Программно реализую I2C с тактовой частотой до 4 МГц
Полагаю что наша дискуссия наглядно показывает что проблема не в железе, а в знаниях и умениях.
А разве существуют какие-то проблемы собрать контроллер I2C на пачке 133ЛА3 + КТ315 (или любой элемент с OK) на выходе? Или на чем другом из антиквара...
Можно сделать и 10 МГц CLK

Вот только нафига это нужно в бытовых устройствах?
Очень уж не согласуется - MCU жрущий до 350 мА в пиках, c I2C датчиком требующим всего сотню мкА на I2C High-Speed (HS-mode - это предельный I2C, до 3.6 Мбит/с) или Ultra-Fast mode (до 5 Мбит/с).
Такие скорости применяются у датчиков, требующих непрерывного опроса и соответствующий трафик.
К примеру INA228.
И если реализация ногодрыгом - тогда кто и когда будет обрабатывать поток в 4Мбит/c (400 килобайт в секунду)?
Implementing 3.4 MHz I2C Bus Communication with the ATSAMD21 and 24CS Serial EEPROM Family
А для батарейных бытовых устройств достаточно I2C и до 1Mbit/s, т.к. соответствующие MCU/SoC при опросе I2C на скоростях CLK более 400 кГц потребляют менее 3 мА, а при 5 мА имеют производительность быстрее вашего ESP8266.