Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis

276

HALF-SANDWICH RHODIUM(III), IRIDIUM(III), AND RUTHENIUM(II) COMPLEXES

Ru

N

HN

N

NH

Cl

Ru

Cl

N

NH

Cl

(a)

Ru

Cl

Cl

N

N

N

N

PPh

2

RO

R = H, Me, allyl

(c)

(b)

Figure 21.13

(a) [(p-Cymene)RuCl

2

(3,5-Me

2

pz)]; (b) [(p-cymene)RuCl(3,5-Me

2

pz)

2

]

+

; (c) [(p-cymene)RuCl

2

{ROCH

2

C(CH

2

pz)

2

(CH

2

PPh

2

)

}].

Ru

Cl

Ru

Cl

Cl

Cl

(a)

(c)

N

N

N

N

Ru

Cl

N

N

N

N

Cl

−

Ru

Cl

N

N

C

N

N

H

H

F

3

C

S

O

O

O

(b)

−

−

Figure 21.14

(a) [(p-Cymene)Ru((

κ

2

-H

2

Cpz

2

)Cl]Cl; (b) [(p-cymene)Ru((

κ

2

-H

2

Cpz

2

)Cl][(arene)RuCl

3

]; (c) [(p-cymene)Ru((

κ

2

-

H

2

Cpz

2

)Cl](O

3

SCF

3

).

Ru N

N

N

N

N

N

O

Ru

N

N

N

N

N

N

O

4+

Figure 21.15

{p-C

6

H

4

[CH

2

OCH

2

Cpz

3

]

2

[Ru(p-cymene)]

2

}

4

+

.

predominance of ion pairs in solution. NOE measurements suggest that (O

3

SCF

3

)

−

approaches the cation orienting itself

toward the CH

2

moiety of the H

2

Cpz

2

ligand as found in the solid state (Fig. 21.14c).

Selected Ru(II) species have been preliminarily investigated as catalysts toward styrene oxidation by dihydrogen peroxide,

[(p-cymene)Ru(

κ

2

-H

2

Cpz

2

)(H

2

O)][PF

6

]

2

being the most active species. In the crystal structures of [(p-cymene)Ru(L)Cl]Cl

complexes, a crystallization water molecule is involved in a weak hydrogen bond with one methylenic hydrogen of

the H

2

Cpz

2

ligand, thus generating infinite helical chains constituted by alternating H

2

O and Cl

−

units running along

one crystallographic axis. A similar situation has been found in

{p-C

6

H

4

[CH

2

OCH

2

Cpz

3

]

2

[Ru(p-cymene)]

2

}Cl

4

·14H

2

O

(Fig. 21.15), which displays a one-dimensional water chain associated into an inorganic (carbon-free) layer with chloride

anions by hydrogen bonds, the layer acting as a “host” supporting the non-self-assembled metal-organic “guests” [34].

Such kind of investigations on small water assemblies represent a significant method to understand the structural variations

and mechanisms in the transition from isolated molecules to bulk states and likely to understand their role and behavior

at a fundamental level. An analogous situation has been recently found in the crystal structure of [(p-cymene)Ru(

κ

3

-

HCpz

3

)]Cl(OH)

·2H

2

O, isolated from attempted interaction between [(p-cymene)RuCl

2

]

2

and a polytopic nitrogen donor

ligand based on the 1,3,5-triazine fragment bearing three

{–Cpz

3

} tripodal moieties, which decomposes during the reaction:

a supramolecular arrangement has been found, based on hybrid chains involving the anions Cl

−

and OH

−

and crystallization

water molecules [35].

HALF-SANDWICH Ru(II) DERIVATIVES

277

(Arene)Ru(II) complexes with bis(pyrazolyl)methane ligands in which the central carbon atom bears phenyl rings having

different functional substituents such as OMe, OH, NO

2

, or NH

2

(Fig. 21.16a) have been reported: the behavior of these

complexes in the transfer hydrogenation of benzophenone in the presence of KOH was studied and, the influence of the

arene, the functional group on the phenyl ring, and the substitution on the pyrazole ring evaluated [36]. Kinetic studies

confirmed the formation of hydride species after a pretreatment of the precatalyst in 2-propanol, allowing to propose a

mechanism of hydrogenation of carbonyl groups under base-free conditions [37].

A number of bis(pyrazolyl)azine ligands have been prepared together with the corresponding mononuclear cationic

(arene)Ru(II) complexes (Fig. 21.16b and c), which have been shown active in ketone hydrogenation transfer processes

even in the absence of a base [38].

A large number of half-sandwich complexes of Ru(II), Ru(III), Rh(III), and Ir(III) with pyrazole-based ligands with

pyridine, pyridazine, and pyrimidine moieties has been recently reported by several authors (Fig. 21.17) [39].

Sadler has focused on the synthesis of novel (arene)Ru(II) complexes with phenylazo-pyrazoles (Fig. 21.18) and on their

cytotoxicity toward A2780 human ovarian or A549 human lung cancer cells.

Their aqueous solution chemistry has been deeply investigated by measuring the rate of aquation and the reaction

with 9-ethylguanine, to mimic the possible interaction with nucleic acids of DNA, that is thought to be important with

respect to their observed cancer cell cytotoxicity [40]. Keppler et al. have contributed in the field of half-sandwich

anticancer metal complexes, and in detail on targeted chemotherapy, with a number of works dealing with the synthesis and

cytotoxicity evaluation of (arene)Ru(II) derivatives containing pyrazole-based ligands. Ionic derivatives having general

formula [(p-cymene)Ru(8-hydroxyquinoline)(Hazole)]X (Hazole

= pyrazole, indazole, imidazole, benzimidazole, or 5,6-

dimethylbenzimidazole; X

= CF

3

SO

3

−

, PF

6

−

, or Cl

−

) (Fig. 21.19a) have shown water solubility and no evidence of

hydrolysis or ligand exchange in aqueous media; moreover, they exhibit excellent cytotoxic effects in the tumor cell

lines CH1 and SW480, with IC

50

values ranging from 3.3 to 9.4

μM [41]. Similar ionic complexes [(p-cymene)RuCl(L)]Cl,

(L

= 3-(1H-benzimidazol-2-yl)-1H-pyrazolo-[3,4-b]pyridines) (Fig. 21.19b) have been synthesized, the latter being known as

potential cyclin-dependent kinase (Cdk) inhibitors [42]. A study on structure–activity relationships with regard to cytotoxicity

and cell cycle effects in human cancer cells, as well as Cdk inhibitory activity, has been also reported. For example, an

increased solubility in the biological medium has been observed upon complexation of ligands L, but this lowered the

antiproliferative activity in human cancer cell lines.

Ru

Cl

N

N

N

N

H

R

R = OMe, OH, NO

2

, NH

2

(a)

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

Ru

Cl

Ru

Cl

(b)

(c)

Figure 21.16

(a) [(p-Cymene)Ru(

κ

2

-HC(pz)

2

(C

6

H

4

R)]

+

; (b) [(p-cymene)Ru

{κ

2

-2,3-di(1H-pyrazol-1-yl)pyrazine

}]

+

; (c) [(p-cymene)

Ru

{κ

2

-(3,6-bis(3,5-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl)pyridazine

}]

+

.

N NH

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N N

N N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N N

Cl

Figure 21.17

Pyrazole-based ligands with pyridine, pyridazine, and pyrimidine moieties.

278

HALF-SANDWICH RHODIUM(III), IRIDIUM(III), AND RUTHENIUM(II) COMPLEXES

N

H

N

N N

N

Ru

Cl

Arene

Arene =

Figure 21.18

(Arene)Ru(II) complexes with phenylazo-pyrazoles.

Ru

azole

N

O

(a)

N

H

N

NH

N

Y

X

Ru

Cl

(b)

N

H

N

NH

N

Y

X

Ru

Cl

(c)

H

N

O

O

H

O

X = H, Br; Y = H, CH

2

OCH

3

Figure

21.19

(a)

[(p-Cymene)Ru(8-hydroxyquinoline)(Hazole)]

+

;

(b)

[(p-cymene)RuCl(3-1H-benzimidazol-2-yl)-1H-pyrazolo-

[3,4-b]pyridines)]

+

; (c) [(4-formylphenoxyacetyl-

η

6

-benzylamide)RuCl(indolo[3,2-d]benzazepine)]

+

.

[(Arene)RuCl (L)]Cl species where the arene is 4-formylphenoxyacetyl-

η

6

-benzylamide and L is a Cdk inhibitor [3-(1H-

benzimidazol-2-yl)-1H-pyrazolo[3,4-b]pyridines or indolo[3,2-d]benzazepines] (Fig. 21.19c) have been synthesized and the

antiproliferative activities and effects on the cell cycle evaluated, showing moderate cytotoxic to cancer cells (CH1, SW480,

A549, A2780, and A2780cisR cell lines) [43]. Moreover, in order to improve their antiproliferative effects, as well as their

drug targeting and delivery to cancer cells, the complexes were conjugated to recombinant human serum albumin, and a

marked increase in cytotoxicity of the albumin conjugates was observed in all cases.

21.3

HALF-SANDWICH Rh(III) AND Ir(III) DERIVATIVES

Since the old reports by Oro et al. [44] and Stobart et al. [45] on the synthesis of half-sandwich Rh(III) and Ir(III) dinuclear

complexes of formula [CpM(

μ-pz)

2

]

2

, [Cp*M(

μ-X)(μ-pz)

2

]

2

(X

= Cl, OH, OMe) and [Cp*M(μ-pz)

3

]

2

containing bridged

pyrazolato ligands, a number of works have recently appeared on this field showing interesting features and applications.

C–H activation by acetate-assisted cyclometalation of a phenyl group in 1-phenylpyrazole with half-sandwich complexes

[Cp*MCl

2

]

2

(M

= Ir, Rh) and [(p-cymene)RuCl

2

]

2

(Fig. 21.20a) has been recently reported: 1-phenylpyrazole and other

phenyl-substituted ligands tested, such as oxazoline, oxime, imidazole, and triazole, cyclometalated at iridium; however,

ruthenium and rhodium fail to cause cyclometalation in some cases. Moreover, the reaction with the latter has been shown

more sensitive to steric effects [46]. Interestingly, the cyclometalated complexes readily undergo insertion reactions with

RC

≡CR (R = CO

2

Me, Ph) to give mono insertion products; the rhodium complex also reacts with PhC

≡CH regiospecifically

to give an analogous product [47]. A similar cyclometalated [Cp*Ir(III)Cl(L)] complex (Fig. 21.20b) with a C,N-chelating

HALF-SANDWICH Rh(III) AND Ir(III) DERIVATIVES

279

NH

N

Ir

Cl

Ph

(a)

(b)

N

N

M

Cl

M = Rh, Ir

N

N

Ru

Cl

Figure 21.20

(a) [(ring)MCl(1-phenylpyrazole)]; (b) [(Cp*)IrCl(3,5-diphenyl-pyrazole)].

(a)

(b)

N

N

Ir

OH

2

O

HO

N

N

Ir

H

O

O

2-

Figure 21.21

(a) [Cp*Ir(4-(1H-pyrazol-1-yl-

κN

2

)benzoic acid-

κC

3

)(H

2

O)]

+

; (b) [Cp*Ir(4-(1H-pyrazol-1-yl-

κC

5

)benzoate-

κC

3

)(H)]

2

−

.

3,5-diphenyl-pyrazole has been shown to possess features analogous to those of classic Noyori and Ikariya’s transfer-

hydrogenation catalysts [48], which have chelate amine ligands to provide a protic NH group at the

α-position to the

metal. In fact pyrazole– pyrazolato interconversion let the Ir complex suitable to be applied in catalytic intramolecular

hydroamination of aminoalkene [49].

A water-soluble C,N-cyclometalated Ir(III) complex [Cp*Ir(4-(1H-pyrazol-1-yl-

κN

2

)benzoic acid-

κC

3

)(H

2

O)]

2

SO

4

(Fig. 21.21 a) gives efficient catalytic interconversion between NADH and NAD

+

accompanied by generation and

consumption of H

2

at ambient pressure and temperature [50]. The Ir complex can be converted to the corresponding

hydride by aliphatic alcohols, and the hydride converted in the C,C-cyclometalated Ir-hydride (Fig. 21.21b), which in turn

is able to catalyze hydrogen evolution from ethanol in a basic aqueous solution (pH

= 11.9) under ambient conditions [51].

Considering the similarities between the cyclopentadienyl and tris(pyrazolyl)borate ligands, the lack of information

existing till the end of the last century on the mixed-sandwich derivatives [CpM(HBpz

3

)] with M

= Rh or Ir appeared

surprising. Apart from two works of 1986 on Ru(II) with Cp or Cp* aromatic rings and tris(pyrazolyl)borate ligands

[52], only [Cp*Rh(HBpz

3

)]PF

6

was structurally characterized [4]. In 2003, our group decided to explore this field and

[Cp*M(HBpz

3

)Cl] and [Cp*M(HB-3,5-Me

2

pz

3

)Cl] (M

= Rh or Ir) complexes were synthesized and fully characterized [53].

In these complexes, the scorpionate ligands are

κ

2

-coordinated to the metal and in the solid state the complexes can

exist as two conformers interconverting to each other in solution (Fig. 21.22a). Metathesis reaction of [Cp*M(HBpz

3

)Cl]

with AgNO

3

affords cationic complexes [Cp*M(HBpz

3

)]NO

3

with tridentate HBpz

3

ligand (Fig. 21.22b). Reaction of

[Cp*RhCl

2

]

2

with KH

2

Bpz

2

produces [Cp*Rh(H

2

Bpz

2

)Cl] (Fig. 21.22c), whereas with [Cp*IrCl

2

]

2

decomposition of the

H

2

Bpz

2

ligand through B–N cleavage occurs and a binuclear [

{Cp*IrCl}

2

(

μ-Cl)(μ-pz)] complex is afforded, which contains

bridging chloride and pyrazolate groups.

We have then extended our study to the chemistry of bis(pyrazolyl)methane ligands and a number of Rh and Ir complexes

of general formula [Cp*M(H

2

Cpz

2

)Cl]Cl have been prepared (Fig. 21.23a); however, by using an excess [Cp*MCl

2

]

2

, the

formation of [Cp*M(H

2

Cpz

2

)Cl][Cp*MCl

3

] species has been observed (Fig. 21.23b) [54]. PGSE NMR measurements

indicate the predominance of ion pairs in solution and NOE measurements and X-ray single-crystal studies suggest that

the [Cp*MCl

3

]

−

approaches the cation, orienting the three Cl-legs of the “piano-stool” toward the CH

2

moieties of the

bis(pyrazolyl)methane ligands. Dicationic complexes [Cp*M(H

2

Cpz

2

)(H

2

O)][X]

2

have been formed by metathesis with

AgX (X

= ClO

4

or CF

3

SO

3

) where single water molecules are directly bonded to the metal atoms. The reaction of

[Cp*M(H

2

Cpz

2

)(H

2

O)][X]

2

with ammonium formate in water or acetone solution allows the generation of the hydride

species, the hydride substituting the coordinated water.

Similar complexes have been reported independently in the same year by Messerle [55], who also tested some of the

complexes as catalysts in the intramolecular hydroamination of 2-(2-phenylethynyl)aniline to give 2-phenylindole [56].

280

HALF-SANDWICH RHODIUM(III), IRIDIUM(III), AND RUTHENIUM(II) COMPLEXES

(a)

M

Cl

N

N

N

N

N

N

B

H

M

Cl

N

N

N

N

N

N

B

H

M = Rh, Ir

M

N

N

N

N

N

N

B

H

(b)

Rh

Cl

H

N

N

N

N

B

H

(c)

M = Rh, Ir

Figure 21.22

(a) Interconversion between two conformers of [Cp*M(

κ

2

-HBpz

3

)Cl]; (b) [Cp*M(

κ

3

-HBpz

3

)]

+

; (c) [Cp*Rh(

κ

2

-H

2

Bpz

2

)].

(a)

M

Cl

H

N

N

N

N

C

H

M = Rh, Ir

M

Cl

Cl

(b)

Cl

−

M

Cl

H

N

N

N

N

C

H

M = Rh, Ir

Cl

Figure 21.23

(a) [Cp*M(H

2

Cpz

2

)Cl]Cl; (b) [Cp*M(H

2

Cpz

2

)Cl][Cp*MCl

3

].

(a)

M

Cl

M = Rh, Ir

(b)

N

N

O

O

R

R = electron-withdrawing

or electron-releasing group

N N

O

O

R

M

NCMe

M = Rh, Ir

(c)

N N

O

O

R

Figure 21.24

(a) 4-Acyl-5-pyrazolones; (b) [Cp*M(4-acyl-5-pyrazolonate)Cl]; (c) [Cp*M(4-acyl-5-pyrazolonate)(MeCN)]

+

.

21.4

HALF-SANDWICH DERIVATIVES WITH ACYLPYRAZOLONE LIGANDS

In conclusion to this chapter, we have to mention the coordination chemistry of half-sandwich Rh(III), Ir(III), and Ru(II)

acceptors with a particular type of pyrazole-based ligands, built on the pyrazolyl fragment by inserting a carbonyl functionality

in 5-position of the heterocyclic ring and an acyl moiety in 4-position, named 4-acyl-5-pyrazolones (HQ) (Fig. 21.24a) [57].

New [Cp*M(Q)Cl] complexes (M

= Rh or Ir) (Fig. 21.24b) containing several Q

−

ligands have been synthesized and

fully characterized: crystal structure determinations for a number of these compounds show a pseudo-octahedral metal

environment, the Q ligand being bonded in the O,O-chelating form [58]. In each case, two enantiomers (S

M

) and (R

M

) arise,

differing only in the metal chirality. The [Cp*Rh(Q)Cl] complexes react with PPh

3

in dichloromethane yielding the adducts

Cp*Rh(Q)Cl/PPh

3

(1 : 1), which exist in solution in two different isomeric forms. The interaction of [Cp*Rh(Q)Cl] with

AgX (X

= NO

3

, ClO

4

) in MeCN affords ionic complexes [Cp*Rh(Q)(MeCN)]X (Fig. 21.24c).

More recently, (arene)ruthenium(II) complexes of the formula [(arene)Ru(Q)Cl], containing diverse 4-acyl-5-pyrazolonate

ligands Q (arene

= p-cymene or benzene) have been synthesized and characterized also by X-ray diffraction techniques,

showing the Q ligands in the O,O-chelating form (Fig. 21.24) [59]. Their coordination chemistry toward substitution

of chloride by N

3

−

and monodentate donor ligands L (L

= triphenylphosphine, 1-methylimidazole, or 1-methyl-2-

mercaptoimidazole) and exo-bidentate ditopic donor ligands L-L (L-L

= 4,4 -bipyridine or bis(diphenylphosphino)propane)

in the presence of silver salts AgX (X

= SO

3

CF

3

or ClO

4

) has been explored, neutral azide [(arene)Ru(Q)N

3

] complexes and

HALF-SANDWICH DERIVATIVES WITH ACYLPYRAZOLONE LIGANDS

281

Ru

Cl

N N

O

O

R

Ru

N

3

N N

O

O

R

+ NaN

3

+ L

Ru

L

N N

O

O

R

L = PPh3, 1-methylimidazole, or

1-methyl-2-mercaptoimidazole

Ru

N

N

O

O

R

Ru

N

N

O

O

R

N

N

2+

+ 4,4

′-bipy