Гидроборирование алкенов, открытое Г. Брауном в 1959 г., в настоящее время приобрело очень большое значение в органическом синтезе, особенно в многостадийных синтезах биологически активных природных соединений. Гидроборирование алкенов представляет собой присоединение гидридов бора по двойной связи. Простейший гидрид бора, боран ВН₃, неизвестен. Это соединение является крайне нестабильной кислотой Льюиса с секстетом электронов у атома бора. Боран самопроизвольно димеризуется в более стабильный диборан. Диборан имеет необычную мостиковую структуру, характерную для электронодефицитных молекул. Мостиковая структура В₂Н₆ является классическим примером двухэлектронной трехцентровой связи В.. Н..В.

Четыре атома водорода и два атома бора диборана лежат в одной плоскости, а оба "мостиковых" атома водорода расположены над и под этой плоскостью. Три атома В..Н..В связаны одной парой электронов, поэтому такая связь называется трехцентровой. Трехцентровая двухэлектронная связь слабее обычной двухцентровой связи, но зато в диборане таких связей две, что обеспечивает определенную прочность димера. Диборан представляет собой бесцветный, ядовитый газ, мгновенно воспламеняющийся на воздухе, поэтому все реакции с ним следует проводить в инертной атмосфере. В настоящее время в синтетической практике чаще используют не диборан, а более стабильные и более селективные гидроборирующие реагенты, такие как дисиамилборан, тексилборан или 9-борабициклононан (см. стр.23, 29).

Диборан получают при взаимодействии боргидрида натрия и эфирата трехфтористого бора (Et₂О^. BF₃) в тетрагидрофуране (ТГФ) или диметиловом эфире этиленгликоля (диметоксиэтане; ДМЭ).

Если исходить из NaBD₄, то этим способом можно получить полностью дейтерированный диборан В₂D₆. Диборан, как кислота Льюиса, при взаимодействии с ТГФ или другим простым эфиром, как основанием Льюиса, образует донорно-акцепторный комплекс.

Этот нестабильный комплекс легко отщепляет BH₃, который быстро и количественно присоединяется к двойной связи алкена с образованием триалкилборана:

Гидроборирование в данном случае включает три стадии. На первой стадии боран присоединяется к алкену с образованием моноалкилборана.

Моноалкилборан содержит две связи В-Н, поэтому последовательно присоединяет еще две молекулы алкена:

Присоединение борана к двойной связи происходит региоселективно против правила Марковникова таким образом, что атом бора оказывается связанным с наименее замещенным атомом углерода при двойной связи. Присоединение борана по двойной связи происходит стереоспецифично как син-присоединение с одновременным связыванием атома бора и водорода с двумя атомами углерода при двойной связи. Поэтому обе новые связи С-В и С-Н образуется с одной и той же стороны кратной связи. Для этой реакции предложено четырехцентровое переходное состояние

Региоселективность присоединения ВН₃ легко предсказать на основании как электронных, так и стерических факторов. Бор обладает меньшей электроотрицательностью (2,0) по сравнению с водородом (2,2), поэтому связь В + -Н - должна быть слабополярной. Кроме того, атом бора в боране является электронодефицитным центром с пустой р-орбиталью, что определяет его электрофильные свойства.

Радиус атома бора больше радиуса атома водорода, поэтому стерический фактор также благоприятствует присоединению бора к наименее замещенному и, следовательно, более пространственно доступному атому углерода. Полагают, что именно стерический фактор играет решающую роль, и направление присоединения борана к двойной связи определяется стерическим контролем реакции.

Монозамещенные алкены в реакции с бораном легко образуют триалкилбораны. В случае три- или тетраалкилзамещенных при двойной связи алкенов гидроборирование можно легко остановить на стадии образования моно- или диалкилборанов, содержащих разветвленные алкильные заместители. Особенно большое значение в органическом синтезе приобрел бис(1,2-диметилпропил)боран, образующийся при взаимодействии ВН₃ с двумя молекулами триметилэтилена.

Этот реагент получил тривиальное название дисиамилборан (Sia)₂BH. Тетраметилэтилен образует с бораном аддукт состава (1:1), 1,1,2-триметилпропилборан, который называется тексилбораном.

Син-присоединение борана к двойной связи проще всего может быть проиллюстрировано на примере гидроборирования 1-метилциклогексена с помощью ВD₃.

При этом образуется транс-трис(2-дейтеро-2-метилциклогексил)боран. Алкилбораны, как правило, не выделяют в индивидуальном виде, а используют непосредственно для синтеза требуемого целевого продукта. Алкилбораны являются ключевыми реагентами для многих самых разнообразных превращений (Г. Браун). Связь углерод-бор в триалкилборанах легко расщепляется под действием кислотных агентов с образованием предельных углеводородов (электроотрицательность бора 2,0; углерода 2,5):

Так как карбоновые кислоты в этой реакции по своей реакционной способности превосходят более сильные кислоты -HC1, НВг и др., для протолиза триалкилборанов был предложен механизм, включающий шестизвенное циклическое переходное состояние с нуклеофильной координацией карбонильного кислорода по атому бора и электрофильной атакой водорода недиссоциированной формы RCOOH по атому углерода триалкилборана.

В целом гидроборирование алкенов с последующим кислотным расщеплением триалкилборанов представляет собой легко доступный и удобный способ превращения алкенов в алканы. Этот метод в сочетании с использованием дейтерированных гидроборирующих агентов особенно удобен в том случае, когда необходимо ввести изотопные дейтериевые метки в алкан или циклоалкан. В качестве кислотного агента используют также дейтероуксусную кислоту СН₃СООD.

Способ получения 9-BBN и его дейтероаналога подробно рассмотрен на стр 27.

Последний пример показывает, что замена группы -B(R)₂ на дейтерий в этих условиях протекает стереоспецифично с полным сохранением геометрической конфигурации. Кроме того, этот метод расщепления В-С-связи может быть с успехом использован также для получения самых разнообразных меченных алкенов, содержащих одну или несколько дейтерированных меток у двойной связи. При этом можно получать дейтерированные алкены с определенной геометрической конфигурацией. В качестве исходных соединений в этом случае используют алкины (RC CR, RC CH, RC CD), а в качестве объемных гидроборирующих агентов (Sia₂BH, 9-BBN или их дейтерированные аналоги, позволяющие проводить селективное моногидроборирование тройной связи.

Более интересные и разнообразные синтетические возможности открывает расщепление триалкилборанов перекисью водорода в щелочной среде. При обработке триалкилборанов щелочным раствором пероксида водорода происходит расщепление связи С-В с образованием спиртов. Таким образом, последовательность этих двух стадий гидроборирования алкенов, представляет собой метод гидратации алкенов.

Гидроборирование несимметричных алкенов с последующим окислением Н₂О₂ позволяет установить региоспецифичность и стереоспецифичность всего процесса. Так, например, при гидроборировании дейтеробораном I-метилциклогексена с последующим окислением триалкилборана щелочным раствором перекиси водорода образуется транс-2-дeйтepo-2-метилциклогексанол.

Это означает, что при окислении группа BR₂ замещается на гидроксил с полным сохранением геометрической конфигурации. Направление гидратации алкена в этом двухстадийном процессе полностью противоположно региоселективности прямой гидратации алкенов или региоселективности реакции гидроксимеркурирования - демеркурирования алкенов. Гидратация алкена, т.е. суммарный процесс гидроборирования - окисления имеет ориентацию прямо противоположную правилу Марковникова (антимарковниковское присоединение по кратной, связи). Для ациклических монозамещенных и дизамещенных алкенов гидроборирование - окисление дает уникальную возможность синтеза первичных спиртов с суммарным выходом 80-95%. Для окислительного расщепления триалкилборанов в щелочной среде предложен следующий механизм. Сначала гидропероксид - ион присоединяется к электронодефицитному атому бора триалкилборана.

Образующийся при этом анионный боратный интермедиат претерпевает перегруппировку с потерей гидроксид - иона. Движущей силой этой перегруппировки является образование очень прочной связи В-0 вместо менее прочной связи С-В.

Более высокая прочность связи бора с кислородом определяется дополнительным перекрыванием заполненной 2р-орбитали кислорода с пустой 2р-орбиталью бора, стабилизирующим связь В-О. Первоначально образующийся продукт R₂BOR подвергается далее окислительному расщеплению аналогично триалкилборану по описанной выше схеме с образованием эфира борной кислоты (триалкилбората).

Триалкилборат в конечном итоге гидролизуется в щелочной среде до спирта и борат-аниона.

Региоселективность гидроборирования алкенов под действием ВН₃, определяемая совместным действием электронных и стерических эффектов, весьма высока и, как правило, превышает 90%. Ниже приведены некоторые наиболее типичные примеры гидроборирования - окисления алкенов.

Селективность гидроборирования можно значительно увеличить, если для гидроборирования алкенов использовать пространственно затрудненные диалкилбораны R₂ВН, например, дисиамилборан (Sia)₂BH.

Другим; важным преимуществом пространственно затрудненных дисиамилборана и тексилборана является селективность гидроборирования замещенных алкенов. Оба этих борана в 20-100 раз более активны по отношению к незамещенной концевой двойной связи, чем к 2-метилалкену-1. Это позволяет селективно гидроборировать концевую двойную связь в присутствии других двойных связей:

Тексилборан реагирует с цис-алкенами в 100 раз быстрее, чем с транс-изомерами, что широко используется в тонком органическим синтезе.

В препаративных целях вместо дисиамилборана можно использовать бициклический 9-борабицикло[3,З,1]нонан (9-BBN). Он не горюч, но довольно легко окисляется на воздухе. Твердый 9-BBN гораздо стабильнее алифатических боранов также и термически. 9-Борабицикло[3,3,1]нонан получается при присоединении ВН₃ к легко доступному цис-цис-1,5~циклооктадиен.

Его дейтерированный аналог D-9-BBN получают восстановлением соответствующего хлорида с помощью LiA1D₄.

Триалкилбораны, образующиеся при гидроборировании алкенов, можно использовать и для синтеза алкилгалогенидов. Замена бора на иод происходит при обработке триалкилборана иодом в щелочной среде или хлористым иодом (ICl) в ТГФ. При действии щелочного раствора иода отщепляются только две из трех первичных алкильных групп бороорганического соединения.

При иодировании триалкилборанов со вторичной алкильной группой удается превратить во втор-RI только одну из этих групп. Использование брома и метилата натрия в ТГФ приводит к алкилбромидам с хорошими, выходами.

Региоселективность этих реакций также прямо противоположна прямому присоединению галогеноводорода к двойной связи. Алкены с концевой двойной связью образуют первичные алкилгалогениды.

Применение триалкилборанов в органическом синтезе получило дальнейшее развитие после того, как была открыта реакция карбонилирования борорганических соединений (Г. Браун, М. Рашке, 1967 г.). Пустая р-орбиталь атома бора в R₃В перекрывается с заполненной 2s-орбиталью атома углерода монооксида углерода с образованием аддукта состава 1:1.

Этот аддукт не выделяют и сразу же используют для дальнейших превращений. Характер продуктов при этом определяется выбором условий реакции, при которых происходит последовательная миграция алкильных групп от бора к карбонильному атому углерода аддукта. .Если триалкилборан нагревают с монооксидом углерода при 100-120^o при атмосферном давлении, то происходит миграция всех трех алкильных групп и после окисления щелочным раствором перекиси водорода образуется третичный спирт.

Эта реакций: представляет собой удобный метод превращения алкена в третичный спирт с высоким выходом.

При наличии в реакционной смеси других реагентов реакцию можно остановить на стадии миграции одной или двух алкильных групп. Если карбонилирование проводят в присутствии боргидрида натрия, образуются первичные спирты. Первичный, спирт получается в результате восстановления под действием NaBH₄ интермедиата, образующегося после миграции только одной алкильной группы.

В присутствии эквимолярного количества воды реакция останавливается на стадии миграции двух алкильных групп. Последующее расщепление борэпоксида щелочным раствором перекиси водорода приводит к симметричному кетону с высоким выходом.

В качестве типичных примеров приведем получение дициклогексилкетона и нонанона-5.