Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis

174

METAL-MEDIATED [2

+

3] DIPOLAR CYCLOADDITION TO SUBSTRATES WITH CN TRIPLE BOND: RECENT ADVANCES

N

Pt

II

N

Cl

Cl

C

R

1

C

R

1

R

1

 = Me, Et, CH

2

Ph, Ph, N(C

5

H

10

)

Pt

II

Cl

Cl

N

R

2

 = Me, Et

N

O

R

2

O

2

N

O

O

R

1

R

2

N

N

O

O

R

1

R

2

N

N

O

O

R

1

R

2

H

2

NCH

2

CH

2

NH

2

6

Scheme 13.5

Platinum(II)-mediated dipolar cycloaddition of oxazoline

N-oxides to nitriles and liberation of free 2,3a-disubstituted

5,6-dihydro-3aH-[1,3]oxazolo[3,2-

b][1,2,4]oxadiazoles [24].

N

Pt

II

N

Cl

Cl

C

R

1

C

R

1

R

1

 = Me, Et, CH

2

Ph, Ph, N(C

5

H

10

)

Pt

II

Cl

Cl

R

2

 = Me, Et

7

O

N

R

2

O

2

O

N

N

O

R

1

R

2

O

N

N

O

R

1

R

2

Scheme 13.6

Preparation of the diastereomerically pure platinum(II) complexes bearing tetrahydro-5,8-methanocyclohexa-

[3 ,2 :4,5][1,3]oxazolo[3,2-

b][1,2,4]oxadiazole [26].

In the related study [25], (tetrahydroimidazo[1,2-b][1,2,4]-oxadiazole)Pt

II

complexes were assembled via an intermolecular

platinum(II)-mediated 1,3-DCA between the imidazoline N-oxides and the coordinated nitriles in cis- and trans-

[PtCl

2

(R

1

CN

)

2

]. Tetrahydroimidazo[1,2-b][1,2,4]oxadiazoles exist only in the coordinated state, and an attempt to liberate

the heterocyclic ligands from the complexes by treatment with 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane (dppe) led to formation of

the free parent imidazoline

N-oxides and the nitriles [25].

Preparation of the diastereomerically pure platinum(II) complexes bearing tetrahydro-5,8-methanocyclohexa-[3 , 2 :

4, 5][1,3]oxazolo[3,2-b][1,2,4]oxadiazole ligands (7, Scheme 13.6) was accomplished via the intermolecular 1,3-DCA

between enantiomerically pure camphor-derived oxazoline-

N-oxides and the coordinated nitriles in trans-[PtCl

2

(R

1

CN

)

2

]

[26]. The reaction proceeds at 20–25

◦

C. Free heterocyclic species were liberated as single stereoisomers from the respective

platinum(II) complexes by treatment with excess NaCN [26].

13.2.2

Addition of Nitrile Oxides to Nitriles

The coupling of [PtCl

4

(R

1

CN

)

2

] with the nitrile oxides R

2

CNO at 20–25

◦

C afforded the (1,2,4-oxadiazole)platinum(IV)

complexes [PtCl

4

{N

a

=C(R

1

)ON=C

b

R

2

}

2

(N

a

−C

b

)] (8, Scheme 13.7) [27]. The reduction of 8 with Ph

3

P

=CHCO

2

Me led

to the appropriate platinum(II) complexes that cannot be obtained via a direct synthesis starting from the corresponding

platinum(II)–nitrile species. Furthermore, the reaction of 8 with an excess of pyridine in chloroform allowed to obtain free

1,2,4-oxadiazoles, that were isolated in nearly quantitative yields [27].

In a related study [28], the coupling between palladium(II)-bound nitriles in [PdCl

2

(R

1

CN

)

2

] and the nitrile oxides R

2

CNO

in neat nitrile at 40

◦

C for 12–18 h furnished 1,2,4-oxadiazole complexes trans-[PdCl

2

{N

a

=C(R

1

)ON=C

b

R

2

}

2

(N

a

–C

b

)]

in 40–85 % yields. Liberation of the free 1,2,4-oxadiazole species was accomplished by the action of 2 equiv of dppe in

chloroform or excess Na

2

S

•7H

2

O in methanol [28].

13.2.3

Addition of Azides to Nitriles

Iron(II) 5-aryl tetrazolate complexes [CpFe

(CO)(L)(N

4

CC

6

H

4

CN

)] (9, Cp = η-C

5

H

5

) were prepared by the room-

temperature cycloaddition of sodium azide to parent 1,4-dicyanobenzene complexes [CpFe

(CO)(L)(NCC

6

H

4

CN

)][O

3

SCF

3

]

(Scheme 13.8) [29].

METAL-MEDIATED [2

+

3] DIPOLAR CYCLOADDITION TO NITRILES AND ISOCYANIDES: SYNTHETIC STUDIES

175

N

Pt

IV

N

Cl

Cl

Cl

Cl

C

R

1

C

R

1

R

1

 = Me, Et, CH

2

Ph

O

N

C

R

2

N

Pt

IV

Cl

Cl

Cl

Cl

N

O

R

2

R

1

N

N

O

R

2

R

1

R

2

 = 2,4,6-Me

3

C

6

H

2

, 2,4,6-(MeO)

3

C

6

H

2

2

8

Scheme 13.7

Platinum(IV)-mediated dipolar cycloaddition of nitrile oxides to nitriles [27].

L = CO, PPh

3

, P(OMe)

3

, 2,6-Me

2

C

6

H

3

NC

9

N

Fe

OC

L

C

C

N

N

Fe

OC

L

C

N

NaN

3

N

N

N

+

Scheme 13.8

Reaction between [CpFe

(CO)(L)(N

4

CC

6

H

4

CN

)] and sodium azide [29].

Manganese(II) complexes with 5-(2-pyridyl) tetrazole, 5-(3-cyano-4-pyridyl) tetrazole, or 5-(4-pyridyl) tetrazole ligands

were generated by reaction of the corresponding cyanopyridines with sodium azide in the presence of manganese(II)

salts [30]. Acidification of the complexes produces the corresponding free 5-(pyridyl)-1H-tetrazole [30]. In another study

[31], the [2

+ 3] cycloaddition reaction of molybdenum(II) azide complexes with nitriles afforded tetrazolate complexes

Mo

(η3-C

3

H

5

)(CO)

2

(en)(R

1

CN

4

). They are the first examples of a complex with a heterocyclic ligand prepared via the

reaction of a group VIB metal azide with an unsaturated dipolarophile.

Solvothermal reactions of AgNO

3

, NaN

3

with MeCN and EtCN in methanol yield two noninterpenetrated supramolecular

networks, [Ag

(mtta)]

n

and [Ag

(etta)]

n

(mtta, 5-methyl tetrazolate; etta 5-ethyl tetrazolate), respectively, involving ligand

in situ formation by cycloaddition of nitriles and azides [32]. Furthermore, two new d

10

coordination polymers of zinc

and cadmium containing tetrazolate ligands have been synthesized by the in situ [3

+ 2] cycloaddition reaction of 5-

benzylacetonitrile, sodium azide, and MCl

2

(M

= Zn, Cd) under hydrothermal conditions [33, 34].

The [2

+ 3] cycloaddition reactions of the diazidoplatinum(II) complexes cis-[Pt(N

3

)

2

(PPh

3

)

2

] and cis-[Pt

(N

3

)

2

(2, 2-bipy)] with nitriles R

1

CN (Scheme 13.9) furnished the bis(tetrazolato) complexes trans-[Pt

(R

1

CN

4

)

2

(PPh

3

)

2

] (10)

or cis-[Pt

(R

1

CN

4

)

2

(2,2-bipy)] (bipy, bipyridine), correspondingly. Both reactions are greatly accelerated by microwave

irradiation [35]. In a related study [36], the [2

+ 3] cycloaddition reaction of the cis-[Pt(N

3

)

2

(PPh

3

)

2

] with

4-cyanobenzaldehyde furnished the

N

2

N

2

-bonded isomer of bis[5-(4-formylphenyl)tetrazol-2-ate] platinum(II) trans-

[Pt

{N

4

CC

6

H

4

(4-CH=O)}

2

(PPh

3

)

2

] as the major product, along with the

N

1

N

2

-bonded isomer. In another study by the

Ph

3

P

Pt II

N

3

Ph

3

P

N

3

Pt

II

PPh

3

R

1

 = Me, Et, Pr, Ph, 4-ClC

6

H

4

Ph

3

P

10

CNR

1

N

N

C

N

N

N

N

C

N

N

R

1

R

1

Scheme 13.9

Reactions of the diazidoplatinum(II) complexes cis-[Pt

(N

3

)

2

(PPh

3

)

2

] with platinum(II)-bound nitriles [35].

176

METAL-MEDIATED [2

+

3] DIPOLAR CYCLOADDITION TO SUBSTRATES WITH CN TRIPLE BOND: RECENT ADVANCES

same authors [37], microwave synthesis of bis(tetrazolato)-palladium(II) complexes with PPh

3

and water-soluble 1,3,5-

triaza-7-phosphaadamantane was accomplished using a similar strategy.

Preparation of new tetrazolate complexes trans-[PtCl

2

(R

1

CN

4

)

2

]

2

−

and trans-[PtCl

4

(R

1

CN

4

)

2

]

2

−

with Ph

3

PCH

2

Ph

+

and

(CH

3

)

2

NH

2

+

counterions was accomplished via the direct azidation of nitriles in trans-[PtCl

2

(R

1

CN

)

2

] and trans-

[PtCl

4

(R

1

CN

)

2

] [38]. The authors indicated that the coordination of nitriles to Pt(II) and Pt(IV) significantly activated the

azidation: the reaction proceeded with a higher rate and at relatively low temperature compared with the classical 1,3-dipolar

addition of azides to nitriles.

13.2.4

Addition of Nitrones to Isocyanides

The first example for the metal-mediated [2

+ 3] cycloaddition of a nitrone to an isonitrile was reported [39]. Thus, the

reaction between equimolar amounts of cis-[PdCl

2

(R

1

NC

)

2

] and the acyclic nitrones O

+

N

−

(R

2

)=C(H)R

3

performed in

C

6

H

6

at 5

◦

C provided the carbene complexes [PdCl

2

{C(ONR

2

C

a

HR

3

)=N

b

R

1

}(CNR

1

)(C

a

−N

b

)] (11) in good (70–54%)

yields (Scheme 13.10).

The interplay between equimolar amounts of cis-[PdCl

2

(R

1

NC

)

2

] and the nonaromatic cyclic nitrone

−O

+

N

c

=

CHCH

2

CH

2

C

d

Me

2

(N

c

−C

d

) in CHCl

3

at 5

◦

C led to the corresponding carbene species [PdCl

2

{C(ON

c

CMe

2

CH

2

CH

2

C

d

H

)=N

e

R

1

}(R

1

NC

)(N

c

−C

d

)(C

d

−N

e

)], isolated in 92–78% yields [39].

13.2.5

Addition of Azides to Isocyanides

Metal-mediated DCA between azides and isocyanides typically starts from metal–azide complexes and free iso-

cyanides. Thus, the azido complexes [RhCp

∗ (μ-N

3

)(N

3

)]

2

(Cp∗ = η-C

5

Me

5

), trans-Rh(N

3

)(CO)(PPh

3

)

2

, Na

2

[Pd

(N

3

)

4

],

Na

2

[Pd

2

(μ-N

3

)

2

(N

3

)

4

], and Na[Au

(N

3

)

4

], reacted with aliphatic isocyanides to give a series of new metal–carbon bonded

tetrazolato complexes [40]. All azide ligands in the coordination sphere undergo this cycloaddition with isocyanides except

on palladium(II), where only two tetrazol-5-ato groups are formed (12, Scheme 13.11).

In the other study [41], Pd-bis(azido) compounds [Pd

(dppn)(N

3

)

2

], [Pd

(dppf)(N

3

)

2

], and [Pt

(1-dpn)(SMe

2

)(N

3

)

2

]

[dppn,

1,8-bis(diphenylphosphino)naphthalene;

dppf,

1,10-bis(diphenylphosphino)ferrocene;

1-dpn

1-diphenyl-

phosphinonaphthalene] underwent [2

+ 3] cycloaddition with isocyanides R

1

NC (R

1

= cyclohexyl, tBu, 2,6-

dimethylphenyl) to convert azido ligands to five-membered, C-coordinated tetrazolate rings. In a related study [42], alkynyl

palladium(II)-azido species of the type [Pd

(N

3

)(C≡CR)PMe

3

] reacted with

tBuNC to give corresponding complexes with

C-bound tetrazolates.

Pd

Cl

Cl

C

N

R

1

C

N

R

1

C

N

C

N

O

H

R

3

R

2

R

1

Pd

Cl

C

Cl

N

R

1

*

R = Cy, t Bu, Xyl

R

2

 = Me, CH

2

Ph; R

3

 = C

6

H

4

Me-4

11

N

O

R

2

H

R

3

+

C

6

H

6

, 5 

°C

Scheme 13.10

Reaction between cis-[PdCl

2

(R

1

NC

)

2

] and acyclic nitrones [39].

N

3

Pd

II

N

3

N

3

N

3

Pd

II

N

3

N

3

R

1

 = t Bu, Cy,

CN(CH

2

)

4

Cl, CNCH=CH

2

C

N

N

N

N

R

1

12

CNR

1

C

N

N

N

N

R

1

2

−

Scheme 13.11

Palladium(II)-mediated cycloaddition of azides to isocyanides [40].

METAL-MEDIATED [2

+

3] CYCLOADDITION TO NITRILES AND ISOCYANIDES: THEORETICAL STUDIES

177

13.3

METAL-MEDIATED [2

+ 3] CYCLOADDITION TO NITRILES AND ISOCYANIDES: THEORETICAL

STUDIES

13.3.1

Cycloaddition of Nitrones to Nitriles

A vast majority of theoretical works on this topic published during past decade deals with the CAs of nitrones

(R

1

CH

=N(R

2

)O) to nitriles (N≡CR) affording

4

-1,2,4-oxadiazoline species (Route I, Scheme 13.1).

13.3.1.1

Nature of the Activation Effect

One of the principal questions that may be interpreted with the help of theoretical

methods is the reasons for the activation of nitriles toward DCA upon their coordination to a metal center. Traditionally,

the reactivity of dipoles and dipolarophiles in the DCA reactions is explained in terms of the frontier molecular orbital

(FMO) theory and depends on the predominant type of the FMO interaction. The coupling of nitrones with nitriles is usually

controlled by the interaction of the highest occupied molecular orbital (HOMO) of nitrone and the lowest unoccupied

molecular orbital (LUMO) of nitrile centered on the C

≡N bond (so-called normal electron demand reactions). For such

processes, the coordination of N

≡CR to a Lewis acid (e.g., to a metal) decreases the LUMO

NCR

energy, providing a smaller

HOMO

nitrone

− LUMO

NCR

gap and, hence, facilitates the DCA reaction (Fig. 13.1a).

Another factor determining the reactivity of nitriles is the charge factor, which becomes increasingly important in the

case of asynchronous DCAs when one of the new bonds forms earlier than another one (Fig. 13.1b). Such reactions may

be considered in part as nucleophilic addition processes that are controlled by the atomic charge on the interacting atoms

(mostly on the nitrile C atom of N

≡CR). The ligation of N≡CR to a metal shifts the electron density from the C≡N group

providing the higher charge on the nitrile C atom and, therefore, favors the DCA process (taking into account that the C

atom is an electrophilic center).

13.3.1.2

Effect of the Nature of the Metal

Considering both orbital and charge arguments, two main criteria for the

selection of the metal—the most efficient activator of N

≡CR—may be formulated. First, such a metal should form a strong

coordination bond with nitriles (to be sufficiently “nitrilophilic”); otherwise, the substitution of the coordinated nitrile for the

nitrone molecule can be quite competitive with the DCA [43]. Second, the metal should be in a relatively high oxidation state.

This provides the most effective shift of the electron density from the nitrile functionality and, hence, the most significant

lowering of the LUMO

NCR

energy and the decrease of the positive charge on the nitrile C atom. Additionally, the selective

coordination of nitrile (but not of nitrone) to the metal is important because the joint ligation of nitrone and nitrile results

in a concurrent decrease of FMO energies of both reactants and in a lower activation or even inhibition of the reaction. The

exclusive coordination of N

≡CR may be achieved if the metal is a “soft” acid that preferably interacts with the “softer”

nitrile N atom rather than with the “harder” O atom of nitrone.

C

N

+

O

−

R

2

R

1

R

3

N

C

R

N

C

R

[M]

HOMO

LUMO

LUMO

LUMO

HOMO

(a)

[M]

N

C

R

C

O

N

R

3

R

2

R

1

δ

+

≠

(b)

E

δ

−

Figure 13.1

Frontier molecular orbitals of nitrone and free or coordinated nitrile (a) and transition state of the concerted asynchronous

mechanism of the nitrone-to-nitrile cycloaddition (b).

178

METAL-MEDIATED [2

+

3] DIPOLAR CYCLOADDITION TO SUBSTRATES WITH CN TRIPLE BOND: RECENT ADVANCES

H

2

C

N

O

–

Me

+

N

C Me

N

C Me

[Pt

II

]

HOMO

LUMO

E, Hartree

N

C Me

[Pt

IV

]

0.0

–0.1

–0.2

–0.3

–0.4

π

*(CN)

π

*(CN)

π

*(CN)

π

(CN)

π

(CN)

π

(CN)

[Pt

II

] = trans-[PtCl

2

(NCMe)]

[Pt

IV

] = trans-[PtCl

4

(NCMe)]

Figure 13.2

Energies of frontier molecular orbitals of nitrone CH

2

=N(Me)O and free and coordinated acetonitrile.

Among various metals, platinum and palladium perfectly fulfill these criteria, being the most efficient activators of

nitriles [1]. Theoretical calculations using the density functional theory (DFT) indicate that the coordination of N

≡CMe

to Pt(II), Pt(IV), or Pd(II) in complexes trans-[MCl

n

(N≡CMe)

2

]

(M = Pt(1T), Pd(2T), n = 2; M = Pt(3T), n = 4) results

in a significant decrease of the LUMO

NCMe

energy (by 1.95–2.13 eV, Fig. 13.2) and in an increase of the atomic charge

on the nitrile C atom from 0.29 e in free N

≡CMe to 0.47–0.53 e in the complexes [43–46]. As a result, the calculated

activation energy of the DCA of nitrones RCH

=N(Me)O (R = H, Me) decreases from 27.65–30.30 kcal/mol (to free

N

≡CMe) to 8.04–20.70 kcal/mol (to 1T–3T) that corresponds to the enhancement of the reaction rate by a factor of

8.3

× 10

5

–2.4

× 10

14

.

The coordination also affects the thermodynamic characteristics of the process, providing more exothermic and exergonic

DCA. The Gibbs free energy of the reaction becomes more negative, changing from (

−4.73)–(−7.60) kcal/mol for

DCAs to free NCMe to (

−13.90)–(−22.17) kcal/mol for the reactions with complexes 1T–3T. Such thermodynamic

stabilization of the DCA products explains the experimental isolation of unstable

4

-1,2,4-oxadiazoline heterocycles (e.g.,

tetrahydroimidazo[1,2-b][1,2,4]oxadiazoles [25]) which cannot survive being uncoordinated to a metal. Thus, the activation

of nitriles upon their coordination can be interpreted in terms of both kinetic and thermodynamic arguments.

At the same time, chemical behavior of the Pt and Pd nitrile complexes toward nitrones is rather different, at least under

certain experimental conditions. The only isolated product of DCA to the Pt species is a cycloadduct, while, in the case

of the Pd complexes [PdCl

2

(N≡CR)

2

], the substitution of N

≡CR for the nitrone was also observed [19]. Such different

behavior is explained by the more labile nature of the Pd nitrile complexes compared to the Pt complexes. The calculated

metal–NCMe bond energy in 1T and 2T are 48.8 and 36.2 kcal/mol, respectively. Correspondingly, the estimated activation

energy of the substitution in 1T is higher than that of the DCA, whereas a clearly opposite situation was found for complex