Catalytic Hydrogenation with Frustrated Lewis Pairs: Selectivity Achieved by Size-Exclusion Design of Lewis Acids

Catalytic hydrogenation that utilizes frustrated Lewis pair (FLP) catalysts is a subject of growing interest because such catalysts offer a unique opportunity for the development of transition‐metal‐free hydrogenations. The aim of our recent efforts is to further increase the functional‐group tolerance and chemoselectivity of FLP catalysts by means of size‐exclusion catalyst design. Given that hydrogen molecule is the smallest molecule, our modified Lewis acids feature a highly shielded boron center that still allows the cleavage of the hydrogen but avoids undesirable FLP reactivity by simple physical constraint. As a result, greater latitude in substrate scope can be achieved, as exemplified by the chemoselective reduction of α,β‐unsaturated imines, ketones, and quinolines. In addition to synthetic aspects, detailed NMR spectroscopic, DFT, and 2H isotopic labeling studies were performed to gain further mechanistic insight into FLP hydrogenation. A frusztrált Lewis sav‐bázis párok (FLP) megjelenése paradigma váltást okozott a katalitikus hidrogénezés területén, miután felismerték, hogy ezen különleges vegyületek képesek kiváltani az átmenetifém alapú katalizátorokat. A kezdetben kifejlesztett FLP katalizátorok azonban csak jól megválasztott modell vegyületek esetében voltak sikerrel alkalmazhatók, aminek oka az FLP‐ok fokozott, nem szelektív reaktivitása volt. Jelen kutatás célja, hogy az ún. „méretkizárás elv” alkalmazásával növelje a frusztrált Lewis sav‐bázis párok funkciós csoport toleranciáját és kemoszelektivitását a hidrogénezési reakciókban. A méret kizárásos tervezés azon az egyszerű felismerésen alapul, hogy a dihidrogén a lehető legkisebb molekula a folyamatban. Így annak szelektív aktiválása megoldható úgy, hogy az egyidejűleg jelenlevő reakciópartnerek Lewis savas centrumhoz való hozzáférését sztérikus tényezőkkel korlátozzuk. Ezen elv alapján tervezett frusztrált Lewis párokkal jelentősen sikerült kiterjeszteni a redukálható szubsztrátok körét, megvalósíthatóvá vált pl. α,β‐telítettlen iminek, ketonok és kinolinok katalitikus redukciója. Ezen túlmenően, NMR mérésekkel, deutériummal izotópjelzett anyagokon végzett kísérletekkel és elméleti kémiai számításokkal sikerült a hidrogénezés mechanizmusába is bepillantást nyerni. Sizing things up: As exemplified by the chemoselective metal‐free hydrogenation of quinolines, the importance of the size‐exclusion frustrated Lewis pair (FLP) catalyst design has been demonstrated (see scheme). Besides broad