Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


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Scheme 7.8

Pd/Ni co-catalyzed [2

+ 2 + 2] cycloaddition of 1,3-dehydro-o-carborane with alkynes.

react with the carboryne precursor 1-Li-2-Me-3-I-1,2-C

2

B

10



H

9

. Substituents at the cage C(2) position also affect the yields



of [2

+ 2 + 2] cycloaddition products. Results show that steric effects of substituents are much less significant than electronic

effects; for example, an electron-withdrawing group such as phenyl leads to a big drop in the yield. X-ray structures indicate

that the six-membered C

5

B rings in the C,B-substituted benzocarboranes are planar with alternative short and long bonds,



similar to those observed in 1,2-benzocarboranes [14, 20], suggesting that there is no substantial

π-delocalization in such

rings and that the C

4

unit may be described as a butadiene moiety.



A possible reaction mechanism for such a cooperative catalysis is proposed in Scheme 7.9. Since Ni(0) can hardly insert

into the cage B–I bond, the Pd-1,3-dehydro-o-carborane is formed via oxidative addition of B–I on Pd(0) followed by

subsequent LiI elimination. Indicated by the aforementioned experiments that a two-component catalyst system is much

more effective than Pd species alone in catalyzing the reaction of 1,3-dehydro-o-carborane with alkynes, a transmetalation

process between Pd and Ni may occur, affording a more reactive nickel-1,3-dehydro-o-carborane intermediate [24]. Such

a transmetalation process can be evidenced by the following reactions: (

η

2

-o-C



2

B

10



H

10

)Ni(PPh



3

)

2



can be observed by

treatment of (

η

2

-o-C



2

B

10



H

10

)Pd(PPh



3

)

2



with 1 equiv of Ni(cod)

2

in toluene at room temperature as indicated by



31

P NMR;


and the addition of 20 mol% of Ni(cod)

2

to the mixture of (



η

2

-o-C



2

B

10



H

10

)Pd(PPh



3

)

2



and 3-hexyne leads to the isolation

of benzocarborane in 18% yield, while (

η

2

-o-C



2

B

10



H

10

)Pd(PPh



3

)

2



alone does not show any activity toward alkyne. The

relatively high activity of the Ni species may probably be ascribed to the weaker Ni–B bond over the Pd–B one or the

Ni–B bonding pair being more nucleophilic [25].

In the reaction with unsymmetrical alkyne PhC

≡CEt, the electronically controlled regioselective insertion into the Ni–B

bond gives the nickelacyclopentene intermediate J. The alkyne insertion can be viewed as a nucleophilic attack of the M–C/B

σ -bond on one of the two alkyne carbons. The exclusive insertion of the first equivalent of alkyne into the Ni–B bond with

Me

Me



I

G

I

H

Ni

0



Pd

0

LiI



Ph

Et

Ph(Et)



Et(Ph)

Ph

Me



Et

Ni

J

Li

Me

[Pd]



Li

Me

I



[Pd]

[Ni]


Me

[Ni]


Et

Ph

Ph



Et

K

R

1



R

1

Et



Ph

Ph

Et



Ph

Et

Ph



Et

+

Scheme 7.9

Proposed mechanism for Pd/Ni co-catalyzed formation of 1,3-benzocarboranes.


88

TRANSITION-METAL-PROMOTED FUNCTIONALIZATION OF CARBORANES

electronically controlled regioselectivity is well supported by the absence of 2-Me-1,3-[EtC

=C(C


6

H

5



)-C(Et)

=C(C


6

H

5



)]-1,2-

C

2



B

10

H



10

in the products, as an M–B bond is much more nucleophilic than an M–C one [25]. The nucleophilic attack in

nature also explains the regioselectivity observed in the insertion of unsymmetrical alkynes, in which the boron is bonded

to the carbon having the electron-donating ethyl substituent. Subsequent insertion of the second molecule of PhC

≡CEt

into the Ni–C



vinyl

bond in both head-to-tail (major) and head-to-head (minor) manners followed by reductive elimination

affords the final products (Scheme 7.9). It is noted that the insertion of alkynes into the M–C

cage


bond in is prohibited

for steric reasons. This work offers a new methodology for cage B-functionalization of carboranes and demonstrates that

metal-1,3-o-carboryne can be viewed as a new kind of boron nucleophile.

7.7

REACTION OF ZIRCONOCENE– CARBORYNE WITH POLAR UNSATURATED MOLECULES

X-ray structures of metal–carborynes show that electronic configurations of a metal center can have large effects on the

bonding interactions between the metal atom and carboryne unit, which may in turn influence their chemical properties

[26]. Structural analyses also indicate that the interactions between the Ni atom and carboryne have more

π character than

that in Zr–carboryne complexes [27], which may facilitate the reactivity studies on these metal complexes. As a result, the

Ni–carboryne complexes can react well with alkynes and alkenes, but they are inert toward polar unsaturated molecules such

as nitriles and carbodiimides. On the other hand, the Zr–carboryne can react with a variety of polar unsaturated molecules,

affording insertion products.

The first zirconium– carboryne complex [

5

:



σ -Me

2

C(C



9

H

6



)(C

2

B



10

H

10



)

}ZrCl(η


3

-C

2



B

10

H



10

)][Li(THF)

4

] was prepared



from the reaction of in situ generated [

η

5



:

σ -Me


2

C(C


9

H

6



)(C

2

B



10

H

10



)]ZrCl

2

with 1 equiv of Li



2

C

2



B

10

H



10

[11]. The anionic

nature of this molecule results in inertness toward unsaturated molecules. On the other hand, treatment of Cp

2

ZrCl



2

with


1 equiv of Li

2

C



2

B

10



H

10

in ether gives the ate-complex Cp



2

Zr(


μ-Cl)(μ-C

2

B



10

H

10



)Li(OEt

2

)



2

(9) in 70% isolated yield [28].

It can be viewed as a precursor of zirconocene– carboryne Cp

2

Zr(



η

2

-C



2

B

10



H

10

). In addition, a series of neutral group 4



metal–carboryne complexes bearing amidinato ligands L, (

η

2



-C

2

B



10

H

10



)M(L)

2

, were synthesized by salt metathesis reactions



between Li

2

C



2

B

10



H

10

and diamidinato group 4 metal dichloride complexes MCl



2

(L)


2

(L

= [η



2

-R

2



C(NR

1

)



2

]) [29].


Treatment of (

η

2



-C

2

B



10

H

10



)M(L)

2

(L



= Cp, [η

2

-R



2

C(NR


1

)

2



]) with PhCN, CyN

=C=NCy, PhN

3

, Ph


2

C

=O,



n

BuN


=C=S,

and PhN


=C=O affords the corresponding monoinsertion products L

2

Zr[



σ :σ -N=C(Ph)(C

2

B



10

H

10



)] (10), L

2

Zr[



σ :σ -

CyNC(


=NCy)(C

2

B



10

H

10



)] (11), L

2

Zr[



η

2

:



σ -(PhNN=N)(C

2

B



10

H

10



)] (12), L

2

Zr[



σ :σ -OC(Ph)

2

(C



2

B

10



H

10

)] (13), L



2

Zr[


σ :σ -

n

BuNC(


=S)(C

2

B



10

H

10



)] (14), and L

2

Zr[



σ :σ -PhNC(=O)(C

2

B



10

H

10



)] (15), respectively, in moderate to high yields

(Scheme 7.10) [28, 29]. In these reactions, unsaturated molecules insert into only one Zr–C

cage

bond, and the other Zr–C



cage

bond remains inert. No double insertion products are observed even under forced reaction conditions in the presence of an

excess amount of substrates. This reaction offers an efficient route to zirconaheterocycles incorporating a carboranyl unit.

7.8

REACTION OF ZIRCONOCENE– CARBORYNE WITH PYRIDINES

In attempts to isolate Cp

2

Zr(


η

2

-C



2

B

10



H

10

)L, when pyridine is added to Cp



2

Zr(


μ-Cl)(μ-C

2

B



10

H

10



)Li(OEt

2

)



2

(9), an

unexpected C–H activation product, Cp

2

Zr[



η

2

(C,N)-pyridine](



σ -C

2

B



10

H

11



) (16), is isolated in 90% yield. If deuterated

pyridine C

5

D

5



N is used, the

α –deuterium of pyridine is transferred to o-carborane, leading to the formation of

Cp

2

Zr[



η

2

(C,N)-pyridine-d



4

](

σ -C



2

B

10



H

10

D) (16-d



5

) in 87% isolated yield (Scheme 7.11) [30].

Other pyridine derivatives such as 2-bromo-pyridine, 2,4-lutidine, and quinolinecan can all react with to

afford the corresponding

α-C–H activation products Cp

2

Zr[



η

2

(C,N)-(2-bromopyridine)](



σ -C

2

B



10

H

11



), Cp

2

Zr[



η

2

(C,N)-(2,4-



lutidine)](

σ -C


2

B

10



H

11

), and Cp



2

Zr(


η

2

(C,N)-quinoline)(



σ -C

2

B



10

H

11



), respectively. These results are similar to those observed

in the interaction of Cp

2

Zr(CH


3

)(THF)


+

with pyridines [31]. It is noted that the interaction of with acridine generates an

insertion product Cp

2

Zr



{2-[9-(σ-10(N)-dihydroacridine)]}(σ-1-C

2

B



10

H

10



).

Treatment of with 1 equiv of 2-(1-hexynyl)pyridine in toluene at room temperature affords the

α-C–H activation

product Cp

2

Zr



2

(C,N)-[2-(1-



n

BuC


≡C)pyridine]}(σ -C

2

B



10

H

11



) (17) in 56% isolated yield. However, if 2 equiv of CuI is

added to the above reaction, the

α-C–H activation (σ -bond metathesis) reaction is completely blocked, and, instead, the

alkyne insertion product 1,2-[Cp

2

ZrC(2-pyridinyl)



=CBu

n

]-1,2-C


2

B

10



H

10

(18) is generated (Scheme 7.11) [30]. These results



suggest that the coordination of pyridine to the Zr atom activates the

α-C–H bond, leading to the formation of α-C–H

activation (

σ -bond metathesis) products, and the Cu atom can compete for Zr’s binding site of pyridine to block the α-C–H

activation path and facilitate the alkyne insertion.


REACTION OF ZIRCONOCENE–CARBORYNE WITH ALKYNES AND ALKENES

89

C

N



L

2

Zr



Ph

C

N



L

2

Zr



11

N

Cy



Cy

N

N



L

2

Zr



12

N

Ph



DCC

PhN


3

L

2



Zr

PhCN


C

O

L



2

Zr

Ph



Ph

PhNCO


n

BuNCS


L = Cp or

C

N



L

2

Zr



14

O

Ph



C

N

L



2

Zr

S



Bu

n

N

N



R

1

R



2

R

1



Ph

2

CO



10

13

15

Scheme 7.10

Reaction of zirconocene– carboryne with polar unsaturated molecules.

Li

Cl

Cp



2

Zr

OEt



2

OEt


2

9

Cp

2



Zr

H

Cp



2

Zr

N



N

D

D



D

D

D



D

Cp

2



Zr

N

D



D

D

D



N

N

Bu



n

H

Cp



2

Zr

N



Bu

n

N

Bu



n

CuI


Cp

2

Zr



Bu

n

N

16



16-d

5

17

18

Scheme 7.11

Reaction of zirconocene– carboryne with pyridines.



7.9

REACTION OF ZIRCONOCENE– CARBORYNE WITH ALKYNES AND ALKENES

Zirconacycles are in general much more stable than their nickel analogs and often serve as very important and versatile

intermediates for the construction of the carbon– carbon bond [32]. The carborane version of zirconacyclopentenes 1,2-

[Cp


2

ZrC(R)


=C(R)]-1,2-C

2

B



10

H

10



(19) can be obtained by the treatment of complex with various kinds of alkynes

(Scheme 7.12) in refluxing toluene [33]. This reaction cannot proceed in donor solvents such as Et

2

O and THF, suggesting



that the coordination of alkyne to the Zr atom is essential for the subsequent insertion.

90

TRANSITION-METAL-PROMOTED FUNCTIONALIZATION OF CARBORANES

R

2

R



1

Cp

2



Zr

R

2



R

1

19

Toluene

Δ

Toluene



Δ

Cp

2



Zr

(R

1



, R

2

 = alkyl, aryl)



R

2

R



1

Li

Cl



Cp

2

Zr



OEt

2

OEt



2

9

Cp

2



Zr

R

Cp



2

Zr

M

R

or

R = Aryl



R = Alkyl

R = Aryl


R

R = Alkyl

Cp

2

Zr



N

R

Cp



2

Zr

R



20

20'

L

δ

+



δ

δ



+

δ



δ

+

δ





Scheme 7.12

Reaction of zirconocene–carboryne with alkynes and alkenes.

Both symmetrical and unsymmetrical alkynes bearing alkyl or aryl substituents are compatible with this reaction, in

which steric factors play an important role. Me

3

SiC


≡CSiMe

3

is inert toward 9, and PhC



≡CPh offers a much lower yield

than linear alkynes. In case of unsymmetrical alkynes, the excellent regioselectivity of the insertion is generally determined

by the polarity of alkynes. This reaction can tolerate many functional groups such as vinyl, chloro, amido, alkoxyl, and

tetrahydro-2-pyranyl. X-ray structures show that the sum of the five interior angles of the zirconacyclopentene ring is very

close to 540

o

, suggestive of a planar geometry. These structural features resemble those of zirconacyclopentadienes. In



contrast to Ni–carborynes, no double insertion products are formed even under forced reaction conditions in the presence

of an excess amount of alkynes.

On the other hand, reaction of complex with terminal alkenes RCH

=CH


2

in refluxing toluene gives zirconacyclopentanes

1,2-[Cp

2

ZrCH(R)CH



2

]-1,2-C


2

B

10



H

10

(20, R



= aryl) or 1,2-[Cp

2

ZrCH



2

CH(R)]-1,2-C

2

B

10



H

10

(20 , R



= alkyl) in good to

high isolated yields with high regioselectivity (Scheme 7.12) [34]. Disubstituted alkenes such as

α-methylstyrene and

cyclohexene cannot react with probably because of steric reasons.

A reaction pathway for the formation of zirconacycles, involving the Zr–carboryne Cp

2

Zr(



η

2

-C



2

B

10



H

10

), has been



proposed (Scheme 7.12). In general, electron-withdrawing aryl substituents go to the

α position (via intermediate M),



ZR/NI CO-MEDIATED

[2

+ 2 + 2]



CYCLOADDITION OF CARBORYNE WITH TWO DIFFERENT ALKYNES

91

Cp

2



Zr

Et

Et



XylNC

H

3



+

O

CuCl



I

2

I



H

Et

Et



22

H

H



Et

Et

Et



Et

21

N

CuCl



2

I

I



CuCl

Δ

25

Et

Et

24



Et

Et

23



19a

Scheme 7.13

Reactivity study of zirconacyclopentene incorporating a carboranyl unit.

whereas the electron-donating alkyl substituents prefer the

β position (via intermediate N). High temperatures are required

for the reactions, which can not only promote the dissociation of LiCl from forming the zirconocene– carboryne intermediate

but also facilitate the insertion reactions between carboryne and the coordinated alkyne or alkene via the intermediates L,



M, or N.

Zirconacyclopentene 19 can be converted to a variety of functionalized carboranes. Scheme 7.13 outlines their

representative reactivity patterns in the example of 1,2-[Cp

2

ZrC(Et)



=C(Et)]-1,2-C

2

B



10

H

10



(19a) [35]. It can react readily

with 2,6-(CH

3

)

2



C

6

H



3

NC to give a Zr–C

vinyl

bond insertion product 1,2-[(2 ,6 -Me



2

C

6



H

3

N



=)CC(Et)=C(Et)]-1,2-C

2

B



10

H

10



(21) in refluxing toluene. Hydrolysis of 19a under acidic media affords alkenylcarborane 1-[HC(Et)

=C(Et)]-1,2-C

2

B

10



H

11

(22). Interaction of 19a with I



2

in the presence of CuCl generates a monoiodosubstituted product 1-[CI(Et)

=C(Et)]-1,2-

C

2



B

10

H



11

(23) but not the disubstituted species 1-I-2-[CI(Et)

=C(Et)]-1,2-C

2

B



10

H

10



. It is suggested that, after transmetalation

to Cu(I), only the Cu–C

vinyl

bond is reactive toward I



2

whereas the Cu–C

cage

bond is inert probably because of steric reasons



[9, 36]. This is very different from zirconacyclopentadienes, in which the diiodo-substituted compound is the major product

in the presence of CuCl [37]. Reaction of 19a with o-diiodobenzene in the presence of CuCl produces naphthalocarborane

1,2-[o-C

6

H



4

C(Et)


=C(Et)]-1,2-C

2

B



10

H

10



(24). Treatment of 19a with CuCl

2

in toluene at 80



C gives the C–C coupling

product 1,2-[C(Et)

=C(Et)]-1,2-C

2

B

10



H

10

(25). It is suggested that the intermediate 1,2-[CuC(Et)



=C(Et)]-1,2-C

2

B



10

H

10



is

formed by the transmetalation of 19a to Cu(II). Subsequent reductive elimination affords the four-membered ring product

and Cu mirror. These results indicate that zirconacyclopentenes incorporating a carboranyl unit resemble their analogous

zirconacyclopentadienes Cp

2

Zr[C(R)


=C(R)-C(R)=C(R)] in some reactions [38], while they have some unique properties of

their own due to the presence of highly sterically demanding carboranyl unit.



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