Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet106/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   102   103   104   105   106   107   108   109   ...   115

669

Figure 49.1

Molecular structure of [Os(Q



y

)

2



] (R

o-SMe) [20].



49.2

DISCUSSION OF RESULTS

Using the hemilabile noninnocent ligand 4,6-di-tert-butyl-(2-methylthiophenylimino)-o-benzosemiquinone Q



y



(which was

developed during efforts to modify a radical/metal/radical three-spin interaction) [18], we could obtain and investigate a

system (Eq. 49.4) to prove a predominantly ligand-based electron transfer during the reversible coordination of a thioether

sulfur donor [19].

N

O

Ir



III

N

O



MeS

Ir

III



t

Bu

t

Bu

t

Bu

t

Bu

+e

−e



SMe

•−

(49.4)



Electron-transfer-dependent reversible coordination changes are known from systems with mostly metal-based electron

transfer, for example, for Cu

I

/Cu


II

couples such as (Eq. 49.5) [21],

S

Me

N



N

Cu

S



Me

N

N



S

Me

N



N

Cu

S



Me

N

N



−e

+e



2

(49.5)



however, the electron paramagnetic resonance (EPR) and computational analysis of the system (Eq. 49.4) reveals only a

fractional spin amount

δ of about 8%, delocalized from the iminosemiquinone ligand to the 5d transition metal in the reactive

oxidized form. The potentially H

2

activating metal [7] thus adopts an 18



+ δ valence electron configuration, in agreement

with previous concepts of organometallic electron transfer activation involving fractional oxidation states [22].

Separately prepared and characterized [Ir(C

5

Me



5

)(Q


y

)] and its oxidized form [Ir(C

5

Me

5



)(Q

y

)](PF



6

) were found to be

connected via Eq. 49.4 before a fully reversible second oxidation for the couple [Ir(C

5

Me



5

)(Q


y

)]

2



+/+

takes place.



670

ELECTRON TRANSFER-INDUCED COORDINATION CHANGES IN ORGANOMETALLIC COMPLEXES

Structural evidence, supported by DFT calculations, was available to clarify this reactivity: The neutral [Ir(C

5

Me



5

)(Q


y

)]

exhibits coordinative unsaturation because the electron deficit at the trivalent metal is mitigated by strong



σ - and π-

electron donation from an o-amidophenolate ligand with averaged and little variable C–C distances of about 1.39 ˚

A in

the aromatic ring. Such coordinative unsaturation for d



6

systems has also been found for related [Ir(C

5

Me

5



)(Q )] [7] and

[Ir(C


5

Me

5



)(RNCHCHNR)] [23] systems as well as for [Rh(C

5

Me



5

)(cat)], [Cr(CO)

3

(cat)]


2

and [Mn(CO)



3

(cat)]


, cat


=

catecholate [24]. Consequently, there is no bonding interaction between Ir and S (d

> 4.0 ˚A), and the further structure

parameters of the ligand reveal not only an aromatic ring but also C–O and C–N single bonds.

On one-electron oxidation, the structure rearranges characteristically Eq. 49.4: Iridium–sulfur coordination occurs

with a standard [25] bond length of 2.35 ˚

A, leading to coordinative saturation, a piano-stool arrangement. The metric

parameters of the noninnocent ligand reveal bond alternance compatible with a benzosemiquinone ring as well as shortened

C–O and C–N bonds. In addition to UV–vis-NIR spectroelectrochemical analysis [19], electron spin resonance (ESR)

spectroscopy shows DFT-supported tensor components at g

1

= 1.996, g



2

= 1.985, and g

3

= 1.951, A



3

(

14



N)

= 1.7 mT.

This observation illustrates nonnegligible metal contributions [about 8% according to density functional theory (DFT)]

from a 5d element with a high spin-orbit coupling constant. The cation is essentially an anion radical complex [26],

corresponding to a semiquinone/Ir

III


formulation [23]. Apparently, the one-electron oxidation of the o-amidophenolate to

the o-iminobenzosemiquinonate is sufficient to remove the tolerance of coordinative unsaturation, resulting in binding of

either weakly donating thioether-S [19], dihydrogen [7], or halogen species [23]. Square schemes (Eq. 49.6), similar to

those derived for electron transfer-induced isomerizations [27], involving calculated structures and energy differences can

illustrate and confirm that the indirect oxidative addition [28] at the metal involving one-electron exchange [29] on the

ligand is made possible through the participation of a noninnocently behaving ligand while maintaining a formally invariant

metal oxidation state.

[M(

η

n

-C

n

R

n

)(N,O-Q

2



)]



[M(

η

n

-C

n

R

n

)(N,O-Q

•−

)]

+



[M(

η

n

-C

n

R

n

)(N,O,E-Q

2



)]



[M(

η

n

-C

n

R

n

)(N,O,E-Q

•−

)]

+



−e

+e



−e



+e



k

1

k

−1

k

−2

k

2

E

1

E

2

M = Rh, Ir; n = 5



M = Ru; n = 6

E  = O or S

(49.6)

This variant differs from the classical oxidative addition—reductive elimination sequence, one of the most useful and



most frequently applied reaction patterns in transition metal chemistry [28]. Metal-based electron configuration changes such

as the d


8

/d

6



two-electron interchange have been employed to provide very different coordination situations for substrate

binding, conversion, and release, and the special one-electron variant may also prove useful.

The different (electro)chemical reversibility patterns of two-step oxidation processes involving [Ir(C

5

Me



5

)]

2



+

are


remarkable: While the [Ir(C

5

Me



5

)(Q )]


n

system exhibits two conventional waves in the cyclic voltammogram [7], the

[Ir(C

5

Me



5

)(RNCHCHNR)]



n

redox system with R

= 2,6-dimethylphenyl showed a reversible first but irreversible second

oxidation in propylene carbonate [23]. In yet another variant, the example [Ir(C

5

Me

5



)Q

y

]

0/



+/2+

described here (Eq. 49.4)

is distinguished by a first oxidation process of the N,O-coordinated species involving intramolecular thioether coordination

after initial electron transfer. The return wave in the cyclic voltammogram is due to the reduction of N,O,S-coordinated

[Ir(C

5

Me



5

)Q

y

]

+

at considerably shifted potential [19].



The above example has shown in a prototypical way the relationship between a reactive (here even catalytically active)

metal complex redox system and an intramolecular model exhibiting a hysteresis-type structure change as a response to

electron transfer. To generalize this behavior, we have recently explored [30] the following modifications:

1. using an O-ether (Q



a

) instead of an S-ether function (Q



y

) in the ligand;

2. removing n-donor functions from the ortho-positions of the ligand (Q

x

);


DISCUSSION OF RESULTS

671

Figure 49.2

Molecular structure of [(C

5

Me

5



)Ir(Q

x

)].


3. replacing Ir by the lighter homolog Rh;

4. replacing the M(

η

5

-C



5

R

5



) organometallic fragment (M

= Rh, Ir) by Ru(η

6

-C

6



R

6

), C



6

R

6



p-cymene = 1-iso-propyl-

4-methyl-benzene

= Cym.

To start with, all neutral precursor complexes exhibit the previously mentioned coordinative unsaturation at the metal



(see Fig. 49.2) [30] caused by the highly electron-rich o-amidophenolate ligands such as Q

y

2



, Q

a

2



, or Q

x

2



.

The first oxidation of the iridium complexes [Ir(C

5

Me

5



)(Q)]

0/

+



shows different manifestations of the ECEC process

(Eq. 49.6). A large splitting is noted between anodic and cathodic peak potentials, E

pa

and E



pc

, at


−0.15 and 0.60 V

versus Fc

+/0

in CH


2

Cl

2



/0.1 M Bu

4

NPF



6

(250 mV/s) for the structurally characterized thioether example (Q

= Q

y

) [19]. By

comparison, the corresponding values at

−0.10/−0.26 V (Q = Q



a

) and


−0.03/−0.12 V (Q = Q

x

) illustrated in Figure 49.3

show much smaller effects [30]. The O-ether donor function is expected to coordinate in a much more labile bond than the

thioether analog, and with absent intramolecular donors the E

pa

/E



pc

difference becomes rather normal, approaching 60 mV.

It has to be noted that the not completely “noncoordinating” anions in the excess of electrolyte can albeit weakly bind to

the oxidized compounds in order to remove coordinative unsaturation. In contrast, the second oxidation [Ir(C

5

Me

5



)(Q)]

+/2+


is generally well behaved (E

pa

− E



pc

< 0.07 V; Fig. 49.3), reflecting negligible structural change [19, 30].

The replacement of iridium by rhodium in the redox systems [M(C

5

Me

5



)(Q)]

n/n

+1

is illustrated in Figure 49.4.



The data analysis [30] reveals less pronounced wave distortion for the first oxidations: The peak potentials E

pa

and E



pc

, at


−0.26 and 0.40 V versus Fc

+/0


in CH

2

Cl



2

/0.1 M Bu

4

NPF


6

(250 mV/s) for Q

= Q

y

and


−0.12/−0.20 V (Q = Q

a

) show less

splitting than in the iridium system. However, the behavior of the first oxidation wave (Fig. 49.4) still signifies a structural

change according to Eq. 49.7.

O

N

N



SMe

O

M



M

+e



−e

MeS



+

M = Rh, Ir

(49.7)


672

ELECTRON TRANSFER-INDUCED COORDINATION CHANGES IN ORGANOMETALLIC COMPLEXES

0.4

(a)


(b)

0.2


0.0

−0.2


−0.4

−0.6


E (v) versus Fc

+/0


5

μA

0.4


0.2

0.0


−0.2

−0.4


−0.6

E (v) versus Fc

+/0


5

μA

Figure 49.3

Cyclic voltammograms of (a) [(C

5

Me

5



)Ir(Q

a

)] and (b) [(C

5

Me

5



)Ir(Q

x

)] in CH


2

Cl

2



/0.1 M Bu

4

NPF



6

at different scan rates.

(See insert for color representation of the figure.)

0.6


0.4

0.2


0.0

−0.2 −0.4 −0.6 −0.8 −1.0



(v) versus Fc

+/0


5

μ

A

0.4



(a)

(b)


0.2

0.0


−0.2

−0.4


−0.6

(v) versus Fc

+/0


2.5

μ

A

Figure 49.4

Cyclic voltammograms of (a) [(C

5

Me



5

)Rh(Q


y

)] and (b) [(C

5

Me

5



)Rh(Q

a

)] in CH


2

Cl

2



/0.1 M Bu

4

NPF



6

at different scan rates.

(See insert for color representation of the figure.)

A notable feature is the small difference between the potentials for first and second oxidation in the case of Q

= Q

a

or

Q



x

. A careful analysis of the whole set in terms of kinetics and equilibrium constants will be required to rationalize this

effect.

An important kind of information regarding the electronic structure comes from EPR spectroscopy of the paramagnetic



intermediates [19], which are also crucial for the small molecule activation reactivity [7]. Figure 49.5 shows the spectrum for

[Rh(C


5

Me

5



)(Q

a

)]



+

at 110 K, which, like that of [Ir(C

5

Me

5



)(Q

y

)]

+



[19], illustrates largely semiquinoneimine ligand-based

spin and no Rh

II

or Rh


IV

configuration.

Employing the correspondence [31, 32] of complexes [(

η

n

-C

n

R

n

)M(Q)]

x

, M


= Ir or Rh and n = 5 with organometallic

“half-sandwich” analog involving M

= Ru and = 6, we have recently obtained the ruthenium compounds (Eq. 49.8) with

C

6



R

6

p-cymene = Cym, and characterized them electrochemically.



N

O

Ru



S

N

O



Ru

O

(49.8)



CONCLUDING REMARKS

673

335


340

345


350

355


B / mT

110 K


Figure 49.5

X-Band EPR spectrum of [(C

5

Me

5



)Rh(Q

a

)]

+



at 110 K, generated in situ in CH

2

Cl



2

/0.1 M Bu

4

NPF


6

.

Areneruthenium compounds are popular organometallic complex fragments in areas such as catalysis [33] and inorganic



drug development [34]. Figure 49.6 shows that the systems [Ru(Cym)(Q)]

n

behave similarly to the M(C

5

Me

5



) examples

described earlier, suggesting an ECEC mechanism (Eq. 49.9) for the first oxidation. Differences between the thioether

(Q

= Q


y

) and O-ether analogs (Q

= Q

a

) will have to be analyzed quantitatively with the help of digital simulation and

DFT-supported spectroelectrochemistry [35, 36].

N

O



Ru

E

N



O

Ru

E



−e

Ru



O

N

E



Ru

O

N



E

+e



E: S, O

(49.9)


49.3

CONCLUDING REMARKS

Using a series of new coordination compounds of some platinum group metals with potentially hemilabile redox-active

chelate ligands based on the o-benzosemiquinoneimine intermediate, the extent of noninnocent behavior has been established

experimentally, via structure determination and EPR, UV–vis-NIR spectroelectrochemistry [35, 36], and computationally



674

ELECTRON TRANSFER-INDUCED COORDINATION CHANGES IN ORGANOMETALLIC COMPLEXES

0.6

0.4


0.2

0.0


−0.2 −0.4 −0.6 −0.8

5

μA



E (v) versus Fc

0/+


0.6

0.4


0.2

0.0


−0.2 −0.4 −0.6 −0.8

E (v) versus Fc

0/+


100 mV/s

10

μA

100 mV/s

Figure 49.6

Cyclic voltammograms of (a) [Ru(Cym)(Q



y

)] and (b) [Ru(Cym)(Q



a

)] in CH


2

Cl

2



/0.1 M Bu

4

NPF



6

.

(DFT). As a consequence of the fractional oxidation-state situation corresponding to an 18



+ δ valence electron count, we

can expect a potential to adopt unusual metal configurations through electron-transfer-dependent intramolecular coordination,

accompanied by intermolecular reactivity enhancement toward small molecule activation.

One possible function of complexes with noninnocent hemilabile ligands is their role as intramolecular models for

intermolecular reactivity, involving weak donor substrates such as dihydrogen. Like for the spin-shift example [Cu(Q

y

)

2



]

described previously [18], it is remarkable that a rather small change in metal/ligand interaction can bring about a qualitatively

altered behavior, for example, in terms of coordination number and substrate activation.

ACKNOWLEDGMENTS

Support from the Land Baden-W¨urttemberg and from the COST program is gratefully acknowledged. Special thanks are

due to Angela Winkelmann for her contributions to the preparation of this article and to Drs. Jan Fiedler and Stanislav Z´aliˇs

(J. Heyrosvky Institute, Prague, Czech Republic) for continued cooperation.



REFERENCES

1. (a) Chirik, P. J. Inorg. Chem. 201150 , 9737; (b) Special Issue: Cooperative & Redox Non-Innocent Ligands in Directing

Organometallic Reactivity, Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 340.

2. Chaudhuri, P.; Verdani, C.N.; Bill, E.; Bothe, E.; Weyherm¨uller, T.; Wieghardt, K. J. Am. Chem. Soc. 2001123 , 2213.

3. Kaim, W. Inorg. Chem. 201150 , 9752.

4. Haneline, M. R.; Heyduk, A. F. J. Am. Chem. Soc. 2006128 , 8410.

5. Boyer, J. L.; Cundari, T. R.; DeYonker, N. J.; Rauchfuss, T. B.; Wilson, S. R. Inorg. Chem. 200948 , 638.

6. (a) Dzik, W. I. ; Zhang, X. P.; de Bruin, B. Inorg. Chem. 201150 , 9896; (b) Hetterscheid, D. G. H.; Gr¨utzmacher, H.; Koekoek, A.

J. J.; de Bruin, B. Progr. Inorg. Chem. 200755 , 247.

7. (a) Ringenberg, M. R.; Kokatam, S. L.; Heiden, Z. M.; Rauchfuss, T. B. J. Am. Chem. Soc. 2008130 , 788; (b) Ringenberg, M. R.;

Nilges, M. J.; Rauchfuss, T. B.; Wilson, S. R. Organometallics 201029 , 1956; (c) Ringenberg, M. R.; Rauchfuss, T. B. Eur. J.

Inorg. Chem. 2012, 490.

8. (a) Geiger, W. E. Organometallics 201130 , 28; (b) Lyaskovskyy, V.; de Bruin, B. ACS Catal. 2012, 270.

9. Jeffrey, J. C.; Rauchfuss, T. B. Inorg. Chem. 197918 , 2658.

10. Braunstein, P.; Naud, F. Angew. Chem. 2001113 , 702; Angew. Chem. Int. Ed200140, 680.

11. Steinborn, D. Fundamentals of Organometallic Catalysis; Wiley-VCH Verlag GmBH, Weinheim, 2012; p 155.

12. Kaim, W. Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 343.

13. Kaim, W.; Schwederski, B. Coord. Chem. Rev. 2010254 , 1580.

14. Praneeth, V. K. K.; Ringenberg, M. R.; Ward, T. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, DOI: 10.1002/anie.201204100.



REFERENCES

675

15. Herebian, D.; Bothe, E.; Neese, F.; Weyherm¨uller, T.; Wieghardt, K. J. Am. Chem. Soc. 2003125 , 9116.

16. Poddel’sky, A. I.; Cherkasov, V. K.; Abakumov, G. A. Coord. Chem. Rev. 2009253 , 291.

17. Brown, S. N. Inorg. Chem. 201251 , 1251.

18. Ye, S.; Sarkar, B.; Lissner, F.; Schleid, Th.; van Slageren, J.; Fiedler, J.; Kaim, W. Angew. Chem. 2005117 , 2140; Angew. Chem.

Int. Ed200544, 2103.

19. H¨ubner, R.; Weber, S.; Strobel, S.; Sarkar, B.; Z´aliˇs, S.; Kaim, W. Organometallics 201130 , 1414.

20. H¨ubner, R.; Sarkar, B.; Z´aliˇs, S.; Kaim, W. Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 3569.

21. Schn¨odt, J.; Manzur, J.; Garcia, A.-M.; Hartenbach, I.; Su, C.-Y.; Fiedler, J.; Kaim, W. Eur. J. Inorg. Chem. 2011, 1436.

22. Klein, A.; Vogler, C.; Kaim, W. Organometallics 199615 , 236.

23. Kaim, W.; Sieger, M.; Greulich, S.; Sarkar, B.; Fiedler, J.; Z´aliˇs, S. J. Organomet. Chem. 2010695 , 1052.

24. (a) Espinet, P.; Bailey, P. M.; Maitlis, P. M. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1979, 1542; (b) Darensbourg, D. J.; Klausmeyer, K. K.;

Reibenspies, J. H. Inorg. Chem. 199534 , 4676; (c) Hartl, F.; Vlˇcek, Jr., A.; deLearie, L. A.; Pierpont, C. G. Inorg. Chem. 199029 ,

1073; (d) Hartl, F.; Stufkens, D. J.; Vlˇcek, A. Inorg. Chem. 199231 , 1687.

25. (a) Albrecht, M.; Scheiring, T.; Sixt, T.; Kaim, W. J. Organomet. Chem. 2000596 , 84; (b) Ye, S.; Kaim, W.; Albrecht, M.; Lissner,

F.; Schleid, T. Inorg. Chim. Acta 2004357 , 3325.

26. Kaim, W. Coord. Chem. Rev. 198776 , 187.

27. Pombeiro, A. J. L.; Guedes da Silva, M. F. C.; Lemos, M. A. N. D. A. Coord. Chem. Rev. 2001219–221 , 53.

28. Crabtree, R. H. The Organometallic Chemistry of the Transition Metals, 5th ed.; Wiley-VCH Verlag GmBH: Weinheim, 2009,

Chapter 6.

29. Tejel, C.; Ciriano, M. A.; L´opez, J. A.; Jim´enez, S.; Bordonaba, M.; Oro, L. A. Chem. Eur. J. 200713 , 2044.

30. H¨ubner, R. Dissertation, Universit¨at Stuttgart, 2011.

31. Kaim, W.; Reinhardt, R.; Sieger, M. Inorg. Chem. 199433 , 4453.

32. Kaim, W. In New Trends in Molecular Electrochemistry; Pombeiro, A. J. L., Ed., Fontis Media: Lausanne, 2004, p 127.

33. Therrien, B. Coord. Chem. Rev. 2009253 , 493.

34. Kilpin, K. J.; Clavel, C. M.; Edafe, F.; Dyson, P. J. Organometallics 201231 , 7031.

35. Kaim, W.; Klein, A., Eds. Spectroelectrochemistry; Royal Society of Chemistry: Cambridge, 2008.

36. Kaim, W.; Fiedler, J. Chem. Soc. Rev. 200938 , 3373.


Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   102   103   104   105   106   107   108   109   ...   115




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling