Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


18. (a) Fan, P. W.; Zhang, F.; Bolton, J. L.; Chem. Res. Toxicol. 2000


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet103/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   99   100   101   102   103   104   105   106   ...   115

651

18. (a) Fan, P. W.; Zhang, F.; Bolton, J. L.; Chem. Res. Toxicol. 200013 , 45; (b) Zhang, F.; Fan, P. W.; Liu, X.; Shen, L.; van Breeman,

R. B.; Bolton, J. L. Chem. Res. Toxicol. 200013 , 53; (c) Dehal, S. S.; Kupfer, D. Cancer Res. 199555 , 1283; (d) Hardcastle,

I. R.; Horton, M. N.; Osborne, M. R.; Hewer, A.; Jarman, M.; Phillips, D. H.; Chem. Res. Toxicol. 199811 , 369; (e) Shibutani,

S.; Dsaradhi, L.; Terashima, I.; Banoglu, E.; Duffel, M. W. Cancer Res. 199858 , 647; (f) Dasaradhi, L.; Shibutani, S. Chem. Res.

Toxicol. 199710 , 189.

19. Vessi`eres, A.; Top, S.; Pigeon, P.; Hillard, E. A.; Boubeker, L.; Spera, D.; Jaouen, G. J. Med. Chem. 200548 , 3937.

20. Hillard, E. A.; Vessi`eres, A.; Thouin, L.; Jaouen, G.; Amatore, C. Angew. Chem. Int. Ed. 200645 , 285.

21. Schlesener, C. J.; Amatore, C.; Kochi, J.K. J. Am. Chem. Soc. 1984106 , 7472.

22. Amatore, C.; Bayachou, M.; Boutejengout, F.; Verpeaux, J. N. Bull. Soc. Chim. Fr. 1993130 , 371.

23. Messina, P.; Labb´e, E.; Buriez, O.; Hillard, E. A.; Vessi`eres, A.; Hamels, D.; Top, S.; Jaouen, G.; Frapart, Y. M.; Mansuy, D.;

Amatore, C. Chem. Eur. J. 201218 , 6581.

24. Dixon, W. T.; Murphy, D. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2 197672 , 1221.

25. Richard, L. S.; Bernardes, C. E. S.; Diogo, H. P.; Leal, J. P.; da Piedade, M. E. M. J. Phys. Chem. A 2007111 , 8741.

26. Amatore, C.; Arbault, S.; Guille, M.; Lemaitre, F. Chem. Rev. 2008108 , 2585.

27. Hamels, D.; Dansette, P. M.; Hillard, E. A.; Top, S.; Vessi`eres, A.; Herson, P.; Jaouen, G.; Mansuy, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2009,

48 , 9124.

28. Tan, Y. L. K.; Pigeon, P.; Top, S.; Labb´e, E.; Buriez, O.; Hillard, E.A.; Vessi`eres, A.; Amatore, C.; Leonge, W. K.; Jaouen, G. Dalton



Trans. 201241 , 7537.

29. Ferreira, D. C. M.; Tapsoba, I.; Arbault, S.; Bouret, Y.; Moreira, M. S. A.; Pinto, A. V.; Goulart, M. O. F.; Amatore, C. Chembiochem



200910 , 528.

30. Pigeon, P.; Top, S.; Zekri, O.; Hillard, E. A.; Vessi`eres, A.; Plamont, M.-A.; Buriez, O.; Labb´e, E.; Huch´e, M.; Boutamine, S.;

Amatore, C.; Jaouen, G. J. Organomet. Chem. 2009694 , 895.

31. Buriez, O.; Labb´e, E.; Pigeon, P.; Jaouen, G.; Amatore, C. J. Electroanal. Chem. 2008619–620 ,169.

32. Barbier, B.; Pinson, J.; D´esarmot, G.; Sanchez, M. J. Electrochem. Soc. 1990137 , 1757.

33. Holm, A. H.; Vase, K. H.; Winther-Jensen, B.; Pedersen, S. U.; Daasbjerg, K. Electrochim. Acta200753 , 1680.

34. Liu, J.; Cheng, L.; Liu, B.; Dong, S. Langmuir 200016 , 7471.

35. Huijzer, J. C.; James, J.; Adams, D.; Yost, G. S. Toxicol. Appl. Pharmacol. 198790 , 60.

36. Nocerini, M. R.; Yost, G. S.; Carlson, J. R.; Liberato, D. J.; Breeze, R. G.; Drug Metab. Dispos. 198513 , 690.

37. Charmantray, F.; Duflos, A.; Lhommea, J.; Demeunynck, M. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1 2001, 2962.

38. Powers, J. C.; Oleksyszyn, J.; Narasimhan, S. L.; Kam, C.-M.; Radhakrishnan, R.; Meyer, J. E. F. Biochemistry 199029 , 3108.

39. Chow, M. M.; Edgar, J.; Meyer, F.; Bode, W.; Kam, C.-M.; Radhakrishnan, R.; Vijayalakshmi, J.; Powers, J. C. J. Am. Chem. Soc.



1990112 , 7183.

40. Powers, J. C.; Kam, C.-M.; Narasimhan, L.; Oleksyszyn, J.; Hernandez, M. A.; Ueda, T. J. Cell. Biochem. 200439 , 33.

41. Smith, K. S.; Smith, P. L.; Heady, T. N.; Trugman, J. M.; Harman, W. D.; Macdonald, T. L. Chem. Res. Toxicol. 200316 , 123.

42. Hinson, J. A.; Reid, A. B.; McCullough, S. S.; James, L. P. Drug Metab. Rev. 200436 , 805 and references therein.

43. Bose, R.; Ahmad, A. R.; Dicks, A. P.; Novak, M.; Kayser, K. J.; McClelland, R. A. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1 1999, 1591.

44. Morao, I. A.; Hillier, I. H.; Tetrahedron Lett. 200142 , 4429.

45. Plazuk, D.; Vessi`eres, A.; Hillard, E. A.; Buriez, O.; Labb´e, E.; Pigeon, P.; Plamont, M.-A.; Amatore, C.; Zakrzewski, J.; Jaouen, G.

J. Med. Chem. 200952 , 4964.

46. Hisatome, M.; Watanabe, J.; Yamakawa, K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 199467 , 280.

47. Allard, E.; Huynh, N. T.; Vessi`eres, A.; Pigeon, P.; Jaouen, G.; Benoit, J. P.; Passirani, C. Int. J. Pharm. 2009379 , 317.

48. Allard, E.; Passirani, C.; Garcion, E.; Pigeon, P.; Vessi`eres, A.; Jaouen, G.; Benoit, J.-P. J. Control. Release 2008130 , 146.

49. Buriez, O.; Heldt, J. M.; Labb´e, E.; Vessi`eres, A.; Jaouen, G.; Amatore, C. Chem.;Eur. J. 200814 , 8195.

50. Matsue, T.; Evans, D.H.; Osa, T.; Kobayashi, N. J. Am. Chem. Soc. 1985107 , 3411.

51. Lewis, E. A.; Hansen, L. D. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2 1973, 2081.

52. Cardona, C. M.; Mendoza, S.; Kaifer, A. E. Chem. Soc. Rev. 200029 , 37 and references cited therein.

53. Szejtli, J. Chem. Rev. 199898 , 1743.

54. Hillard, E.A.; Vessi`eres, A.; Le Bideau, F.; Plazuk, D.; Spera, D.; Huch´e, M.; Jaouen, G. ChemMedChem 2006, 551.

55. Memisoglu-Bilensoy, E.; Vural, I.; Bochot, A.; Renoir, J. M.; Duchene, D.; Hincal, A. A. J. Control. Release 2005104 , 489.

56. Mertins, O.; Messina, P.; Labb´e, E.; Vivier, V.; Arbault, S.; Lemaˆıtre, F.; Buriez, O.; Amatore, C. Inorg. Chim. Acta 2011374 , 59.

57. Kondo, T.; Kanai, T.; Uosaki, K. Langmuir 200117 , 6317.

58. Inoue, T.; Kamaya, H.; Ueda, I. Biochim. Biophys. Acta 1985812 , 393.



48

ELECTROCHEMISTRY OF FISCHER AMINOCARBENE

COMPLEXES: EFFECTS OF STRUCTURE ON REDOX

PROPERTIES, ELECTRON DISTRIBUTION, AND

REACTION MECHANISMS

Jiˇr´ı Ludv´ık*



J. Heyrovsk´y Institute of Physical Chemistry, Academy of Science of the Czech Republic, Prague, Czech Republic

Irena Hoskovcov ´a



Department of Inorganic Chemistry, Institute of Chemical Technology Prague, Prague, Czech Republic

48.1

INTRODUCTION

Carbene complexes are characterized by the presence of a formal double bond between a central metal atom and a carbene

ligand, M

= CR


2

. Generally, these compounds are divided into three groups according to the nature of the metal–carbon bond:

nucleophilic Schrock carbenes, where the carbon center has a nucleophilic character, M(

δ

+



)

=C(δ


); and electrophilic Fischer

carbenes with the metal–carbon bond polarized in the opposite sense M(

δ



)

=C(δ


+

) (the fifteenth annual survey describing

their chemistry was recently published [1]). The third group includes transition-metal complexes with N-heterocyclic carbene

ligands (e.g., the Hoveyda– Grubbs catalyst), in which the multiple character of metal–carbon bond is negligible [2]. This

chapter is devoted to carbenes of the Fischer type, that is, to aminocarbene complexes.

A typical Fischer carbene molecule is composed of a central metal atom in its low oxidation state, coordinated to

π-electron acceptor ligands (CO). The metal–carbene carbon bond (formally a double bond) is polarized M(δ

)



=C(δ

+

)



giving electrophilic character to the carbon atom. The complex is then stabilized by the presence of a

π-donor substituent

X

= −OR or –NR



2

(Fig. 48.1).



M

C(R)–: · · · ↔ · · ·

(−)

MC

(+)


(R)–: · · · ↔ · · ·

(−)


MC

(R) = X

(+)

Fischer carbene complexes are useful starting materials in organic synthesis [3–5] and promising catalysts [6, 7]. Their



molecules offer high structural as well as substitution variability, therefore a fine modification (“tuning”) of their reduction

and/or oxidation abilities, structure, and stability of their redox intermediates (often of radicalic nature) and thus their specific

reactivity is of high interest. A detailed insight into the structure–reactivity relationship enables better understanding of

mechanism of synthetic or catalytic reactions and facilitates design and aimed syntheses of the next generation of compounds

with required specific properties.

48.2

VALUE OF ELECTROCHEMISTRY

Electrochemical approach is a very powerful tool for fundamental chemical characterization of molecules that are able to

be oxidized or reduced (organic substances, complexes, as well as organometallic compounds), that is, for the research

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.

653


654

ELECTROCHEMISTRY OF FISCHER AMINOCARBENE COMPLEXES

M

C

X



R

Figure 48.1

Electron shifts in Fischer carbene complexes.

of structure–reactivity relationship. The possibility of a precise setting of any required working potential can guarantee

a maximal selectivity and reproducibility of the redox process. The continuous change of the working potential, starting

in real time up to microsecond scale, its cycling or keeping constant, enables not only determination of the respective

oxidation or reduction potentials but also revelation of reversibility of the redox processes, nature, kinetics, and equilibrium

constants of follow-up reactions, stability and structure of intermediates, type and yield of products, etc. In addition to this,

a combination of electrochemical methods with various in situ spectroscopic measurements [UV–vis, near infrared (NIR),

infrared (IR), Raman, electron paramagnetic resonance (EPR), mass spectrometry (MS), nuclear magnetic resonance (NMR)]

and separation techniques tandem high performance liquid chromatography (HPLC) represents a substantial broadening of

the scientific benefit of the electrochemical approach.

Interpretation of electrochemical data is usually based on comparison of experimental values acquired from systematic

research of similar molecules. The best situation occurs if the studied compounds form homologous series, where only one

substituent is systematically changed. Then the group of substances can be treated using the linear free-energy relationship

(LFER) approach [8] to analyze the role of substitution and the influence of structural modifications on redox properties

[9, 10]. According to the LFER approach, reduction (oxidation) potentials of compounds belonging to the mentioned series

are proportional to the experimentally determined Hammett-type constant

σ , which is characteristic for each substituent

(special tables are available [8, 9, 11]). Recently, a theoretical treatment of substituent constants was published [12]. For

characterization of coordination compounds, special electrochemical parameters were introduced [13].

The

σ -constants were originally derived for substituents on a benzene ring and reflect their “pushing” or “withdrawing”



electronic influence on the rest of the molecule (for more details consult the references). Nevertheless, this concept has rather

general significance and

σ -constants often fit even for nonaromatic systems. The most used is σ

p

, originally for substituents



in the para position toward the reaction center on the benzene ring, reflecting both induction and mesomeric effects, and

σ

i



,

reflecting the inductive effect (e.g., in saturated, nonaromatic systems). In this work, both the sigma constants were used

according to Eq. 48.1 and the better fit was taken into account for evaluation of inductive and/or mesomeric effects.

E

ox



(red)

= ρ · σ + c.

(48.1)

In Eq. 48.1, the value of the reaction constant



ρ reflects the extent of interaction (electronic communication) between the

substituent and the reaction center, that is, how much the measured potential depends on electron pushing/withdrawing ability

of the substituent. In this way, a level of

π-delocalization along the molecule or displacement of oxidation and reduction

centers, respectively, can be experimentally followed and correlated with quantum chemical calculations. Since the energy

(potential) needed for oxidation or reduction of the studied molecule is proportional to the energy of the respective frontier

molecular orbitals (and can be determined experimentally as

E

ox



and

E

red



by an appropriate electrochemical method), their

difference (

E

ox

− E



red

) correlates well with the HOMO–LUMO gap obtained spectrophotometrically or using calculations.

When a linear correlation of the measured potentials

E

red



(or

E

ox



) of all involved derivatives versus the corresponding

σ

p



(

σ

i



) values (Eq. 48.1) is observed, it follows that, in the frame of the studied series, the reduction (oxidation) centers

remain unchanged, the structure of all starting derivatives as well as intermediates is analogous and thus the same reduction

(oxidation) mechanism occurs. Any potential value not fitting the linear dependence points to an anomalous behavior of the

respective molecule in the frame of the studied series. The anomaly may be caused by a different electron displacement (i.e.,

different shape of HOMO (LUMO) and different localization of redox centers), hence by a different reaction mechanism

yielding thus different intermediates and products. (An example will be given below.)

The

ρ-values reflect also the distance between the substitution site and the reaction center of the molecule and



simultaneously the electronic “conductivity” of the molecular structure (bridge) connecting the substituent and redox center.

Investigating several series of compounds, the obtained

ρ-values are compared and every difference in their values requires

explanation on the basis of the structure and electron delocalization.



FUNDAMENTAL ELECTROCHEMICAL BEHAVIOR OF AMINOCARBENE COMPLEXES

655

The additive constant

c in Eq. 48.1 is significant when several analogous substitution series with different reduction

(oxidation) centers are studied and compared. Then the constant

c (in V) speaks about their energetic difference, that is, it

compares the reduction (oxidation) abilities of the redox centers involved.

The application of electrochemistry to the investigation of new organometallic molecules is illustrated in this contribution

on two groups of recently synthesized Fischer-type aminocarbene complexes of chromium, tungsten, and iron involving

about 40 derivatives. All of them represent molecules with two separated redox-active centers where the extent of their

interaction (mutual influence) is given by the electron delocalization of the bridging unit, by the distance between the centers

and/or by sterical effects.

48.3

FUNDAMENTAL ELECTROCHEMICAL BEHAVIOR OF AMINOCARBENE COMPLEXES

All synthesized aminocarbene derivatives underwent systematic electrochemical investigation in aprotic media [nonaqueous

dimethylformamide (DMF) with 0.1 M tetrabutylammonium tetrafluoroborate (TBATFB) as an electrolyte] in order to

determine their potentials of reduction and oxidation, to find out the eventual reversibility of the redox process, to elucidate

the fate of intermediates, to reveal products of such electrochemically initiated redox reactions, and to discuss the possible

reaction pathway or mechanism.

From the experimental point of view, for reductions, DC-polarography at the dropping mercury electrode (DME) or cyclic

voltammetry (CV) at the hanging mercury drop electrode (HMDE) were used; and for controlled-potential electrolyses at

negative potentials, a mercury pool electrode was employed. For both oxidative and reductive experiments, voltammetry at

the platinum rotating disk electrode (RDE) and CV at the stationary platinum electrode were applied. All experiments were

performed in a three-electrode system with a platinum counter electrode. For measurements in analytical scale (a standard

aminocarbene concentration was 3

×10−

4

mol/l), an undivided cell for 5–10 ml was used; and for preparative electrolyses



a two-compartment cell of the H-type was employed [14]. The potentials were referred to the saturated calomel electrode

(SCE), which was separated from the investigated solution by a double-frit bridge.

In addition to the purely electrochemical methods, some on-line as well as off-line combined techniques were used

(electrochemistry

+ UV/vis, IR, NMR, EPR, MS, HPLC), for detection and identification of intermediates and products.

The most important data for our study are the first reduction and the first oxidation potentials. The general electrochemical

pattern is presented in Fig. 48.2.

The first oxidation process is quasi reversible, involving one electron. The quasi-reversibility means that the primary one-

electron intermediate is not fully stable and undergoes a follow-up reaction. Therefore, the cathodic counterpeak appears

often only at higher scan rates (this is different for individual compounds). The oxidation potential is then determined as a

−700

−500


−300

−100


100

300


500

−2500


−2000

−1500


−1000

−500


0

E (mV)

500


1000

i

a

b



Figure 48.2

Cyclic voltammetry of II f; a, first scan; b, second scan.



656

ELECTROCHEMISTRY OF FISCHER AMINOCARBENE COMPLEXES

medium value between the anodic peak potential (

E

pa



) and cathodic peak potential (

E

pc



):

E

ox



=

1

2



(E

pa

+ E



pc

).

(48.2)



The first reduction step is a two-electron irreversible process accompanied by adsorption or a surface film formation partly

blocking the electrode, as evident from the difference between the first and second scan on CV. As reduction potentials,

polarographic half-wave potentials (E

1/2


) were taken for further correlations as cathodic peak potentials (

E

pc



) taken from

cyclic voltammetry are always more negative and depend on the scan rate and other factors. It is necessary to point out

that the oxidation as well as reduction potentials taken from various methods and measured on different electrodes were

consistent.

When the whole available potential range is scanned (approximately from

+2 to −3 V vs SCE in aprotic media), the first

reduction, as well as oxidation step, is followed by one or two other processes at more negative (more positive) potentials

representing stepwise reduction (oxidation) of intermediates and products. Since various follow-up reactions occur after the

first electron transfer, the interpretation of such voltammograms is very complicated, if at all possible, and would deserve

special investigation that is beyond the scope of this study.



48.4

BASIC GROUP OF AMINOCARBENES

In the first group of aminocarbene complexes (Table 48.1) p-substituted aryl substituents, methyl, or hydrogen were attached

to the carbene carbon. Several structural features were electrochemically followed in order to elucidate and formulate how

the structural/substituent changes can influence the oxidation and/or reduction potentials. For this reason, several homologous

series of compounds were created (I–VIII) and mutually compared.

TABLE 48.1

Overview of the Basic Group of Aminocarbene Complexes

R

N

M

CH

3

H



3

C

CO



CO

non-chelates

CO

CO

CO



R

N

M

CO

CO

CO



Chelates

CO

No.



M

R

No.


M

R

I a

Cr

p-OCH

3

-phenyl


II a

Cr

p-OCH

3

-phenyl


I b

Cr

p-CH

3

-phenyl


II b

Cr

p-CH

3

-phenyl


I c

Cr

p-H-phenyl



II c

Cr

p-H-phenyl



I d

Cr

p-Cl-phenyl



II d

Cr

p-Cl-phenyl



I e

Cr

p-COOCH

3

-phenyl


II e

Cr

p-COOCH

3

-phenyl


I f

Cr

p-CF

3

-phenyl


II f

Cr

p-CF

3

-phenyl


III c

W

p-H-phenyl



IV c

W

p-H-phenyl



V a

Fe

a



p-OCH

3

-phenyl



VI a

Fe

b



p-OCH

3

-phenyl



Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   99   100   101   102   103   104   105   106   ...   115




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