, то есть реакция стереоспецифична. В сочетании с тем, что последующие превращения связи C–B идут с предсказуемой стереохимией, это позволяет получать спирты, амины и галогениды с заранее заданным расположением групп.

8. Окисление: от борана к спирту

Окисление алкилборанов пероксидом водорода в щелочной среде — вторая половина самого известного применения гидроборирования. Механизм установлен Брауном и его коллегами [2, 9]:

1. в щёлочи пероксид водорода превращается в гидропероксид-ион HOO⁻; он присоединяется к атому бора, у которого есть пустая орбиталь, — получается отрицательно заряженный боратный комплекс;
2. алкильная группа переходит с бора на соседний атом кислорода вместе со своей парой электронов; одновременно рвётся слабая связь O–O, и уходит гидроксид-ион. Это 1,2-сдвиг, похожий на перегруппировки Байера — Виллигера и Криге;
3. то же повторяется ещё дважды, пока все три группы не окажутся на кислороде; получается триалкилборат B(OR)₃;
4. щёлочь гидролизует борат до трёх молекул спирта и бората натрия.

Главное в этом механизме — атом углерода мигрирует со своей парой электронов и ни на миг не становится свободным. Поэтому его конфигурация сохраняется: если бор был «сверху», то и OH окажется «сверху». Суммарный итог гидроборирования–окисления — син-присоединение H и OH к двойной связи.

Пероксид и щёлочь можно заменить другими окислителями. Перборат натрия в воде — дешёвый, безопасный и мягкий. Триметиламин-N-оксид окисляет боран в нейтральной среде — это нужно, если в молекуле есть чувствительные к основанию группы. Хромовая кислота или пиридиний-хлорхромат окисляют вторичные алкилбораны сразу до кетонов. Кислород воздуха окисляет триалкилбораны через радикалы, без контроля стереохимии.

9. Другие превращения связи C–B

Алкилбораны — универсальные промежуточные соединения; связь C–B превращается в связи с водородом, азотом, галогенами и углеродом [2, 8]. Важно помнить, какая стереохимия у каждого превращения.

• Протонолиз (с сохранением конфигурации). Карбоновые кислоты при нагревании расщепляют связь C–B и ставят на место бора водород: алкен в итоге восстановлен до алкана. С дейтерированной уксусной кислотой CH₃COOD в молекулу входит атом дейтерия в точно заданное положение. Это мягкий способ «гидрирования» без водорода и катализатора.
• Аминирование (с сохранением). Гидроксиламин-O-сульфоновая кислота NH₂OSO₃H или хлорамин превращают алкилборан в первичный амин: атом азота присоединяется к бору, а затем алкильная группа мигрирует на азот, вытесняя сульфат — так же, как при окислении она мигрирует на кислород [12]. Органические азиды дают вторичные амины.
• Галогенирование (с обращением). Бром в присутствии метилата натрия или иод в щёлочи дают алкилбромиды и алкилиодиды «против Марковникова». Галоген атакует атом углерода с тыла, как в S_N2, и конфигурация обращается [8].
• Сочетание (через радикалы). Нитрат серебра в щёлочи «сшивает» две алкильные группы: из двух молекул гекс-1-ена через гексилборан получается додекан. Реакция идёт через свободные радикалы, и стереохимия не сохраняется.
• Сопряжённое присоединение. Триалкилбораны при участии следов кислорода присоединяются к метилвинилкетону и акролеину по радикальному механизму — так получают кетоны и альдегиды с удлинённой цепью.

10. Карбонилирование и гомологизация

Монооксид углерода, как и пероксид, присоединяется к пустой орбитали бора, после чего алкильные группы по одной переходят с бора на углерод [13]:

• при 150 °C переходят все три группы — после окисления получается третичный спирт R₃C–OH, в котором все три алкильные группы пришли из алкенов;
• в присутствии воды переход останавливается на двух группах — получается кетон R₂C=O;
• с гидридом LiAlH(OCH₃)₃ переходит одна группа — получается альдегид R–CHO, на один атом углерода длиннее алкена.

Браун использовал тексилборан для синтеза циклических кетонов: диен присоединяется к ThxBH₂, замыкая борсодержащий цикл, а карбонилирование превращает его в циклический кетон.

Гомологизация Маттесона. В 1980 году Дональд Маттесон обнаружил, что бороновые эфиры R–B(OR′)₂ реагируют с дихлорметиллитием LiCHCl₂: группа R переходит с бора на углерод, и цепь удлиняется на один атом — с полным контролем конфигурации нового стереоцентра, если бороновый эфир хирален [14]. Повторяя эту операцию, можно «наращивать» цепь атом за атомом. Вариндер Аггарвал (Бристоль) развил эту идею в «конвейерный синтез»: в 2014 году его группа последовательно провела десять циклов гомологизации и получила углеродную цепь с десятью стереоцентрами заданной конфигурации, а форму молекулы (спираль или линейную) задавала последовательность стереоцентров [15].

11. Гидроборирование алкинов

Алкины тоже присоединяют связь B–H, но с BH₃ реакция идёт дальше — к двукратному присоединению. Поэтому для алкинов берут объёмные диалкилбораны: дисиамилборан, дициклогексилборан, 9-BBN. Они присоединяются один раз, и получается винилборан [2, 8].

• Присоединение син: бор и водород оказываются по одну сторону новой двойной связи, и винилборан из концевого алкина имеет (E)-конфигурацию (бор и алкильная группа — по разные стороны).
• Окисление винилборана даёт енол, который тут же превращается в карбонильное соединение. Из концевого алкина получается альдегид — это гидратация алкина «против Марковникова». Ртутная гидратация (реакция Кучерова) того же алкина даёт метилкетон. Из внутреннего алкина гидроборирование–окисление даёт кетон.
• Протонолиз винилборана карбоновой кислотой даёт цис-алкен — так получают (Z)-алкены из внутренних алкинов без катализатора Линдлара.
• Катехолборан и пинаколборан при нагревании или с катализатором дают устойчивые (E)-алкенилбороновые эфиры — главные реагенты для синтеза сопряжённых диенов реакцией Судзуки.

Олефинирование по Цвайфелю (Джордж Цвайфель, 1967): винилборан с иодом и щёлочью превращается в алкен, в котором одна из групп с бора перешла на углерод. Иод образует с двойной связью иодониевый ион, алкильная группа мигрирует с бора на соседний атом, а затем бор и иод отщепляются. В итоге из (E)-винилборана получается чистый (Z)-алкен — стереоспецифический синтез, которого трудно добиться другими методами [16].

12. Изомеризация алкилборанов

При комнатной температуре гидроборирование необратимо. Но при нагревании (около 150 °C) алкилборан отщепляет связь B–H обратно, образуя алкен, и присоединяет её снова — и так много раз. Бор «шагает» вдоль цепи и в конце концов оказывается на самом конце, у первичного атома: там он пространственно свободнее всего, и такой алкилборан устойчивее остальных [2].

Так из внутреннего алкена, например 3-этилпент-2-ена, после нагревания и окисления получается первичный спирт 3-этилпентан-1-ол, хотя двойная связь была в середине молекулы. Это «контртермодинамическая» изомеризация: термодинамически устойчивее внутренние алкены, а бор переносит функциональную группу на конец цепи. Если в реакционную смесь добавить другой, более реакционноспособный алкен, он «вытеснит» с бора исходный — так получают концевые алкены из внутренних. Современные катализаторы на кобальте и железе делают то же при комнатной температуре (раздел 15).

13. Избирательные бораны

У борана BH₃ три «руки», и он мало разборчив. Браун понял, что бораны с объёмными заместителями будут требовательнее к алкену, и создал целый набор реагентов [8, 11]:

• Дисиамилборан (Sia₂BH) — из BH₃ и двух молекул 2-метилбут-2-ена; из-за объёма дальше одного присоединения реакция не идёт. Избирательно гидроборирует концевые двойные связи в присутствии внутренних и алкины — до винилборанов.
• Тексилборан (ThxBH₂) — из 2,3-диметилбут-2-ена; единственный удобный моноалкилборан; присоединяет ещё два алкена, в том числе два разных, — так получают «смешанные» бораны и кетоны.
• 9-Борабицикло[3.3.1]нонан (9-BBN) — из BH₃ и циклоокта-1,5-диена. Кристаллическое вещество, устойчивое на воздухе в виде димера, самый избирательный из простых боранов: с гекс-1-еном даёт 99,9 % первичного продукта. Жёсткий бициклический каркас делает его чувствительнее к различиям в пространственном окружении, чем гибкие алкильные группы дисиамилборана.
• Катехолборан и пинаколборан — бораны с двумя атомами кислорода при боре. Они гораздо менее реакционноспособны (кислород отдаёт бору свою пару электронов), с алкенами без катализатора реагируют медленно и при нагревании, зато дают устойчивые бороновые эфиры, которые можно выделить, хранить и использовать в реакции Судзуки.
• Дибромборан и дихлорборан — более сильные кислоты Льюиса; присоединяются один раз и дают алкилдигалогенбораны, из которых получают бороновые кислоты.

Общее правило: чем объёмнее боран, тем выше регио- и стереоселективность, но ниже скорость. Хороший пример — лимонен: в нём тризамещённая двойная связь в кольце и 1,1-дизамещённая снаружи. BH₃ реагирует с обеими, а 9-BBN — только с внешней.

14. Асимметрическое гидроборирование

Если боран сам хирален, он подходит к плоскому алкену с двух сторон с разной вероятностью, и продукт получается с избытком одного энантиомера. В 1961 году Браун и Джордж Цвайфель получили такой боран из природного терпена α-пинена: две молекулы (+)-α-пинена присоединяются к BH₃, образуя диизопинокамфеилборан (Ipc₂BH). Гидроборирование цис-бут-2-ена этим реагентом с последующим окислением дало (R)-бутан-2-ол с энантиомерным избытком (ee) 87 %, то есть 93,5 % одного энантиомера и 6,5 % другого, — по тем временам рекорд для несимметричного синтеза, который до того давал в лучшем случае единицы процентов [17]. Позже выяснилось, что сам пинен был чистотой лишь около 92 % ee, так что реагент работал ещё лучше, чем казалось.

Ipc₂BH хорош для цис-дизамещённых алкенов, но слишком объёмен для транс- и тризамещённых. Для них Браун разработал моноизопинокамфеилборан IpcBH₂. Хиральные бораны из пинена применяют и для восстановления кетонов (Alpine-Borane, DIP-Cl), и для асимметрического аллилборирования альдегидов — получения хиральных гомоаллиловых спиртов. А α-пинен так и остался одним из главных «хиральных блоков» в химии: оба его энантиомера дёшевы, потому что их выделяют из скипидара.

Асимметрическое гидроборирование было одним из первых практических методов асимметрического синтеза — за два десятилетия до асимметрического гидрирования Ноулза и эпоксидирования Шарплесса, отмеченных Нобелевской премией 2001 года.

15. Каталитическое гидроборирование

В 1985 году Дитмар Мэнниг и Хайнрих Нёт обнаружили, что катализатор Уилкинсона RhCl(PPh₃)₃ резко ускоряет присоединение катехолборана к алкенам: без катализатора реакция требует около 100 °C и двух часов, с 0,05 % родия идёт за 20 минут при комнатной температуре. Более того, в присутствии катализатора реагирует двойная связь C=C, а не карбонильная группа, как при обычном взаимодействии с катехолбораном [18].

Механизм здесь иной: родий окислительно присоединяет связь B–H, алкен внедряется по связи Rh–H, и затем из комплекса отщепляется алкилборан (восстановительное элиминирование). Поскольку избирательность задаёт металл с лигандами, а не сам боран, каталитическое гидроборирование открыло то, что некаталитическому недоступно [19].

• Продукт по Марковникову. Со стиролом катионный комплекс родия ставит бор к бензильному атому: после окисления получается 1-фенилэтанол, а не 2-фенилэтанол. В 1989 году Тамио Хаяси с хиральным лигандом BINAP получил его с энантиомерным избытком до 96 % — одна из первых высокоэнантиоселективных каталитических реакций гидроборирования [20]. Позже продукты по Марковникову научились получать с катализаторами на меди, кобальте и железе.
• Направленное гидроборирование. Группа в молекуле субстрата (амид, эфир фосфиновой кислоты) может связаться с родием и «привести» бор к нужному атому и с нужной стороны.
• Удалённое гидроборирование. Катализатор на основе кобальта или железа сначала перемещает двойную связь вдоль цепи, а бор ставит на самый конец (цепная изомеризация–гидроборирование) — то же, что при нагревании алкилборана (раздел 12), но при комнатной температуре.

Долгое время катализаторами служили родий и иридий — дорогие и редкие металлы. С 2010-х годов группа Пола Чирика и другие разработали катализаторы на основе железа, кобальта и никеля с азотсодержащими лигандами, не уступающие родиевым по активности и часто превосходящие их по избирательности [21]. Есть и безметалльный катализ: бораны с акцепторными группами, например HB(C₆F₅)₂, сами ускоряют присоединение пинаколборана.

16. От гидроборирования к реакции Судзуки

Главный «потребитель» борорганических соединений сегодня — реакция Судзуки — Мияуры: кросс-сочетание бороновых кислот и их эфиров с галогенидами в присутствии палладия и основания [22]. Акира Судзуки в 1960-х два года стажировался у Брауна в Пердью, и первые варианты реакции (1979) были придуманы именно для алкенил- и алкилборанов, полученных гидроборированием. Последовательность «гидроборирование 9-BBN — сочетание» называют B-алкильным сочетанием Судзуки: алкен превращается в B-алкил-9-BBN, а затем алкильная группа «пересаживается» на арил- или винилгалогенид [23].

Каталитическое гидроборирование пинаколбораном даёт бороновые эфиры R–Bpin, которые устойчивы к воздуху и воде, выдерживают хроматографию и хранение — идеальные «строительные блоки» для сочетания. В 2010 году Судзуки, Негиши и Хек получили Нобелевскую премию за палладий-катализируемое кросс-сочетание; два из трёх лауреатов — ученики Брауна.

17. Гидроборирование в синтезе

Гидроборирование — рабочая реакция синтеза природных веществ и лекарств. Несколько типичных приёмов:

• Первичный спирт из концевого алкена — когда нужно «продлить» функциональность на конец цепи (гидроборирование–окисление 9-BBN или дисиамилбораном).
• Спирт с заданной конфигурацией из циклического или бициклического алкена: син-присоединение с менее загромождённой стороны и окисление с сохранением конфигурации. Так в синтезах терпенов и стероидов ставят группу OH «точно на место».
• Соединение фрагментов. В полном синтезе эпотилона A — противоопухолевого вещества с механизмом действия, похожим на таксол, — группа Сэмюэла Данишефски в 1996 году соединила два крупных фрагмента B-алкильным сочетанием Судзуки: один фрагмент гидроборировали 9-BBN и сочетали с винилиодидом другого [24].
• Цепи со многими стереоцентрами — гомологизация Маттесона и конвейерный синтез Аггарвала (раздел 10).
• Борсодержащие лекарства. Бороновые кислоты стали отдельным классом лекарств: бортезомиб (противоопухолевый препарат, ингибитор протеасомы, 2003), иксазомиб, ваборбактам (ингибитор бета-лактамаз). При их синтезе связь C–B создают методами, выросшими из химии Брауна, в частности гомологизацией Маттесона.

18. Техника безопасности

• Диборан — ядовитый газ, на воздухе самовоспламеняется; с ним работают только в закрытых системах. Растворы BH₃·THF и BH₃·SMe₂ при контакте с водой выделяют водород; все операции ведут в сухой посуде под азотом или аргоном.
• Триалкилбораны низшего ряда (например, триэтилборан) пирофорны; продукты гидроборирования обычно не выделяют, а сразу окисляют.
• Окисление пероксидом водорода сильно экзотермично: пероксид добавляют по каплям при охлаждении.
• 9-BBN в виде димера хранится на воздухе, но его растворы легко окисляются.

19. Интересные факты

• Самая дешёвая книга. Браун говорил, что занялся бором потому, что подаренная ему книга Штока была самой дешёвой в магазине: будущая жена не могла позволить себе более дорогой подарок [5].
• Кто нёс деньги. По воспоминаниям Брауна, из Стокгольма он вёз Нобелевскую медаль, а Сара — чек; все домашние и финансовые дела в семье всегда вела она [5].
• Ошибка на пользу. Реакцию открыли из-за «лишнего» расхода реагента в рутинном опыте по восстановлению сложных эфиров [6].
• Урановый след. Синтез NaBH₄ — побочный результат работ по разделению изотопов урана в годы Второй мировой войны [7].
• Реакция без переходного состояния. Гидроборирование пропена — классический пример, на котором показали, что соотношение продуктов может определяться динамикой движения атомов, а не высотой барьеров [10].
• Из скипидара. Хиральный реагент Брауна делают из α-пинена — главного компонента скипидара, самого дешёвого из хиральных веществ.
• Ученики-лауреаты. Двое из трёх нобелевских лауреатов 2010 года по кросс-сочетанию — Судзуки и Негиши — работали в лаборатории Брауна.
• Десять стереоцентров подряд. Конвейерный синтез Аггарвала с повторной гомологизацией бороновых эфиров позволяет строить углеродные цепи, форма которых задана заранее, — как бусины на нитке [15].
• Вода «наоборот». Гидроборирование–окисление и кислотная гидратация вместе позволяют из одного алкена получить оба возможных спирта, а из концевого алкина — альдегид или кетон.
• Бор, который «бегает». При нагревании алкилборана атом бора проходит вдоль цепи и останавливается на её конце.

20. Что пока обсуждается

• Детали механизма. Образуется ли π-комплекс как отдельный минимум на пути реакции и в каких случаях динамика важнее барьеров — предмет расчётов и дискуссий после работы Ойолы и Синглтона [10].
• Механизмы катализа. Для родиевого катализа предложены и диссоциативный (Мэнниг и Нёт), и ассоциативный (Бёрджесс) пути; для железа и кобальта механизмы зависят от лиганда и до конца не установлены [19, 21].
• Замена редких металлов. Какие из катализаторов на железе и кобальте выдержат промышленный масштаб — вопрос ближайших лет.

21. Что нужно знать для ЕГЭ

В школьной программе и кодификаторе ЕГЭ [25] гидроборирования нет: присоединение воды к алкенам в ЕГЭ рассматривают только по правилу Марковникова. Но для понимания темы полезно знать:

• правило Марковникова — следствие устойчивости карбокатионов; есть реакции, которые идут «против» правила, потому что у них другой механизм (гидроборирование, присоединение HBr с пероксидами);
• гидроборирование–окисление — способ получить первичный спирт из концевого алкена: пропен → пропан-1-ол;
• борогидрид натрия NaBH₄ — мягкий восстановитель альдегидов и кетонов до спиртов;
• гидратация алкинов в ЕГЭ — реакция Кучерова: из ацетилена — ацетальдегид, из других алкинов — кетоны.

22. Для олимпиад

Как предсказать продукт

1) Бор — к менее замещённому (менее загромождённому) атому углерода, водород — к более замещённому; при катализе родием у стиролов — наоборот. 2) H и B с одной стороны двойной связи; у циклов и бициклов — с менее загромождённой стороны. 3) Замена бора на OH, NH₂, H, D идёт с сохранением конфигурации, на Br и I — с обращением, через AgNO₃ — без контроля. 4) Перегруппировок нет. 5) Продукт из нехирального алкена и нехирального борана — рацемат. 6) При нагревании бор уходит на конец цепи.

Стехиометрия

BH₃ присоединяет три молекулы алкена, R₂BH — одну. Окисление R₃B требует трёх молей H₂O₂ и даёт три моля спирта. Диборан B₂H₆ — это два BH₃: шесть молекул алкена. При карбонилировании до третичного спирта все три группы R₃B оказываются в одной молекуле продукта.

Энантиомерный избыток

ee = (доля R − доля S) · 100 %. При 87 % ee доля главного энантиомера (1 + 0,87) / 2 = 93,5 %, минорного — 6,5 %.

Сравнение способов гидратации

Задания с разбором

Задание 1

Напишите продукты гидроборирования–окисления а) пропена, б) 2-метилбут-2-ена, в) стирола. Какой из них образуется с наименьшей избирательностью и почему?

Задание 2

Почему при гидроборировании бор присоединяется к менее замещённому атому углерода? Назовите два фактора.

Задание 3

1-Метилциклопентен обработали BH₃·THF, затем H₂O₂/NaOH. Назовите продукт и укажите взаимное расположение метильной и гидроксильной групп.

Задание 4

3,3-Диметилбут-1-ен при кислотной гидратации даёт 2,3-диметилбутан-2-ол, а при гидроборировании–окислении — 3,3-диметилбутан-1-ол. Объясните разницу.

Задание 5

Объясните, почему окисление алкилборана пероксидом водорода идёт с сохранением конфигурации атома углерода.

Задание 6

Предложите способ получить из гекс-1-ена а) гексан-1-ол, б) гексан-1-амин, в) 1-бромгексан, г) 1-дейтерогексан, д) додекан, е) гептаналь.

Задание 7

Чем 9-BBN отличается от BH₃ как реагент? Когда его выбирают?

Задание 8

Почему катехолборан и пинаколборан без катализатора почти не реагируют с алкенами, хотя тоже содержат связь B–H?

Задание 9

В чём состояло открытие Мэннига и Нёта 1985 года и почему оно важно?

Задание 10

Как связаны гидроборирование и реакция Судзуки?

Задание 11

Какой продукт получится из норборнена после гидроборирования и окисления? Почему?

Задание 12

Гекс-1-ин обработали дисиамилбораном, затем а) H₂O₂/NaOH; б) уксусной кислотой. Что получится? Что даст реакция Кучерова с тем же алкином?

Задание 13

Как получить (Z)-гекс-3-ен из гекс-3-ина без водорода и катализатора? Объясните стереохимию.

Задание 14

Почему для гидроборирования алкинов используют дисиамилборан или 9-BBN, а не BH₃?

Задание 15

Лимонен обработали 9-BBN, затем пероксидом водорода в щёлочи. Какая двойная связь прореагировала и почему?

Задание 16

3-Этилпент-2-ен гидроборировали BH₃·THF. Какой спирт получится после окисления сразу и после нагревания алкилборана до 150 °C?

Задание 17

Какой стереохимический результат даст бромирование алкилборана (Br₂, NaOCH₃), полученного из 1-метилциклопентена? Сравните с окислением.

Задание 18

Какие продукты дают тригексилборан и монооксид углерода а) при 150 °C, б) с водой, в) с LiAlH(OCH₃)₃ (после окисления)?

Задание 19

Почему асимметрическое гидроборирование диизопинокамфеилбораном считают одним из первых практических методов асимметрического синтеза?

Задание 20

Почему в молекуле, содержащей группу COOH и двойную связь C=C, нельзя гидроборировать двойную связь избытком BH₃ без последствий?

Задание 21 (олимпиадное)

К 0,20 моль BH₃·THF добавили избыток гекс-1-ена, затем окислили смесь пероксидом водорода в щёлочи. Какая масса гексан-1-ола получится при выходе 90 %? Сколько молей H₂O₂ нужно по уравнению?

Задание 22 (олимпиадное)

Диизопинокамфеилборан, приготовленный из α-пинена с 92 % ee, дал бутан-2-ол с 87 % ee. Рассчитайте долю (R)- и (S)-бутан-2-ола в продукте. Почему результат «лучше, чем кажется»?

Задание 23 (олимпиадное)

Алкен C₆H₁₂ при гидроборировании–окислении даёт спирт, который при окислении превращается в кетон, а при кислотной гидратации — третичный спирт. Установите строение алкена и обоих спиртов.

Задание 24 (олимпиадное)

С гекс-1-еном BH₃·THF даёт 94 % гексан-1-ола и 6 % гексан-2-ола, 9-BBN — 99,9 % и 0,1 %. Во сколько раз 9-BBN снижает долю примеси? Из 8,4 г гекс-1-ена с 9-BBN получили 9,2 г гексан-1-ола. Рассчитайте выход.

Задание 25 (олимпиадное)

Предложите синтез октилбензола из окт-1-ена и бромбензола. Почему не подходит реакция Фриделя — Крафтса с 1-хлороктаном?

Литература

1. Brown H. C., Subba Rao B. C. A new technique for the conversion of olefins into organoboranes and related alcohols // Journal of the American Chemical Society. 1956. Vol. 78. P. 5694–5695.
2. Brown H. C. Hydroboration. New York: W. A. Benjamin, 1962.
3. Stock A. Hydrides of Boron and Silicon. Ithaca: Cornell University Press, 1933.
4. Longuet-Higgins H. C., Bell R. P. The structure of the boron hydrides // Journal of the Chemical Society. 1943. P. 250–255.
5. Herbert C. Brown — Biographical. NobelPrize.org, Nobel Prize Outreach.
6. Brown H. C. From little acorns to tall oaks — from boranes through organoboranes (Nobel lecture, 8 December 1979) // Nobel Lectures, Chemistry 1971–1980. World Scientific, 1993.
7. Schlesinger H. I., Brown H. C., Finholt A. E. et al. Sodium borohydride, its hydrolysis and its use as a reducing agent and in the generation of hydrogen // Journal of the American Chemical Society. 1953. Vol. 75. P. 215–219.
8. Pelter A., Smith K., Brown H. C. Borane Reagents. London: Academic Press, 1988.
9. Clayden J., Greeves N., Warren S. Organic Chemistry. 2nd ed. Oxford University Press, 2012.
10. Oyola Y., Singleton D. A. Dynamics and the failure of transition state theory in alkene hydroboration // Journal of the American Chemical Society. 2009. Vol. 131. P. 3130–3131.
11. Knights E. F., Brown H. C. 9-Borabicyclo[3.3.1]nonane, a remarkably stable dialkylborane for hydroboration of olefins // Journal of the American Chemical Society. 1968. Vol. 90. P. 5280–5281.
12. Brown H. C., Heydkamp W. R., Breuer E., Murphy W. S. The reaction of organoboranes with chloramine and with hydroxylamine-O-sulfonic acid. A convenient synthesis of amines from olefins via hydroboration // Journal of the American Chemical Society. 1964. Vol. 86. P. 3565–3566.
13. Brown H. C., Rathke M. W. The reaction of organoboranes with carbon monoxide. A new general synthesis of trialkylcarbinols // Journal of the American Chemical Society. 1967. Vol. 89. P. 2737–2738.
14. Matteson D. S., Ray R. Directed chiral synthesis with pinanediol boronic esters // Journal of the American Chemical Society. 1980. Vol. 102. P. 7590–7591.
15. Burns M., Essafi S., Bame J. R. et al. Assembly-line synthesis of organic molecules with tailored shapes // Nature. 2014. Vol. 513. P. 183–188.
16. Zweifel G., Arzoumanian H., Whitney C. C. A convenient stereoselective synthesis of substituted alkenes via hydroboration–iodination of alkynes // Journal of the American Chemical Society. 1967. Vol. 89. P. 3652–3653.
17. Brown H. C., Zweifel G. A stereospecific cis hydration of the double bond in cyclic derivatives; asymmetric syntheses via hydroboration // Journal of the American Chemical Society. 1961. Vol. 83. P. 486–487.
18. Männig D., Nöth H. Catalytic hydroboration with rhodium complexes // Angewandte Chemie International Edition in English. 1985. Vol. 24. P. 878–879.
19. Burgess K., Ohlmeyer M. J. Transition-metal-promoted hydroborations of alkenes, emerging methodology for organic transformations // Chemical Reviews. 1991. Vol. 91. P. 1179–1191.
20. Hayashi T., Matsumoto Y., Ito Y. Catalytic asymmetric hydroboration of styrenes // Journal of the American Chemical Society. 1989. Vol. 111. P. 3426–3428.
21. Obligacion J. V., Chirik P. J. Earth-abundant transition metal catalysts for alkene hydrosilylation and hydroboration // Nature Reviews Chemistry. 2018. Vol. 2. P. 15–34.
22. Miyaura N., Suzuki A. Palladium-catalyzed cross-coupling reactions of organoboron compounds // Chemical Reviews. 1995. Vol. 95. P. 2457–2483.
23. Suzuki A. Cross-coupling reactions of organoboranes: an easy way to construct C–C bonds (Nobel lecture) // Angewandte Chemie International Edition. 2011. Vol. 50. P. 6722–6737.
24. Balog A., Meng D., Kamenecka T. et al. Total synthesis of (−)-epothilone A // Angewandte Chemie International Edition in English. 1996. Vol. 35. P. 2801–2803.
25. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения ЕГЭ по химии, 2027 г.