ホウ素化
複素環式芳香族化合物(ヘテロアレーン)もイリジウム触媒下でホウ素化することができる。しかしこの場合ベンゼン環と違って位置選択性に電子効果(英語版)が影響する。このような化合物の例としてフラン、ピロール、チオフェンなどがある。このような化合物ではヘテロのα位にあるC-H結合で反応が起こる。この位置で反応が起こるのは、ここのプロトンの酸性がもっとも高いからである。
金属触媒を用いたC-H結合のホウ素化反応(英: Metal-catalyzed C–H borylation reaction)とは、遷移金属によって触媒される有機化学反応であり、脂肪族化合物もしくは芳香族化合物のC–H結合を活性化して有機ホウ素化合物に変換する反応である。金属触媒を用いたC-Hホウ素化反応は遷移金属を用いてC–H結合をC–B結合に直接変換する反応である。この変換は一般的なホウ素化に比べ、安くて豊富に存在する炭化水素を出発物質として、有機化合物の官能化(prefunctionalization)を抑え、毒性のある副生成物の生成を抑制しつつ、生理活性を有した化学物質の合成を進めることができる。ボロン酸とボロン酸エステルが有機分子のホウ素化によく用いられるホウ素源である。ボロン酸は3価のホウ素を含む有機化合物で、1つのアルキル置換基と2つのヒドロキシ基を持っている。同様に、ボロン酸エステルは1つのアルキル基と2つのエステル基を持っている。ボロン酸とボロン酸エステルはホウ素原子に結合しているアルキル基の種類(アルキル、アルケニル、アルキニル、アリールなど)によって分類される。最もよく用いられる出発物質はボロン酸エステルを含む化合物で、一般式(RO)2B-B(OR)2で表される。
芳香族化合物のC-Hホウ素化の反応中間体はトリスボリル-イリジウムであると考えられている速度論解析と同位体標識(英語版)研究によって触媒サイクルにおいてイリジウム(III)-トリスボリル錯体が芳香族化合物と反応することがわかっている。 触媒サイクルのバリエーションとして下記に示すようなヒドロシラン化合物のオルト位ホウ素化がある。速度論解析のデータから観察された、シクロオクテンに配位したトリスボリル錯体は速やかに解離し、16電子錯体をつくる。芳香族化合物としてベンジルジメチルシランが用いられた場合、ベンジルジメチルシランがトリスボリルイリジウム触媒と反応して、Si-H結合が金属中心に可逆的に付加すると考えられている。その後、酸化的付加および還元的脱離により、オルト位のC–H結合が選択的に活性化されると考えられている。
メタ位選択的ホウ素化: メタ位選択的なC-Hホウ素化は合成上重要な反応であり、2002年にミシガン州立大学のスミスIII世によって発見された。しかしこの反応は1,3-二置換ベンゼンでしか進行しなかった。約12年後、インドにあるCBMR(Centre of Biomedical Research)のチャトパディヤイのチームはメタ位選択的なC-H活性化・ホウ素化の新たな手法を発見した。彼のチームは同じ基質を用い、配位子を変えることによって位置選択性が変わることを示した。メタ選択性の発現は2つのパラメーター1) 静電気的相互作用, 2) 2級B-N相互作用 によって変化することがわかった。
同時期に、東大薬学院の金井求は2級相互作用によるメタ選択的ホウ素化のコンセプトを提唱している。
この反応はハートウィッグ(英語版)によって報告された。アルカンはCp*Rh(η-C6Me6)を触媒として用いることで高選択的に1級のC–H結合をホウ素化することができる。特筆すべきは、この触媒は炭化水素鎖にヘテロ原子が存在する場合でも1級C-H結合を選択的にホウ素化することである。ロジウム触媒を用いたメチル基のC-Hのホウ素化はヘテロ原子の位置に関わらず化学選択性が発現する。ホウ素化の選択性は立体的なかさ高さや電子密度にほとんどよらずに発現し、アセタールやエーテル、アミン、フッ化アルキルなど様々な化合物で現れる。さらに、シクロヘキサンなどのように1級のC-H結合が存在しない基質を用いた場合反応は起こらない。
一級アルカンの選択的官能化が優先的に起こるのは、速度論的にも熱力学的にも1級のアルキル-金属錯体が2級のそれより好ましいからである。
2級アルキル錯体より1級アルキル錯体が安定である理由はいくつかある。まず、1級アルキル錯体は立体的にすいているため基質と金属が接近しやすい。次に、部分負電荷は多くの場合金属-アルキル錯体のα-炭素に存在するため、2級アルキル配位子より1級アルキル配位子の方が電荷を負担する能力が高いためである。 ロジウム錯体を使用した際の脂肪族のC-Hホウ素化の選択性の由来は水素-重水素交換質量分析(英語版)によって明らかになった。H/D で置き換えて反応させると位置選択性およびメタル-アルキル中間体の官能化位置選択性が低下した。
合成において、C-Hホウ素化はポリマーをホウ素化ののち酸化してヒドロキシ化するのに利用されている。