Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet62/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   58   59   60   61   62   63   64   65   ...   115

4

2.0


C

15

H



11

OH

d



1000

:1

:1



0

T

ol.



30

2

8



8

26,400


12,900

10,200


1.14

4

2.0


BnOH

1000


:1

:1

0



T

ol.


30

2

8



7

26,100


12,500

10,800


1.17

8

2.0


BnOH

1000


:1

:1

0



T

ol.


30

7

1



7

1,457


2,600

2,700


1.17

9

2.0


BnOH

1000


:1

:1

0



T

ol.


30

7

2



0

1,714


3,000

3,400


1.12

10

2.0


BnOH

1000


:1

:1

0



T

ol.


30

7

5



3

4,543


7,600

8,000


1.11

13

2.0


BnOH

1000


:1

:1

0



T

ol.


30

15

83



3,320

10,900


e

8,200


1.20

13

5.0


200

:1

:



THF


30

40

80



240

23,100


f

16,600


1.21

13

5.0


-

200


:1

:



THF

0

6



0

8

8



176

25,400


f

18,100


1.24

10

5.0


-

200


:1

:



THF

0

6



0

7

6



152

21,900


f

6,800


1.55

2

5.0


-

200


:1

:



THF

0

6



0

8

6



172

24,800


f

12,000


1.66

a

Isolated



yield

after


precipitation.

b

Calculated



from

M

n,theo


=

[l

-LA]



0

/[ROH]


0

×

yield



×

144.13


+

M

ROH


unless

otherwise

specified.

c

Determined



by

size-exclusion

chromatography

calibrated

versus

polystyrene



standards,

and


corrected

by

a



factor

of

0.58.



d

9-Anthracenylmethanol.

e

Calculated



from

M

n,theo


=

[l

-LA]



0

/([HC


CCH


2

OH]


0

+

[Ae]



0

)

×



yield

×

144.13



+

M

HC



CCH2OH

.

f



Calculated

from


M

n,theo


=

[l

-LA]



0

/[Ae]


0

×

yield



×

144.13.


369

370

CHARGE-NEUTRAL AND CATIONIC ALKALINE EARTH COMPLEXES

5.4

5.2


5.0

4.8


4.6

4.4


4.2

4.0


3.8

3.6


3.4

f1 (ppm)


3.2

3.0


2.8

2.6


2.4

2.2


2.0

1.8


1.6

1.4


C

g

e



b+b

i



a

f

d+h



H

b

b



O

O



O

O

O



O

O

O



O

H

g



h

i

a



c

f

f



e

e

n

d

H

b



H

b



2

J

bb



J

ab

J

ab

J

ab'


J

ab'


2

J

bb



Figure 28.5

1

H NMR spectrum (500.13 MHz, CDCl



3

, 298 K) of a low molecular weight poly(lactic acid) (PLLA) sample prepared

with 4/HC

≡CCH


2

OH ([l-LA]

0

/[4]



0

/[HC


≡CCH

2

OH]



0

= 5000 : 1 : 100; M

n,SEC

= 4700 g/mol, M



w

/M

n

= 1.13). Note the ABX spin system



corresponding to H

a

, H



b

, and H


b

(

2



J

HbHb


= 18.0 Hz,

4

J

HaHb

= 2.5 Hz).



TABLE 28.4

Immortal ROP of l-LA with 17–22/ROH Systems

a

M



+

ROH


[l-LA]

0

/[M



+

]

0



/

[ROH]


0

T

re

,



C

t, h

Yield, %

b

TOF,



mol/mol

Ae

h



M

n,theo


,

g/mol


c

M

n,SEC


,

g/mol


d

M

w

/M



n

d

17

BnOH

1000 : 1 : 10



60

8

72



90

10,500


10,700

1.06


17

BnOH


3000 : 1 : 10

60

24



96

120


41,600

30,000


e

1.06


17

BnOH


1000 : 1 : 50

60

8



83

104


2,500

2,400


1.12

18

iPrOH

1000 : 1 : 10

30

1

48



480

7,000


14,000

1.20


19

iPrOH

1000 : 1 : 10

100

0.05


30

6000


4,400

11,000


1.21

20

BnOH


1000 : 1 : 10

100


3

47

157



6,900

6,700


1.12

21

BnOH


1000 : 1 : 10

100


3

74

247



10,800

9,900


1.17

22

BnOH


1000 : 1 : 10

100


3

50

167



7,300

6,800


1.16

21

BnOH


1000 : 1 : 5

100


1.5

34

227



9,900

9,300


1.09

21

BnOH


1000 : 1 : 10

100


1.5

52

347



7,600

7,500


1.10

21

BnOH


1000 : 1 : 20

100


1.5

57

380



4,200

4,100


1.10

21

BnOH


1000 : 1 : 50

100


1.5

75

500



2,300

2,400


1.10

21

BnOH


2000 : 1 : 5

100


24

85

71



49,100

35,000


e

1.41


a

Polymerizations carried out in toluene with [l-LA]

0

= 2.0 M.


b

Isolated yield after precipitation.

c

Calculated from M



n,theo

= [l-LA]


0

/[ROH]


0

× yield × 144.13 + M

ROH

, with M



BnOH

= 108 g/mol and M



iPrOH

= 60 g/mol.

d

Determined by size-exclusion chromatography calibrated versus polystyrene standards, and corrected by a factor of 0.58.



e

Note that the 0.58 factor applied to the correction of PLLA molecular weights determined versus polystyrene standards is inadequate at high molecular

weights; higher factors should be utilized.

The iROP of l-LA was promoted by 17–19 at 30–60

C upon addition of an excess of iPrOH. The controlled character



of the iROP was established by NMR spectroscopy and MALDI-TOF mass spectrometry; no epimerization of the optically

active centers was detected. The Sr and Ba complexes 18 and 19 afforded highly active binary catalysts, allowing rapid

conversion of the monomer at the remarkably mild temperature of 30

C (TOF up to 6000 mol



l-LA

/mol


Ae

h). However,

rapid broadening of the molecular weight distributions was observed at high conversion. The Ca derivative 17 offered the

best compromise in terms of activity and control, providing a very efficient binary catalyst for well-controlled iROP upon



Ae-CATALYZED IMMORTAL RING-OPENING POLYMERIZATIONS OF CYCLIC ESTERS

371

addition of 5–50 equiv iPrOH or BnOH at 60

C. Full conversion of 3000 equiv of l-LA was achieved within 24 h with



excellent control (M

n,theo


∼ M

n,SEC


M

w

/M



n

= 1.06–1.12). The TOFs were in the range 80–100 mol

L–LA

/mol


Ca

h. There


was no influence of the contents in BnOH on the catalytic activity in the concentration range examined (5–50 equiv vs 17),

but the molecular weights decreased linearly with increasing BnOH contents.

Effective catalytic systems were also generated upon addition of excess BnOH to the fluorinated complexes 20–22. Partial

conversion of 1000 equiv of l-LA was observed at 100

C with [l-LA]



0

/[Ae


+

]

0



/[ROH]

0

= 1000 : 1 : 10, with the Sr and



Ba derivatives being the most active. General features of the systems 20–22/BnOH included (i) relatively lower catalytic

activity than their phenolate counterparts 17–19, requiring higher polymerization temperature (80–100

C) with TOFs in the



range 100–500 mol

l-LA


/mol

Ae

h, (ii) very good agreement between M



n

,

theo



and M

n

,



SEC

, and generally narrow distributions

(M

w

/M

n

∼ 1.10–1.20), (iii) the trend Ca < Sr ∼ Ba, (iv) end-group reliability, and (v) absence of epimerization of the



chiral centers. The Sr-based 21/BnOH binary catalyst polymerized 2000 equiv of l-LA and withstood 50 equiv of BnOH.

Kinetic studies were conducted by NMR spectroscopy in toluene-d

8

. In the iROP of l-LA (100



C, [l-LA]

0

= 2.0 M,


[l-LA]

0

/[M]



0

/[BnOH]


0

= 136 : 1 : 6.6) catalyzed by BnOH/20–22, apparent rate constants of 0.0004, 0.0013, and 0.0014 s

−1

were calculated for 2021, and 22, respectively. The catalytic activity increased with the ionic radius of the metal. This



was in line with the trend observed with complexes 17–19 supported by the phenolate ligand

{LO


3

}



. The binary catalyst

21/BnOH was selected for further NMR kinetics performed at 100

C in toluene-d



8

. Partial first orders in monomer, catalyst,

and initiator concentrations were determined, which gave the rate law

d[L-LA]



d

t

= k



p

· [L-LA]


1.0

· [21]

1.0

· [BnOH]


1.0

Eyring analyses (85–100

C) confirmed first-order kinetics in monomer concentration, and the activation parameters



H

=



14.8(5) kcal/mol and

S

= −7.6(2.0) cal/K mol were determined. A commonly accepted activated monomer mechanism



for iROP, applicable to these binary catalyst systems Ae

+

/ROH, is depicted in Scheme 28.7.



The performances of the

{BDI


iPr

}



-supported cationic complexes 28 and 29 in the iROP of l-LA (1000 equiv) were

assessed in the presence of BnOH (10 equiv) [21]. Both binary catalytic systems exhibited high activities at 30

C, with


n/x

O

O



H

OR

Ae



Ae

+

Ae

H

x ROH



Ae

+

Ae

+

+

+



L

-



LA–Ae

+

+ “



L

-

LA–Ae



+



n

 = 0 to n



Monomer activation

Exchange/transfer reactions

Propagation

L



-

LA–Ae



+

+



x

n

O

O



O

O

O



O

O

O



O

O

HO



O

O

O



O

O

OR



O

O

n

/x

O

O



H

OR

O



O

n

/x

O

O

H



OR

Ae

+

O

O



n

/x

O

O

H



OR

O

O



n

/x + 1 

O

O

H



OR

O

O



O

O

O



O

Ae

+

(Ae



+

 = alkaline earth cation)



Scheme 28.7

Traditional activated monomer mechanism for the immortal ROP of l-LA catalyzed by a binary catalyst Ae

+

/ROH.


372

CHARGE-NEUTRAL AND CATIONIC ALKALINE EARTH COMPLEXES

satisfactory control of all parameters. With the more active 29, 82% conversion was already reached after 10 min, and the

macromolecular features of the resulting polymer were well controlled (M

n,theo

= 11,900 g/mol, M



n,SEC

= 10,400 g/mol,



M

w

/M



n

= 1.19). In terms of activity, the 29/BnOH Sr-based binary catalyst (TOF = 4920 mol

l-LA

/mol


Sr

h) outclassed

all related cationic systems reported so far. The high activity unveiled by 29/BnOH could be credited to the extreme

electrophilicity and large accessibility of the metal center in this cationic Sr complex of relatively low coordination number

associated to a poorly coordinating anion.

28.3.4

Well-Defined Charge-Neutral and Cationic Complexes of the Large Alkaline Earths for ROP Catalysis:

Outcome and Perspectives

Significant efforts were devoted by our group in the past 3 years to the conception, preparation, and implementation of ROP

catalysts based on the large alkaline earth metals. The main outcomes can be summarized as follows:

• We have developed the first families of stable Ae-based ROP catalysts, both heteroleptic charge-neutral and cationic

ones.

• Specific strategies were introduced to overcome the synthetic difficulties associated with these electropositive metals.



• The first discrete, solvent-free cations of the large Ae metals have been synthesized.

• Highly electrophilic Ae complexes can be stabilized by intramolecular secondary Ae···H–Si and Ae···F interactions.

• These Ae-based complexes mediate very efficiently the ROP of cyclic esters, and are among the most active catalysts

known to date.

• Charge-neutral catalysts (operating according to a coordination-insertion mechanism) were much more active, but less

controlled than their cationic derivatives (operating according to an activated monomer mechanism).



28.4

INTERMOLECULAR HYDROAMINATION OF ACTIVATED ALKENES CATALYZED BY

CHARGE-NEUTRAL HETEROLEPTIC COMPLEXES OF LARGE ALKALINE EARTHS

Hydroaminations of unsaturated substrates are of upmost interest in bulk and fine chemicals synthesis, notably because of

their atom efficiency. Various metals, including late-transition ones, can catalyze this reaction, but d

0

complexes of the rare



earths [23] and alkaline earths have shown particularly good abilities, in particular for achieving stereoselective reactions

[24]. Most examples that rely on catalysts based on the large alkaline earth metals, typically Ca and, in more seldom

cases, Sr, are concerned with intramolecular cyclohydroamination of amino-alkenes [25]. Fewer examples of intermolecular

hydroamination reactions of activated alkenes (vinyl aromatics, conjugated dienes) catalyzed by Ae complexes are known.

Hill and coworkers [26] showed that in such reactions catalyzed by homoleptic complexes

{Ae[N(SiMe

3

)

2



]

2

}



2

(Ae


= Mg,

Ca, Sr, Ba) and

{Ae[CH(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

} (Ae = Ca, Sr), the activity of Ae catalysts does not increase linearly with the



size of the metal (Mg

2

+



(6), 0.72 ˚

A; Ba


2

+

(6), 1.35 ˚



A): the Sr complex was indeed superior to the Ca one, while the Mg and

Ba derivatives displayed very poor activities. However, no such experimental data were available for heteroleptic complexes.

To get a better insight into this reactivity trend and to eventually determine the real abilities of large Ae elements, our

group has developed three families of heteroleptic complexes supported by various monoanionic ancillary ligands—anilido-

imino,

{LN


1

} (3032), phenolate-amino-alkoxy {LO

5

} (33



36), and β-diketiminate {BDI

iPr

} (37

39)—and used them for

the intermolecular hydroamination of styrene derivatives and isoprene (Scheme 28.8, Table 28.5) [27].

All these heteroleptic complexes proved able to promote fully regioselective (i.e., anti-Markovnikov) addition reactions at

a moderate catalyst loading of at most 2 mol% in neat substrates at 60

C. A clear superiority of these heteroleptic compounds,



notably that of Ba complex 32 over the usual bis(amides) Ae[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

(Ae



= Ca, Sr) was demonstrated as, under

identical conditions, the latter displayed much lower reaction rates. Contrary to expectations based on Hill’s results [26],

irrespective of the identity of the ligand, the catalytic activity increased with the size of the metal (Mg

) Ca


< Sr <

Ba, as evidenced with anilido-imino-Ae complexes 30–32, phenolate-amino-methoxy complexes 33–36, and

β-diketiminate

complexes 37–39. For any given metal, the maximal activity was achieved with the

{BDI

iPr

}



ligand, the anilido-amino

one displaying only slightly lower efficiency, whereas the lowest activity was recorded with the phenolate ligand. It must

be noted, however, that complexes 30–32 are more readily synthesized than 37–39, which constitutes a key advantage for

catalytic applications.

The scope of the barium complex 32 was therefore briefly explored. The fastest reaction rates were achieved with

pyrrolidine, with turnover frequencies up to 290 h

−1

at 0.1 mol% catalyst loading. These values exceed by 1 to 2 orders of



Ae-CATALYZED INTERMOLECULAR HYDROAMINATION OF ACTIVATED ALKENES

373

X

+



HNR

1

R



2

X

NR



1

R

2



3039 (0.1–2 mol–%)

Neat, 60 

°C

+

N



H

N

N



N

Ae

Ar



Ar

(HMe


2

Si)


2

N

(THF)



n

N

N



Ae

Ar

Ar



(Me

3

Si)



2

N

(THF)



n

O

Bu



Bu

Ae

N(SiMe



3

)

2



Ae = Mg

Ae = Ca


Ae = Sr

Ae = Ba


Ar = 2,6-Pr

2

-C



6

H

3



Ar = 2,6-Pr

2

-C



6

H

3



33

34

35

36

n = 0

n = 0

n = 1

n = 0

Ae = Ca


Ae = Sr

Ae = Ba


30

31

32

n = 1

n = 2

n = 2

Ae = Ca


Ae = Sr

Ae = Ba


37

38

39

n = 1

n = 2

n = 2

(THF)


n

N

O



O

Scheme 28.8

Intermolecular hydroamination of styrene derivatives and isoprene with amines catalyzed by heteroleptic Ae complexes



30

39 [27].



TABLE 28.5

Intermolecular Hydroamination of Styrene and Isoprene with Amines Catalyzed by Heteroleptic Ae

Complexes [27]

a

Complex



Amine

t, h

Conv., %


b

{LN


1

}CaN(SiMe

3

)

2



(THF)

(30)

BnNH

2

18.5



34

{LN


1

}SrN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(31)



BnNH

2

18.5



71

{LN


1

}BaN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(32)



BnNH

2

18.5



86

{LO


5

}MgN(SiMe

3

)

2



(33)

BnNH


2

18.5


1

{LO


5

}CaN(SiMe

3

)

2



(34)

BnNH


2

18.5


6

{LO


5

}SrN(SiMe

3

)

2



(THF)

(35)

BnNH

2

18.5



24

{LO


5

}BaN(SiMe

3

)

2



(36)

BnNH


2

18.5


37

{BDI


iPr

}CaN(SiHMe

2

)

2



(THF)

(37)

BnNH

2

2



29

{BDI


iPr

}SrN(SiHMe

2

)

2



(THF)

2

(38)



BnNH

2

2



42

{BDI


iPr

}BaN(SiHMe

2

)

2



(THF)

2

(39)



BnNH

2

2



64

{LN


1

}BaN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(32)



(CH

2

)



4

NH

1



99

{LN


1

}BaN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

c



(32)

(CH


2

)

4



NH

2

85



Ca[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

c



(CH

2

)



4

NH

2



<1

Sr[N(SiMe

3

)

2



]

2

(THF)



2

c

(CH



2

)

4



NH

2

10



{LN

1

}BaN(SiMe



3

)

2



(THF)

2

d



(32)

(CH


2

)

4



NH

1

99



e

{LN


1

}BaN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(32)



nHexNH

2

18.5



55

{LN


1

}BaN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(32)



iPr

2

NH



18.5

0

a



Reaction conditions unless otherwise specified: [styrene]/[amine]/[catalyst]

= 50 : 50 : 1, 10.5 μmol of catalyst, no solvent, = 60

C.

b



Determined by

1

H NMR spectroscopy.



c

[styrene]/[pyrrolidine]/[3]

= 500 : 500 : 1.

d

Reaction performed with isoprene instead of styrene, with [isoprene]/[pyrrolidine]/[3]



= 220 : 50 : 1.

e

Based on amine conversion.



374

CHARGE-NEUTRAL AND CATIONIC ALKALINE EARTH COMPLEXES

[Ba]NR

1

R



2

HNR


1

R

2



HN(SiMe

3

)



2

[Ba]


N

N

H



N

+ HNR



1

R

2



R

2

R



1

R

1



R

2

R



1

R

2



[Ba]N(SiMe

3

)

2



BaN(SiMe

3

)



2

(THF)


2

N

N



Scheme 28.9

Possible six-centered concerted mechanistic pathway for styrene/amine intermolecular hydroamination catalyzed by



32 [27].

magnitude those reported to date for intermolecular hydroamination reactions catalyzed by rare-earth [23], Ae [25, 26] or

even late-transition metal [28] complexes. The hydroamination of styrene with n-hexylamine also occurred fairly rapidly,

in contrast to that with isopropylamine, obviously reflecting the sensitivity to steric factors. Consistent with earlier results

with rare-earth [23] and Ae [25, 26] metals, the presence of an electron-donating methoxy substituent group on the aromatic

ring in vinyl arenes led to a marked decrease in catalyst activity (5.5 equiv converted after 18.5 h), while the presence of

a chlorine atom did not affect much the activity. The reaction of isoprene and pyrrolidine proceeded in the presence of as

little as 0.1 mol% of 32 (TOF

= 295 h

−1

), with 1,4-regioselective anti-Markovnikov addition.



Kinetic studies of the hydroamination of styrene with pyrrolidine catalyzed by 32 revealed an empirical rate law

v

k[styrene]

1.0

[pyrrolidine]



1.0

[32]

1.0

. A strong kinetic isotope effect was observed in the reaction of styrene with



N-deuterated pyrrolidine catalyzed by 32 (k

H

/k



D

= 6.8 and 7.3 at 40 and 60

C respectively). These results were conciliated



in a mechanism, different from that proposed for rare-earth systems [23a], that involves a one-step, noninsertive route with a

six-centered transition state via concerted proton transfer onto the unsaturation activated toward the attack of the nucleophile

(Scheme 28.9) [25, 26].

28.5

INTERMOLECULAR HYDROPHOSPHINATION OF STYRENE CATALYZED BY CHARGE-NEUTRAL

HETEROLEPTIC COMPLEXES OF LARGE ALKALINE EARTHS

Intermolecular hydrophosphination of activated alkenes and alkynes is another hydroelementation process of great interest.

Yet, in contrast to hydroamination, rare-earth complexes are not known to catalyze this reaction. Our recent studies have

revealed that heteroleptic alkaline earth complexes 30–3233–36, and 37–39 (Scheme 28.8) all catalyze the intermolecular



anti-Markovnikov hydrophosphination of styrene with secondary phosphines such as HPCy

2

or HPPh



2

(Scheme 28.10; Table

28.6) [27]. As for hydroamination, the activity trend varied according to Ca

< Sr < Ba, that is, it increases monotonously

with the size of the metal center. However, a different dependence of the performances on the ligand was observed:

{BDI

iPr

}



< {LN

1

}



≈ {LO


5

}



. Complex 32 was thus the most active catalyst for this transformation, with TOF values

(192 h


−1

with HPPh

2

at 60


C) that outclass those reported with

{BDI

iPr

}CaN(SiMe

3

)

2



(THF) (circa = ca 0.5 h

−1

at 75



C)

[29]. The reactions with the less basic HPPh



2

were considerably faster than with HPCy

2

.

+



HPR

2

PR



2

Ae cat (2 mol%)

Neat, 60 

°C

Scheme 28.10

Intermolecular hydrophosphination of styrene catalyzed by heteroleptic Ae complexes [27].


HYDROPHOSPHONYLATION OF ALDEHYDES AND NONACTIVATED KETONES

375

TABLE 28.6

Intermolecular Hydrophosphination of Styrene Catalyzed by Heteroleptic Ae Complexes [27]

a

Complex



Phosphine

t, h

Conv., %


b

{LN


1

}CaN(SiMe

3

)

2



(THF)

(30)

HPCy

2

18.5



31

{LN


1

}SrN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(31)



HPCy

2

18.5



41

{LN


1

}BaN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(32)



HPCy

2

18.5



42

{LO


5

}CaN(SiMe

3

)

2



(34)

HPCy


2

18.5


12

{LO


5

}SrN(SiMe

3

)

2



(THF)

(35)

HPCy

2

18.5



26

{LO


5

}BaN(SiMe

3

)

2



(36)

HPCy


2

18.5


46

{BDI


iPr

}CaN(SiHMe

2

)

2



(THF)

(37)

HPCy

2

18.5



4

{BDI


iPr

}SrN(SiHMe

2

)

2



(THF)

2

(38)



HPCy

2

18.5



9

{BDI


iPr

}BaN(SiHMe

2

)

2



(THF)

2

(39)



HPCy

2

18.5



18

{LN


1

}CaN(SiMe

3

)

2



(THF)

(30)

HPPh

2

0.25



42

{LN


1

}SrN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(31)



HPPh

2

0.25



92

{LN


1

}BaN(SiMe

3

)

2



(THF)

2

(32)



HPPh

2

0.25



>96

a

Reaction conditions: [styrene]/[phosphine]/[catalyst]



= 50 : 50 : 1, 10.5 μmol of catalyst, no additional solvent, = 60

C.



b

Determined by

1

H NMR spectroscopy.



28.6

HYDROPHOSPHONYLATION OF ALDEHYDES AND NONACTIVATED KETONES BY

CHARGE-NEUTRAL HOMOLEPTIC AND HETEROLEPTIC COMPLEXES OF LARGE ALKALINE EARTHS

Ternary and quaternary

α-hydroxy-phosphonates, an important class of biologically active compounds, are commonly

obtained by addition of dialkylphosphites onto aldehydes or ketones [30]. Well-defined mono- or bimetallic complexes

of rare-earth metals, titanium, or aluminum have emerged over the past two decades as effective catalysts for this so-called

hydrophosphonylation of aldehydes [31] and, with more difficulty, that of ketones [31c,d, 32], which are far less reactive

because of their lower electrophilicity. In some cases, good enantioselectivities could be achieved thanks to the use of chiral

metal-based precatalysts [31, 32]. Despite their several similarities with rare-earth elements, we were surprised to see that

discrete complexes of the large Ae metals had never been utilized to catalyze hydrophosphonylation reactions.

In fact, we found that hydrophosphonylation of aldehydes and nonactivated ketones could be achieved selectively and

rapidly at room temperature using very low catalytic loadings (as low as 0.02 mol%) of the simple Ae[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

complexes (Ae



= Ca, Sr, Ba) (Scheme 28.11, Table 28.7) [33]. Indeed these homoleptic Ae precatalysts turned out as

N

N



Ca

Ar

Ar



(Me

3

Si)



2

N

(THF)



N

N

Ae



Ar

Ar

(Me



3

Si)


2

N

(THF)



x

O

Bu



Bu

Ca

N(SiMe



3

)

2



Ar = 2,6-Pr

2

-C



6

H

3



Ar = 2,6-Pr

2

-C



6

H

3



37

Ae = Ca


Ae = Sr

Ae = Ba


30

31

32

x = 1

x = 2

x = 2

34

N

O



O

Ae[N(SiMe

3

)

2



]

2

(THF)



2

Ae = Ca


Ae = Sr

Ae = Ba


O

R

P



O

O

O



H

+

Ae cat (0.05–0.1 mol%)



HO

R

P



O

O

O



X

X

Neat, 23 



°C

X = H, F, Cl, Br, OMe, NO

2

;

R = H, Me, Pr, Ph



Scheme 28.11

Ae heteroleptic and homoleptic complexes screened for the hydrophosphonylation of aldehydes and ketones [33].



376

CHARGE-NEUTRAL AND CATIONIC ALKALINE EARTH COMPLEXES



TABLE 28.7

Hydrophosphonylation of Benzaldehyde, Acetophenone, and Related Derivatives with Diethylphosphite Catalyzed

by Homoleptic and Heteroleptic Ae Complexes [33]

a

X



R

Complex


Cat., mol%

Time


Conv.,

b

%



TOF

c

, min



−1

H

H



{BDI

iPr

}CaN(SiMe

3

)

2



(37)

0.05


0.3 min

>99.9


>6000

H

H



Ca[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

0.05



0.3 min

>99.9


>6000

H

Me



{LN

1

}Ca[N(SiMe



3

)

2



](THF)

(30)

0.05

1 min


61

1220


H

Me

{LN



1

}Sr[N(SiMe

3

)

2



](THF)

2

(31)



0.05

1 min


65

1300


H

Me

{LN



1

}Ba[N(SiMe

3

)

2



](THF)

2

(32)



0.05

1 min


71

1420


H

Me

{LO



5

}Ca[N(SiMe

3

)

2



](THF)

(34)

0.05

60

59



1180

H

Me



{BDI

iPr

}CaN(SiMe

3

)

2



(37)

0.05


1 min

55

1100



H

Me

Ca[N(SiMe



2

H)

2



]

2

(THF)



0.05

1 min


60

1200


H

Me

Ca[N(SiMe



3

)

2



]

2

0.05



1 min

58

1160



H

Me

Ca[N(SiMe



3

)

2



]

2

(THF)



2

0.05


1 min

60

1200



H

Me

Sr[N(SiMe



3

)

2



]

2

(THF)



2

0.05


1 min

70

1400



H

Me

Ba[N(SiMe



3

)

2



]

2

(THF)



2

0.05


1 min

74

1480



H

Me

Ca[N(SiMe



3

)

2



]

2

(THF)



2

0.1


10 min

93

93



H

iPr

Ca[N(SiMe

3

)

2



]

2

(THF)



2

0.1


10 min

10

10



F

Me

Ca[N(SiMe



3

)

2



]

2

(THF)



2

0.1


10 min

85

85



Cl

Me

Ca[N(SiMe



3

)

2



]

2

(THF)



2

0.1


10 min

55

55



Br

Me

Ca[N(SiMe



3

)

2



]

2

(THF)



2

0.1


20 h

38

0.3



NO

2

Me



Ca[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

0.1



48 h

Traces


-

Me

Me



Ca[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

0.1



48 h

Traces


-

OMe


Me

Ca[N(SiMe

3

)

2



]

2

(THF)



2

0.1


4 h

33

1.4



a

Reaction conditions: neat substrates in 1 : 1 ratio (10–20 mmol) at room temperature.

b

Conversion determined by



1

H NMR spectroscopy.

c

Nonoptimized catalyst turnover frequencies.



effective as and sometimes more effective than the more sophisticated heteroleptic complexes 30–39 that we used in

hydroelementation reactions [27].

The reactions were performed in neat reagents with low catalyst loadings to optimize the overall atom efficiency

of the reaction and reduce both organic and metallic wastes. With 0.05 mol% of the calcium heteroleptic complexes



3034, or 37 or the simple Ca[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

, quantitative addition of HP(O)(OEt)



2

to an equimolar amount of

benzaldehyde was achieved within 20 s. The reactions were too fast to discriminate between these complexes, and

full conversion was still obtained over the same short time period when 0.02 mol% of 30 was used. The addition of

diethylphosphite to acetophenone also proceeded rapidly, equally using 0.05 mol% of heteroleptic or homoleptic complexes,

although, in this case, only partial conversion was obtained after 1 min at room temperature. This evidenced that the

catalytic activity increased slightly with the size and electropositive nature of the metal, Ca

< Sr < Ba, although the

influence of the metal and that of the ligand framework appeared at best moderate. Also, no difference was noted between

Ca[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

, Ca[N(SiMe



2

H)

2



]

2

(THF), and Ca[N(SiMe



3

)

2



]

2

. Although the less active in the series of homoleptic



Ae precatalysts, Ca[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

was prioritized ahead of its heavier congeners on account of the fully biocompatible



and nontoxic nature of calcium, to determine the scope of the reaction.

Other ketones substituted by groups of varying steric bulk and electronic properties were investigated. The reaction proved

obviously quite sensitive to steric considerations. First, the rate was an order of magnitude lower for isobutyrophenone than

for acetophenone. Secondly, introduction of an ortho-aryl substituent in acetophenone derivatives affected the conversion

very mildly on the basis of electronic factors, but preponderantly on steric grounds (note for instance the similar low

reactivity of o-Me and o-NO

2

substrates).



Hence, the readily prepared Ae[N(SiMe

3

)



2

]

2



(THF)

2

provided efficient and easy access to catalyzed hydrophosphonylation



reactions not only with benzaldehydes but also for less reactive, nonactivated ketones, for which turnover frequencies as

high as 1200– 1500 min

−1

were achieved; these values outclass those reported to date by a considerable margin.



ACKNOWLEDGMENTS

This research was gratefully supported by the European Research Council (grant FP7-People-2010-IIF, ChemCatSusDe).



REFERENCES

377

REFERENCES

1. (a) Uhrich, K. E.; Cannizzaro, S. M.; Langer, R. S.; Shakesheff, K. M. Chem. Rev. 199999 , 3181; (b) Drumright, R. E.; Gruber, P.

R.; Henton, D. E. Adv. Mater. 200012 , 1841; (c) Albertsson, A.-C.; Varma, I. K. Biomacromolecules 2003, 1466; (d) Auras, R.;

Lim, L.-T.; Selke, S. E. M.; Tsuji, H. Poly(Lactic Acid): Synthesis, Structures, Properties, Processing and Applications; John Wiley

& Sons: Hoboken, New Jersey, 2010.

2. For leading reviews, see: (a) Dechy-Cabaret, O.; Martin-Vaca, B.; Bourissou, D. Chem. Rev. 2004104 , 6147; (b) Wheaton, C. A.;

Hayes, P. G.; Ireland, B. J. Dalton Trans. 2009, 4832; (c) Stanford, M. J.; Dove, A. P. Chem. Soc. Rev. 201039 , 486; (d) Dijkstra,

P. J.; Du, H.; Feijen, J. Polym. Chem. 2011, 520.

3. For reviews, see: (a) Kamber, N. E.; Jeong, W.; Waymouth, R. M.; Pratt, R. C.; Lohmeijer, B. G. G.; Hedrick, J. L. Chem. Rev. 2007,

107 , 5813; (b) Kiesewetter, M. K.; Shin, E. J.; Hedrick, J. L.; Waymouth, R. M. Macromolecules 201043 , 2093.

4. Shannon, R. D. Acta Cryst. 1976A32 , 751.

5. Ajellal, N.; Carpentier, J.-F.; Guillaume, C.; Guillaume, S. M.; H´elou, M.; Poirier, V.; Sarazin, Y.; Trifonov, A. Dalton Trans. 2010,

39 , 8363.

6. (a) Chisholm, M. H.; Gallucci, J.; Phomphrai, K. Chem. Commun. 2003, 48; (b) Chisholm, M. H.; Gallucci, J. C.; Phomphrai, K.



Inorg. Chem. 200443 , 6717.

7. (a) Darensbourg, D. J.; Choi, W.; Richers, C. P. Macromolecules 200740 , 3521; (b) Darensbourg, D. J.; Choi, W.; Karroonnirun,

O.; Bhuvanesh, N. Macromolecules 200841 , 3493.

8. (a) Zhong, Z.; Dijkstra, P. J.; Birg, C.; Westerhausen, M.; Feijen, J. Macromolecules 200134 , 3863; (b) Westerhausen, M.;

Schneiderbauer, S.; Kneifel, A. N.; S¨oltl, Y.; Mayer, P.; N¨oth, H.; Zhong, Z.; Dijkstra, P. J.; Feijen, J. Eur. J. Inorg. Chem. 2003,

3432; (c) Darensbourg, D. J.; Choi, W.; Ganguly, P.; Richers, C. P. Macromolecules 200639 , 4374; (d) Sarazin, Y.; Howard, R.

H.; Hughes, D. L.; Humphrey, S. M.; Bochmann, M. Dalton Trans. 2006, 340; (e) Davidson, M. G.; O’Hara, C. T.; Jones, M. D.;

Keir, C. G.; Mahon, M. F.; Kociok-K¨ohn, G. Inorg. Chem. 200746 , 7686.

9. Poirier, V.; Roisnel, T.; Carpentier, J.-F.; Sarazin, Y. Dalton Trans. 2009, 9820.

10. (a) Herrmann, W. A.; Eppinger, J.; Spiegler, M.; Runte, O.; Anwander, R. Organometallics 199716 , 1813; (b) Anwander, R.; Runte,

O.; Eppinger, J.; Gerstberger, G.; Herdtweck, E.; Spiegler, M. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1998, 847; (c) Hieringer, W.; Eppinger,

J.; Anwander, R.; Herrmann, W. A. J. Am. Chem. Soc. 2000122 , 11983.

11. Sarazin, Y.; Ros¸ca, D.; Poirier, V.; Roisnel, T.; Silvestru, A.; Maron, L.; Carpentier, J.-F. Organometallics 201029 , 6569.

12. Liu, B.; Roisnel, T.; Gu´egan, J.-P.; Carpentier, J.-F.; Sarazin, Y. Chem. Eur. J. 201218 , 6289.

13. Itoh, S.; Kumei, H.; Nagatomo, S.; Kitagawa, T.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2001123 , 2165.

14. (a) Hanusa, T. P. Chem. Rev. 199393 1023; (b) Tesh, K. F.; Burkey, D. J.; Hanusa, T. P. J. Am. Chem. Soc. 1994116 , 2409;

(c) Chi, Y.; Ranjan, S.; Chou, T.-Y.; Liu, C.-S.; Peng, S.-M.; Lee, G.-H. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2001, 2462.

15. (a) Caulton, K. G.; Chisholm, M. H.; Drake, S. R.; Folting, K. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 1349; (b) Goel, S. C.; Matchett,

M. A.; Chiang, M. Y.; Buhro, W. E. J. Am. Chem. Soc. 1991113 , 1844; (c) Caulton, K. G.; Chisholm, M. H.; Drake, S. R.; Folting,

K.; Huffman, J. C. Inorg. Chem. 199332 , 816.

16. Carpentier, J.-F. Dalton Trans. 201039 , 37.

17. (a) Sarazin, Y.; Poirier, V.; Roisnel, T.; Carpentier, J.-F. Eur. J. Inorg. Chem. 2010, 3423; (b) Sarazin, Y.; Liu, B.; Roisnel, T.; Maron,

L.; Carpentier, J.-F. J. Am. Chem. Soc. 2011133 , 9069; (c) Liu, B.; Roisnel, T.; Sarazin, Y. Inorg. Chim. Acta 2012380 , 2.

18. (a) Lancaster, S. J.; Rodriguez, A.; Lara-Sanchez, A.; Hannant, M. D.; Walker, D. A.; Hughes, D. L.; Bochmann, M. Organometallics



200221 , 451; (b) Sarazin, Y.; Hughes, D. L.; Kaltsoyannis, N.; Wright, J. A.; Bochmann, M. J. Am. Chem. Soc. 2007129 , 881;

(c) Bochmann, M. Coord. Chem. Rev. 2009253 , 2000.

19. (a) Buchanan, W. D.; Allis, D. G.; Ruhlandt-Senge, K. Chem. Commun. 201046 , 4449; (b) Torvisco, A.; O’Brien, A. Y.; Ruhlandt-

Senge, K. Coord. Chem. Rev. 2011255 , 1268.

20. (a) Harder, S. Chem. Rev. 2010110 , 3852; (b) Barrett, A. G. M.; Crimmin, M. R.; Hill, M. S.; Procopiou, P. A. Proc. R. Soc. London

Ser. A 2010466 , 927.

21. Liu, B.; Dorcet, V.; Maron, L.; Carpentier, J.-F.; Sarazin, Y. Eur. J. Inorg. Chem.2012, 3023.

22. (a) Asano, S.; Aida, T.; Inoue, S. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1985, 1148; (b) Inoue, S. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem.

200038 , 2861.

23. (a) Hong, S.; Marks, T. J. Acc. Chem. Res. 200437 , 673; (b) Hultzsch, K. C. Adv. Synth. Catal. 2005347 , 367; (c) M¨uller, T. E.;

Hultzsch, K. C.; Yus, M.; Foubelo, F.; Tada, M. Chem. Rev. 2008108 , 3795.

24. For a recent example of enantioselective intra- and intermolecular hydroaminations of terminal amino-alkenes and styrene derivatives

with heteroleptic chiral magnesium-phenolate complexes, see: Emge, T. J.; Hultzsch, K. C. Angew. Chem. Int. Ed. 201251 , 394.

25. For leading references, see: (a) Crimmin, M. R.; Casely, I. J.; Hill, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2005127 , 2042; (b) Crimmin, M. R.;

Arrowsmith, M.; Barrett, A. G. M.; Casely, I. J.; Hill, M. S.; Procopiou, P. A. J. Am. Chem. Soc. 2009131 , 9670; (c) Arrowsmith, M.;


378

CHARGE-NEUTRAL AND CATIONIC ALKALINE EARTH COMPLEXES

Crimmin, M. R.; Barrett, A. G. M.; Hill, M. S.; Kociok-K¨ohn, G.; Procopiou, P. A. Organometallics 201130 , 1493 and references

cited therein; (d) Wixey, J. S.; Ward, B. D. Chem. Commun. 201147 , 5449; (e) Jenter, J.; K¨oppe, R.; Roesky, P. W. Organometallics



201130 , 1404 and references cited therein.

26. (a) Barrett, A. G. M.; Brinkmann, C.; Crimmin, M. R.; Hill, M. S.; Hunt, P.; Procopiou, P. A. J. Am. Chem. Soc. 2009131 , 12906;

(b) Brinkmann, C.; Barrett, A. G. M.; Hill, M. S.; Procopiou, P. A. J. Am. Chem. Soc. 2012134 , 2193.

27. Liu, B.; Roisnel, T.; Carpentier, J.-F.; Sarazin, Y. Angew. Chem. Int. Ed.201259 , 4943.

28. Hesp, K. D.; Stradiotto, M. ChemCatChem 2010, 1192.

29. Crimmin, M. R.; Barrett, A. G. M.; Hill, M. S.; Hitchcock, P. B.; Procopiou, P. A. Organometallics 200726 , 2953.

30. Demmer, C. S.; Krogsgaard-Larsen, N.; Bunch, L. Chem. Rev. 2011111 , 7981.

31. For leading references with lanthanide catalysts, see: (a) Yokomatsu, T.; Yamgishi, T.; Shibuya, S. Tetrahedron Asymmetry 1993,

1783; (b) Sasai, H.; Bougauchi, M.; Arai, T.; Shibasaki, M. Tetrahedron Lett. 199738 , 2717; (c) Zhou, S.; Wang, H.; Ping, J.; Wang,

S.; Zhang, L.; Zhu, X.; Wei, Y.; Wang, F.; Feng, Z.; Gu, X.; Yang, S.; Miao, H. Organometallics 201231 , 1696; (d) Zhou, S.; Wu,

Z.; Rong, J.; Wang, S.; Yang, G.; Zhu, X.; Zhang, L. Chem. Eur. J. 201218 , 2653. For leading references with titanium catalysts,

see: (a) Yokomatsu, T.; Yamgishi, T.; Shibuya, S. Tetrahedron Asymmetry 1993, 1779; (b) Yang, F.; Zhao, D.; Lan, J.; Xi, P.;

Yang, L.; Xiang, S.; You, J. Angew. Chem. Int. Ed. 200847 , 5646. For leading references with aluminum catalysts, see: (a) Arai,

T.; Bougauchi, M.; Sasai, H.; Shibasaki, M. J. Org. Chem. 199661 , 2926; (b) Suyama, K.; Sakai, Y.; Matsumoto, K.; Saito, B.;

Katsuki, T. Angew. Chem. Int. Ed. 201049 , 797 and references cited therein.

32. (a) Zhou, X.; Liu, Y.; Chang, L.; Zhao, J.; Shang, D.; Liu, X.; Lin, L.; Feng, X. Adv. Synth. Catal. 2009351 , 2567; (b) Zhou, X.;

Zhang, Q.; Hui, Y.; Chen, W.; Jiang, J.; Lin, L.; Liu, X.; Feng, X. Org. Lett. 201012 , 4296.

33. Liu, B.; Carpentier, J.-F.; Sarazin, Y. Chem. Eur. J. 201218 , 13259.




Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   58   59   60   61   62   63   64   65   ...   115




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