Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet45/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   41   42   43   44   45   46   47   48   ...   115

263

Rh

I



CO

I

I



OC

O

H



3

C



PPN

+

Rh



CO

I

OC



I

PPN



+

+ CH


3

COI


4

1

2277.0


−0.010

0.00


0.01

0.02


0.03

0.04


0.05

0.06


0.07

0.08


A

0.09


0.10

0.11


0.12

0.13


0.14

0.15


0.16

0.17


0.18

0.186


2200

2100


2000

1950


1900

cm

−1



1850

1800


1750

1700


1643.3

Figure 20.4

Infrared monitoring of the reaction of under 15 bar CO at 25

C in dichloromethane.



190

188


186

184


182

180


178

176


174

172


ppm

5% H


2

O w/w


10% H

2

O w/w



20% H

2

O w/w



CO

CH

3



COOH

CH

3



COOCH

3

1



1

4

4

Figure 20.5

Representative

13

C-HP-NMR spectra recorded under methanol carbonylation conditions (0.1% Rh, CD



3

COOD/MeOAc/

CH

3

I, 15 bar



13

CO, 90


C) at different water content.

(Figs. 20.9–20.11). Surprisingly, it appears that the obtained energy profiles are dramatically low in energy. First, the

intermediate acetate complexes [RhI

2

(OAc)(CH


3

CO)(CO)


2

]



arising from the two fac,cis- or mer,trans- species should

spontaneously be formed. Second, from the three possible pathways AB, and C, the energy barrier varies from 14 to

23 kcal/mol (Figs. 20.9–20.11). The first of the two isomers, produced from mer,trans-4, presents two iodo ligands in

trans and the two CO ligands in cis position owing to the moving of one CO in trans of the acetyl ligand (intermediate at

−14 kcal/mol, pathway A, Fig. 20.9). The second isomer in pathway adopts two CO in trans and the two iodo in cis,


264

ACETATO LIGAND IN THE REDUCTIVE ELIMINATION STEP OF THE RHODIUM-CATALYZED METHANOL CARBONYLATION

CO

CO

O



CH

3

Rh



I

I

I



CO

I

I



O

Me



O

I

CH



3

Rh

I



CO

CO

CO



O −

CH

3



Rh

I

I



I

CO

CO



I

I

O





Me

Rh

I



CO

CO



Rh

I

I



I

CO



Rh

CO

I



CO

I

O



Me

Rh

I



I

CO

3



3

29

1



0

20

26



8

Figure 20.6

Gibbs free-energy pathway (energies in kcal/mol) computed for the internal rearrangement leading to the reductive

elimination of CH

3

COI from mer,trans-[RhI



3

(COMe)(CO)

2

]



and fac,cis-[RhI

3

(COMe)(CO)



2

]



.

0

10



20

30

40



50

60

70



0

5

10



15

Water content (wt %)

Conductivity (ms/cm)

Figure 20.7

Conductivity measurements of water/acetic acid mixtures.

the acetyl and acetate being trans to the iodo ligands (Fig. 20.10). From fac,cis-4, only the isomer in pathway exists,

in which the two iodo and one CO ligand geometry relative to the acetyl ligand remains unchanged (Fig. 20.11). Thus

the stabilizations are respectively of

−14, −24, and −31 kcal/mol when one iodo ligand is substituted with an acetate

ligand.

Correlatively, the transition states to produce 1 equiv of acetic anhydride and regenerate the cis- or trans-[RhI



2

(CO)


2

]



species display low, although slightly different, energy barriers. If we consider first path (Fig. 20.9), the transition state,

in which the oxygen atom approaches the carbon atom of the acetyl group at a distance of 1.59 ˚

A, the two rhodium–oxygen

and rhodium–carbon distances being extended to 2.15 and 2.57 ˚

A, has the same energy as the starting mer,trans-complex.

The energy barrier of 14 kcal/mol is low, presumably because the back donation of the acetyl group on the CO ligand in

trans position is important, giving rise to a rather facile C–O bond formation similar to an internal nucleophilic attack of

the oxygen atom on the acetyl carbon atom. Then the reductive elimination reaction is largely exergonic (

−36 kcal/mol)

producing trans-[RhI

2

(CO)


2

]



and acetic anhydride.

From the mer,trans-complex, path (Fig. 20.10) produces cis,cis,trans-[RhI

2

(OAc)(CH


3

CO)(CO)


2

]



, and, because of

the polarization of the two Rh–I bonds due to strong

σ -effect of the acetyl and acetate ligands, the approach of the two

fragments, which can be assimilated to a nucleophilic attack, proceeds less easily than in path A. Thus, the calculated energy



NMR AND INFRARED HIGH PRESSURE STUDIES AND DFT CALCULATIONS

265

I

CO



O

CH

3



Rh

CO

O



O

+



CH

3

I



I

CO

O



O

O

CH



3

CH

3



Rh

CO

I



I

I

CO



CH

3

CH



3

Rh

CO



I

I

O



O

O

I



CO

CH

3



CH

3

CO



Rh

I

I



I





O

O



O

+

+



0

39



56

−36


TS

Figure 20.8

Gibbs free-energy pathway computed for the direct attack of an OAc

ion on the acetyl carbon atom of mer,trans-



[RhI

3

(COMe)(CO)



2

]



.

CO

I



O

O

O



mer,trans

Me

+



CH

3

Rh



I

I

CO



CO

I

O



CH

3

CH



3

Rh

I



CO

O

O



CO



I

O

CH



3

CH

3



Rh

I

CO



O

O





−0.57

−0.25

−0.29

0.62

0.75

2.15


2.57

1.59


+ I

+ I



I

CO



Rh

CO

I



O

O



O

CH

3



CH

3

+



+

I



0

0

−14



−36

A

Figure 20.9

Reaction path for the substitution of I

with OAc



in mer,trans-[RhI

3

(COMe)(CO)



2

]



and reductive elimination of

CH

3



COOCOCH

3

(Ac



2

O).


barrier is 23 kcal/mol, that is, 64% higher than in the first path. Here also, the energy of this intermediate is about the same

as that of the starting mer,trans-complex. The reductive elimination step liberates 35 kcal/mol.

In path (Fig. 20.11), the stabilization of cis,cis,cis-[RhI

2

(OAc)(CH



3

CO)(CO)


2

]



from fac,cis-[RhI

3

(COMe)(CO)



2

]



reaches 31 kcal/mol, the energy barrier is 18 kcal/mol, and the cis-[RhI

2

(CO)



2

]



isomer, which is usually found in the

catalytic solutions, is at

−43 kcal/mol energy level, which is more favorable than the trans-isomer by 7 kcal/mol.

Thus the two pathways and appear more favorable than the direct reductive elimination of CH

3

COI from (energy



barrier of 26 kcal/mol) or path (23 kcal/mol). Indeed, the

{[RhI


2

(CO)


2

]



+ CH

3

COI



} system is at the same level of energy

than the starting acetyl complex 4, whereas pathways and lead to a

{[RhI

2

(CO)



2

]



+ Ac

2

O



} system characterized

by a


−36 or −43 kcal/mol energy level. For and C, the Rh–O and Rh–C(acetate) distances are 2.15 and close to

266

ACETATO LIGAND IN THE REDUCTIVE ELIMINATION STEP OF THE RHODIUM-CATALYZED METHANOL CARBONYLATION

CO

I



O

0

−36



CH

3

Rh



I

I

CO



CO

O

CH



3

CH

3



CH

3

CH



3

CH

3



CH

3

Rh



CO

I

O



O

I

CO



CO

Rh

I



I

CO

O



O

O

Rh



CO

I

I



0.74

-0.27

-0.49

0.71

2.26


2.73

1.50


O

O

Me



+



mer,trans

+ I



+



+

I



+ I

O



O

O



−24

−1

B



Figure 20.10

Reaction path for the substitution of I

with OAc


in mer,trans-[RhI

3

(COMe)(CO)



2

]



and reductive elimination of

Ac

2



O.

CO



fac,cis

CO

O



CH

3

Rh



I

I

I



CO

CO



O

CH

3



CH

3

CH



3

CH

3



CH

3

CH



3

Rh

O



O

I

I



CO

CO



Rh

I

I



O

O −


+

Me

CO



CO

O



Rh

O

O



I

I

-0.27



-0.56

0.74

2.15


2.51

1.50


-0.51

0.75

O

O



O

+

+ I



+ I


+ I


3

C



−28

−10


−43

Figure 20.11

Reaction path for the substitution of I

with OAc


in fac,cis-[RhI

3

(COMe)(CO)



2

]



and reductive elimination of Ac

2

O.



2.54 ˚

A, respectively, whereas in the Rh–C distance is 2.73 ˚

A, which is consistent with a less electrophilic carbon

atom. In addition, path is certainly the most feasible way to produce acetic anhydride and regenerate the active species



cis-1.

It is interesting to note that a mechanistic study carried out on the palladium-catalyzed biphasic carbonylation of

iodobenzene has shown that an indirect route to produce benzoic acid involves benzoic anhydride [35]. For instance, isolation

of [Pd(


μ-OH)Ph(PPh

3

)]



2

and further reaction with PhI under a CO atmosphere leads to [Pd(

μ-I)(COPh)(PPh

3

)]



2

, (PhCO)


2

O


REFERENCES

267

and H


2

O in almost quantitative yields. More particularly, the two [Pd(Ph)(COOPh)(PPh

3

)

2



] and [Pd(Ph)(COOPh)(PCy

3

)



2

]

complexes, in which the triphenyl- and tricyclohexylphosphine ligands are in trans-position and the benzoate ligand is



bonded in a

κ

1



-mode, undergo a CO insertion in the palladium–phenyl bond to provide the [Pd(COPh)(COOPh)(PPh

3

)



2

]

and [Pd(COPh)(COOPh)(PCy



3

)

2



] complexes. Reductive elimination to produce benzoic anhydride occurs very slowly at

70



C under CO for the latter complex, but rather easily for the PPh

3

containing complex, which leads to the palladium(0)



cluster [Pd

3

(CO)



3

(PPh


3

)

3



]. In addition, the carbonylation of an aryl iodide into the corresponding anhydride with yields

as high as 98% has been achieved using the

{Pd(OAc)

2

/bis(diphenylphosphino)propane/NEt



3

/DMF as solvent/0.5 equiv

H

2

O/CO (1 bar)



} catalytic system [36]. The authors suppose that the H

2

O molecule attacks the Pd-acyl intermediate to



generate a Pd–H species (NEt

3

reacting to remove [NEt



3

H]I and produce [Pd

(0)

(DPPP)]) and the aryl carboxylate which



reacts with the Pd-acyl species. Finally, the nucleophilic attack of a palladium-acyl species has been extensively proposed in

the alcoholysis step for the termination step of the carbon monoxide/ethylene alternating copolymerization process [37–39].

However, the characterization of the (benzoyl)benzoate)palladium complex shows that this classical reductive elimination

step, in which even the two groups are in trans position, can occur in competition with the nucleophilic attack of an acyl

group [35].

20.3

CONCLUSION

The present experimental and theoretical investigations reveal that in the [RhI

3

(COMe)(CO)



2

]



complex, resulting from the

successive oxidative addition of CH

3

I on [RhI



2

(CO)


2

]



, migratory CO-insertion, and CO coordination, one iodo ligand can

be easily substituted with an acetato OAc

ligand to provide the [RhI



2

(OAc)(COMe)(CO)

2

]



intermediate. From the two

cis,cis,cis- and fac,cis-isomers where the acetyl and acetate groups are in cis-position, a significantly exergonic reductive

elimination takes place spontaneously to produce acetic anhydride and regenerate the active [RhI

2

(CO)


2

]



species in the

methanol carbonylation reaction. The energy barriers can be as low as 14 and 18 kcal/mol and be consistent with this

mechanism, which competes with the classically admitted reductive elimination of CH

3

COI, requiring 25–26 kcal/mol but



being almost thermoneutral [40].

REFERENCES

1. Harpe H. J. Industrial Organic Chemistry, 5th ed.; Wiley-VCH Verlag: Weinheim, Germany, 2010; p 175.

2. Reppe, W.; Friederich, H.; von Kutepow, N.; Morsch, W. (BASF). U.S. Patent 2,729,651, 1956.

3. Reppe, W.; Friederich, H. (BASF). U.S. Patent 2,789,137, 1957.

4. Mullen, A. In New Syntheses with Carbon Monoxide; Falbe, J., Ed.; Springer-Verlag: Berlin, 1980; p 243.

5. Forster, D.; Singleton, T. C. J. Mol. Catal. 198217 , 299.

6. Dekleva, T. W.; Forster, D. Adv. Catal. 198634 , 81.

7. Mizoroki, T.; Nakayama, M. Bull. Chem. Soc. Jap. 196538 , 2876; 196841, 1628.

8. Paulik, F. E.; Roth, J. F. J. Chem. Soc. Chem. Commun1968, 1578.

9. Roth, J. F.; Craddock, J. H.; Hershman, A.; Paulik, F. E. Chem. Technology 1971, 600.

10. Forster, D. Adv. Organometal. Chem. 197917 , 255.

11. Howard, M. J.; Jones, M. D.; Roberts, M. S.; Taylor, S. A. Catal. Today 199318 , 325.

12. Maitlis, P. M.; Haynes, A.; Sunley, G. J.; Howard, M. J. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1996, 2187.

13. Cheung, H.; Tanke, R. S.; Torrence, G. P. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6th ed., Wiley-VCH: Weinheim, 2000.

14. Yoneda, N.; Kusano, S.; Yasui, M.; Pujado, P.; Wilcher, S. Appl. Catal. A 2001221 , 253.

15. Gauss, M.; Seidel, A.; Torrence, P.; Heymanns, P. In Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compounds; Cornils, B.;

Herrmann, W. A., Eds.; Vol. 1, Wiley-VCH: Weinheim,1996; Torrence, P. In Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic

Compounds, 2nd ed.; Cornils, B.; Herrmann, W. A., Eds.; Vol. , Wiley-VCH: Weinheim, 2002; p 104.

16. Thomas, C. M.; S¨uss-Fink, G. Coord. Chem. Rev. 2003243 , 125.

17. Haynes, A. Top. Organometal. Chem. 200618 , 179.

18. Haynes, A. Adv. Catal. 201053 , 1.

19. Jones, J. H. Platinum Metals Rev. 200044 , 94.

20. McConnell, A. C.; Pogorzelec, P. J.; Slawin, M. Z.; Williams, G. L.; Elliott, P. I. P.; Haynes, A.; Marr, A. C.; Cole-Hamilton, D. J.



Dalton Trans. 2006, (1), 91.

268

ACETATO LIGAND IN THE REDUCTIVE ELIMINATION STEP OF THE RHODIUM-CATALYZED METHANOL CARBONYLATION

21. Bassetti, M.; Monti, D.; Haynes, A.; Pearson, J. M.; Stanbridge, I. A.; Maitlis, P. M. Gazz. Chim. Ital. 1992122 , 391.

22. Ellis, P. R.; Pearson, J. M.; Haynes, A.; Adams, H.; Bailey, N. A.; Maitlis, P. M. Organometallics 199413 , 3215.

23. Nguyen, D. H.; Lassauque, N.; Vendier, L.; Mallet-Ladeira S.; Le Berre C.; Serp P.; Kalck P. Submitted for publication.

24. Gautron, S.; Giordano, R.; Le Berre, C.; Jaud, J.; Daran, J.-C.; Serp, P.; Kalck, P. Inorg. Chem. 200342 , 5523.

25. Sunley, J.G.; Garland, C.S.; Giles, M. F. (BP Chemicals). European Patent 643 034, 1994.

26. Garland, C. S.; Giles, M. F.; Poole, A. D.; Sunley, J. G. (BP Chemicals). European Patent 728 726, 1994.

27. Ghaffar, T.; Adams, H.; Maitlis, P. M.; Sunley, J. G.; Baker, M. J.; Haynes, A. Chem. Comm. 1998, 1023.

28. Le Berre, C.; Serp, P.; Kalck, P.; Layeillon, L.; Thi´ebaut, D. (Acetex Chimie). French Patent 98.13954, 1998.

29. Gautron, S.; Lassauque, N.; Le Berre, C.; Azam, L.; Giordano, R.; Serp, P.; Laurenczy, G.; Duhayon, C.; Thi´ebaut, D.; Kalck, P.

Organometallics200625 , 5894.

30. Smith, B. L.; Torrence, G. P.; Aguilo, A.; Alder, J. S. (Hoechst Celanese). U.S. Patent 5,001,259, 1991.

31. Murphy, M. A.; Smith, B. L.; Torrence, G. P.; Aguilo, A. J. Organometal. Chem. 1986303 , 257.

32. Smith, B. L.; Torrence, G. P.; Murphy, M. A.; Aguilo, A. J. Mol. Catal. 198739 , 115.

33. Kinnunen, T.; Laasonen, K. J. Mol. Struct. (Theochem)2001542 (1–3) 273.

34. Haynes, A.; Maitlis, P. M.; Quyoum, R.; Pulling, C.; Adams, H.; Spey, S.E.; Strange, R.W. J. Chem. Soc. Dalton Trans.2002, 2565.

35. Grushin, V. V.; Alper H. J. Am. Chem. Soc. 1995117 , 4305 and references cited therein.

36. Li, Y.; Xue, D.; Wang, C.; Liu, Z.-T.; Xiao, J. Chem. Commun. 201248 , 1320.

37. van Leeuwen, P. W. N. M.; Zuideveld, M. A.; Swennenhuis, B. H. G.; Freixa, Z.; Kamer, P. C. J.; Goubitz, K.; Fraanje, J.; Lutz,

M.; Spek, A. L. J. Am. Chem. Soc. 2003125 , 5523.

38. Liu, J.; Heaton, B. T.; Iggo, J. A.; Whyman, R. Chem. Commun. 2004, (11), 1326.

39. Zuidema E., Bo C., van Leeuwen P. W. N. M. J. Am. Chem. Soc. 2007129 , 3989.

40. Kinnunen, T.; Laasonen, K. J. Organomet. Chem. 2001628 , 222.


21

HALF-SANDWICH RHODIUM(III), IRIDIUM(III),

AND RUTHENIUM(II) COMPLEXES WITH ANCILLARY

PYRAZOLE-BASED LIGANDS

Claudio Pettinari*, Riccardo Pettinari, and Corrado Di Nicola



Schools of Pharmacy, Chemistry Section, S. Agostino 1, University of Camerino, Camerino, Italy

Fabio Marchetti



Schools of Science and Technology, Chemistry Section, S. Agostino 1, University of Camerino, Camerino, Italy

21.1

INTRODUCTION

Half-sandwich transition metal complexes are a class of compounds with a three-legged piano-stool pseudo-octahedral

geometry at the metal center, where the aromatic five- or six-membered ring occupies three coordinating sites (the seat) with

three other ligands (the legs) more or less easily interchangeable. The presence of the aromatic ring stabilizes and protects

the metal center, for example, in the case of ruthenium(II), preventing its rapid oxidation to ruthenium(III). Generally, the

aromatic ring is relatively inert toward substitution reactions and consequently it is often considered as a spectator ligand. In

the three remaining coordination sites opposite the aromatic ligand, it is possible to introduce a wide variety of ligands with

C-, N-, O-, S- or P-donor atoms. The resulting derivatives can be neutral, mono- or dicationic, and often these ligands are

labile and suitable to be exchanged, a feature in solution that is crucial in self-assemblies, biological, and catalytic processes.

Pyrazole is a five-membered aromatic heterocycle [1], displaying different acid–base features and coordination ability

with respect to analogous imidazole. Both imidazole and pyrazole have two nitrogen atoms for which the positive charge

can be delocalized upon protonation. However, pyrazoles result in much weaker bases than imidazoles, the difference being

due to the fact that the positive charge in pyrazolium ion is less delocalized than in the imidazolium ion. Pyrazole rings

are present in a huge number of organic, inorganic and organometallic derivatives for several applications, for example,

as building blocks of other compounds, as agrochemicals, in catalysis, and in medicine. Pyrazole and its derivatives are

very versatile and a series of analog can be synthesized, thus influencing the steric and electronic features of their metal

derivatives. Pyrazole has also been found as a pharmacophore in a number of active biological molecules, with antimicrobial,

antiviral, antiglycemic, anti-inflammatory, antiallergic, and anticancer applications [2].

Many classes of pyrazole-based ligands have been developed in the second half of the last century, which have been

employed in the coordination chemistry of main group, transition, and lanthanide metal ions and, in the last decade, biological

or catalytic applications have been reported [3].

Advances in Organometallic Chemistry and Catalysis: The Silver/Gold Jubilee International Conference on Organometallic Chemistry Celebratory Book,

First Edition. Edited by Armando J. L. Pombeiro.

© 2014 John Wiley & Sons, Inc. Published 2014 by John Wiley & Sons, Inc.


Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   41   42   43   44   45   46   47   48   ...   115




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