A series of cis- and trans-bis(ethynyl)platinum complexes containing dimethyldihydropyrene (DHP) photochromic compounds were synthesized from RDHPCCH (R = H, CH3CO, PhCO, 1-naphthoyl and benzo[e]) and platinum chloride with appropriate ancillary ligands (PEt3, PPh3, dppe, bipy and phen). The complexes were studied using mass spectrometry, NMR spectroscopy (1H, 13C, 31P and 195Pt) and IR. The X-ray structural information for bis(DHP-ethynyl) platinum complexes 44, 45, 47, 49, and 52 revealed that the Pt complexes possessed a square planar geometry at the metal centers. These platinum complexes are T type photochromic compounds. The BDHP-derived platinum complexes 48, 49, and 52 open completely when irradiated by visible light (λ > 590 nm). The photoopening rates for the platinum complexes are about 4 times slower than the corresponding DHP-alkynes. All the alkynyl platinum complexes close thermally faster than the corresponding free alkynes, and the closing rate is not affected substantially by changing the ancillary phosphine ligands. The BDHP-ethynyl platinum complexes with PEt3, PPh3 and dppe ligands have similar thermal closing half lives at 25°C of τ1/2 = 42 h, 38 h and 33 h, respectively, in contrast to the half life τ1/2 = 62 h of the BDHP-ethyne 40. The first cyclobutadienyl cobalt substituted dihydropyrenes were prepared by CpCo(CO)2 cyclization of a series of dihydropyrenyl ethynes. When the other alkyne substituent was small (methyl or carboxyethyl) only cis (head-to-head) isomers were obtained, but with larger sized groups, mixed head-to-head and head-to-tail isomers were obtained. The crystal structure of complex 21 indicated some unusually short bond distances were present. By comparison of the NMR and bond length data for complexes 21 or 69 with those for phenyl-DHP 60, the aromaticity of the cyclobutadienyl cobalt fragment was estimated quantitatively to be at least as large as that of benzene. The organometallic fragment [Cbd-Co-Cp] substantially slowed the DHP photoopening reaction of complex 72 relative to precursors 67 or 35. DHP[e]tropone, 17, DHP[e]tropylium cation, 18 and DHP[e]cyclooctatetraene dianion, 20 were synthesized to study the relative bond localizing abilities of COT dianion 80 (105 % relative to benzene), tropylium cation 15 (55 % relative to benzene), tropone 79 (13 % relative to benzene) using DHP as the NMR probe. The internal methyl protons of DHP resonated at δ -3.56 for 17, δ -2.61 for 18 and δ -1.38 for 20. Cycloheptatrienyl anions 111, 112 and 19 were made from cyclohepta-2,4,6-triene (CHT) isomers 107 and 108 (for two anions, 112 and 19). The internal methyl protons of their DHP resonated at δ -2.52, 2.67 for 111, δ -0.80, -0.84 for 112 and δ +2.10 for 19. The anion 19 was best taken as a 20π electron paratropic system. The homo-aromaticity of the CHT isomers 107, 108 and 117 was estimated based on the NMR data and X-ray structural data. Obvious anisotropic effects existed and the bond localization ability of the CHT (24% based on NMR data for 108) may have a large error. The ring inversion barriers of the COT 82 and CHT 77 were measured using variable temperature NMR spectroscopy as 13.9 and 8.7 kcal/mol, respectively. Five X-ray crystallography structures were obtained for 99B, 17, 108, 117 and 125 and the information was used in estimating the bond localization abilities and in establishing absolute stereochemistry / Graduate

An Ab Initio/RRKM study of the reaction mechanism and product branching ratios of neutral-radical ethynyl (C2H) and cyano (CN) radical species with unsaturated hydrocarbons is performed. The reactions studied apply to cold conditions such as planetary atmospheres including Titan, the Interstellar Medium (ISM), icy bodies and molecular clouds. The reactions of C2H and CN additions to gaseous unsaturated hydrocarbons are an active area of study. NASA’s Cassini/Huygens mission found a high concentration of C2H and CN from photolysis of ethyne (C2H2) and hydrogen cyanide (HCN), respectively, in the organic haze layers of the atmosphere of Titan. The reactions involved in the atmospheric chemistry of Titan lead to a vast array of larger, more complex intermediates and products and may also serve as a chemical model of Earth’s primordial atmospheric conditions. The C2H and CN additions are rapid and exothermic, and often occur barrierlessly to various carbon sites of unsaturated hydrocarbons. The reaction mechanism is proposed on the basis of the resulting potential energy surface (PES) that includes all the possible intermediates and transition states that can occur, and all the products that lie on the surface. The B3LYP/6-311g(d,p) level of theory is employed to determine optimized electronic structures, moments of inertia, vibrational frequencies, and zero-point energy. They are followed by single point higher-level CCSD(T)/cc-vtz calculations, including extrapolations to complete basis sets (CBS) of the reactants and products. A microcanonical RRKM study predicts single-collision (zero-pressure limit) rate constants of all reaction paths on the potential energy surface, which is then used to compute the branching ratios of the products that result. These theoretical calculations are conducted either jointly or in parallel to experimental work to elucidate the chemical composition of Titan’s atmosphere, the ISM, and cold celestial bodies.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第21161号 / 農博第2287号 / 新制||農||1060(附属図書館) / 学位論文||H30||N5135(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 栗原 達夫, 教授 小川 順, 教授 阪井 康能 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

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Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese, der Charakterisierung und der Anwendung neuartiger Phosphane in homogenkatalytischen Reaktionen. Dabei wurden die Ferrocenyl- und Ferrocenylethinylphosphan-Palladium und Ferrocenylethinylphosphan-Ruthenium Komplexe in der Palladium-vermittelten Mizoroki-Heck- und Suzuki-Miyaura-Reaktion sowie der Ruthenium-katalysierten Synthese von β-Oxopropylestern verwendet. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung des Einflusses der elektronischen und räumlichen Eigenschaften der Phosphanliganden auf die Aktivität und Produktivität der entsprechenden Katalysatoren in den homogenkatalytischen Reaktionen. Weiterhin beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Synthese und Charakterisierung von funktionalisierten (Phosphino)Imidazol und (Phosphino)Imidazolium Salzen und deren Anwendung in der Suzuki-Miyaura-Reaktion. Dabei wurde neben der Untersuchung des Einflusses der Position der Phosphanylgruppe und der unterschiedlichen Substituenten ebenfalls die Auswirkung von elektronenziehenden und -schiebenden Gruppen am Phosphanrest untersucht. Die neutralen Mono- und Diphosphane wurden außerdem in der Kreuzkupplung von Arylhalogeniden und in der Synthese räumlich anspruchsvoller Biaryle verwendet. Des Weiteren wurden die (Phosphino)Imidazolium-Salze als Liganden in der Suzuki-Miyaura-Reaktion in ionischen Flüssigkeiten als Reaktionsmedium angewendet, um die Möglichkeit des Recyclings der Katalysatorphase zu untersuchen.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Versuche zur Synthese von 1-Azido-1 alkinen (Ethinylaziden). Diese instabilen Verbindungen zersetzen sich leicht unter Stickstoffabspaltung zu hochreaktiven Carbenen, welche mit verschiedenen Reagenzien, explizit Tolan, Cyclooctin, DMSO sowie DMF, abgefangen werden konnten. Obwohl eine direkte spektroskopische Beobachtung der Titelverbindungen mittels Tieftemperatur-NMR-Spektroskopie nicht verwirklicht werden konnte, gelang der eindeutige Nachweis von Ethinylaziden via deren 1,3-dipolarer Cycloaddition mit dem hochgespannten cyclischen Alkin Cyclooctin. Als Strategie für die Synthese der Titelverbindungen wurden sowohl Substitutionsreaktionen ausgehend von (Chlorethinyl)aromaten als auch Eliminierungsreaktionen ausgehend von substituierten Vinylaziden herangezogen. Es konnten zahlreiche Sulfoxonium-Ylide sowie alpha-Oxocarbonsäureamide als eindeutige Folgeprodukte der Titelverbindungen isoliert und vollständig – größtenteils sogar anhand von Röntgeneinkristallstrukturanalysen – charakterisiert werden.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Versuche zur Synthese von 1-Azido-1 alkinen (Ethinylaziden). Diese instabilen Verbindungen zersetzen sich leicht unter Stickstoffabspaltung zu hochreaktiven Carbenen, welche mit verschiedenen Reagenzien, explizit Tolan, Cyclooctin, DMSO sowie DMF, abgefangen werden konnten. Obwohl eine direkte spektroskopische Beobachtung der Titelverbindungen mittels Tieftemperatur-NMR-Spektroskopie nicht verwirklicht werden konnte, gelang der eindeutige Nachweis von Ethinylaziden via deren 1,3-dipolarer Cycloaddition mit dem hochgespannten cyclischen Alkin Cyclooctin. Als Strategie für die Synthese der Titelverbindungen wurden sowohl Substitutionsreaktionen ausgehend von (Chlorethinyl)aromaten als auch Eliminierungsreaktionen ausgehend von substituierten Vinylaziden herangezogen. Es konnten zahlreiche Sulfoxonium-Ylide sowie alpha-Oxocarbonsäureamide als eindeutige Folgeprodukte der Titelverbindungen isoliert und vollständig – größtenteils sogar anhand von Röntgeneinkristallstrukturanalysen – charakterisiert werden.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese, der Charakterisierung und der Anwendung neuartiger Phosphane in homogenkatalytischen Reaktionen. Dabei wurden die Ferrocenyl- und Ferrocenylethinylphosphan-Palladium und Ferrocenylethinylphosphan-Ruthenium Komplexe in der Palladium-vermittelten Mizoroki-Heck- und Suzuki-Miyaura-Reaktion sowie der Ruthenium-katalysierten Synthese von β-Oxopropylestern verwendet. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung des Einflusses der elektronischen und räumlichen Eigenschaften der Phosphanliganden auf die Aktivität und Produktivität der entsprechenden Katalysatoren in den homogenkatalytischen Reaktionen. Weiterhin beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Synthese und Charakterisierung von funktionalisierten (Phosphino)Imidazol und (Phosphino)Imidazolium Salzen und deren Anwendung in der Suzuki-Miyaura-Reaktion. Dabei wurde neben der Untersuchung des Einflusses der Position der Phosphanylgruppe und der unterschiedlichen Substituenten ebenfalls die Auswirkung von elektronenziehenden und -schiebenden Gruppen am Phosphanrest untersucht. Die neutralen Mono- und Diphosphane wurden außerdem in der Kreuzkupplung von Arylhalogeniden und in der Synthese räumlich anspruchsvoller Biaryle verwendet. Des Weiteren wurden die (Phosphino)Imidazolium-Salze als Liganden in der Suzuki-Miyaura-Reaktion in ionischen Flüssigkeiten als Reaktionsmedium angewendet, um die Möglichkeit des Recyclings der Katalysatorphase zu untersuchen.:Table of Contents Bibliographische Beschreibung und Referat ii Präambel iii Table of Contents 1 List of Abbreviations 5 A Introduction 9 1 Homogeneous Catalysis 9 2 References 11 B State of Knowledge 13 1 Transition Metal-Catalyzed C,C Cross-Coupling Reactions 13 2 Mizoroki-Heck Reaction 16 3 Suzuki-Miyaura Reaction 23 4 β-Oxopropyl Ester Synthesis 29 5 Ferrocenyl Phosphines in C,C Cross-Coupling Reactions 33 6 Phosphino Imidazoles and their Application in C,C Cross-Coupling Reactions 35 7 Motivation 36 8 References 37 C Metallocenyl Phosphine Palladium Dichlorides: Synthesis, Electrochemistry and their Application in C,C Coupling Reactions 44 1 Introduction 44 2 Results and Discussion 45 2.1 Ligand Synthesis and Properties 45 2.2 Electrochemistry 47 2.3 Single Crystal X-ray Structure Determination 51 2.4 Catalytic Investigations 55 2.4.1 Mizoroki-Heck Catalysis 55 2.4.2 Suzuki-Miyaura Catalysis 56 3 Conclusions 58 4 Experimental Section 60 4.1 General Data 60 4.2 Instruments 60 4.3 Electrochemistry 60 4.4 Spectro-electrochemistry 61 4.5 Materials 61 4.6 General Procedure for the Synthesis of Phosphines 3 and 6 61 4.7 General Procedure for the Synthesis of the Seleno Phosphines 4 and 7 65 4.8 General Procedure for the Synthesis of the Palladium Complexes 9a – e and 10a – d 69 4.9 General Procedure for the Mizoroki-Heck Reaction 72 4.10 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction 73 4.11 Crystal Data for 4b 73 5 Supporting Information 73 6 Acknowledgement 77 7 References 77 D Fundamental Study of (Ferrocenylethynyl)phosphines: Correlation of Steric and Electronic Effects in C,C Cross-Coupling Reactions 81 1 Introduction 81 2 Results and Discussion 82 2.1 Synthesis, Reaction Chemistry and Characterization 82 2.2 C,C Cross-Coupling Reactions 95 2.2.1 Suzuki-Miyaura Reaction 95 2.2.2 Mizoroki-Heck Reaction 96 3 Conclusions 97 4 Experimental Section 99 4.1 General Data and Materials 99 4.2 Instruments 99 4.3 Electrochemistry 100 4.4 Spectro-electrochemistry 100 4.5 General Procedure for the Synthesis of Phosphines 3b – f 101 4.6 General Procedure for the Synthesis of Seleno Phosphines 4b – f 104 4.7 General Procedure for the Synthesis of Palladium Complexes 6e, 6f and 7a – f 106 4.8 Synthesis of [PdCl2(P(C≡CFc)(Cy)2)2][B(C6F5)4]2 ([7f][(B(C6F5)4)]2) 110 4.9 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction 110 4.10 General Procedure for the Mizoroki-Heck Reaction 110 4.11 Crystal Structure Determination 111 5 Supporting Information 112 6 Acknowledgement 114 7 References 114 E (Ethynylferrocenyl)phosphine Ruthenium Complexes in Catalytic β-Oxopropyl Benzoate Formation 119 1 Introduction 119 2 Experimental Section 120 2.1 General Procedure and Materials 120 2.2 General Procedure for the Synthesis of Ruthenium Complexes 3a – 3e and 10 121 2.3 Synthesis of (Et2N)P(C≡C-PPh2)2 (6) 124 2.4 Synthesis of P(C≡CFc)(C≡CPPh2)2 (9) 124 2.5 Synthesis of (RuCl2(η6-p-cymene))(FcC≡C)P(C≡CPPh2(RuCl2(η6-p-cymene)))2 (10) 125 2.6 General Procedure for the Catalytic Reactions 125 2.7 Crystal Structure Determination 126 3 Results and Discussion 127 4 Conclusions 135 5 Supporting Information 135 6 Acknowledgement 135 7 References 136 F Phosphino Imidazoles and Imidazolium Salts for Suzuki-Miyaura C,C Coupling Reactions 138 1 Introduction 138 2 Results and Discussion 139 2.1 Synthesis 139 2.2 Characterization 143 2.3 Catalysis 148 3 Conclusions 152 4 Experimental Section 154 4.1 General Procedures 154 4.2 Synthesis of 1-(4-iodophenyl)-4,5-dimethyl-1H-imidazole (3b) 155 4.3 Synthesis of 1-(4-ferrocenylphenyl)-1H-imidazole (5) 156 4.4 Synthesis of 1-(4-(ethynylferrocenyl)phenyl)-1H-imidazole (7) 156 4.5 Synthesis of 1-(4-(1,1’-biphenyl))-4,5-dimethyl-1H-imidazole (9) 157 4.6 General Synthesis Procedure for Phosphines 11a – f 157 4.7 General Procedure for the Synthesis of Seleno Phosphines 11a-Se – f-Se 165 4.8 General Procedure for the Synthesis of Imidazolium Salts 16a – 16d 169 4.9 Synthesis of 1-phenyl-2-(diphenylphosphino)-3-n-octyl-4,5-dimethyl-1H-imidazolium hexafluorophosphate (17a) 171 4.10 Synthesis of 1-phenyl-2-(dicyclohexylphosphino)-3-n-octyl-4,5-dimethyl-1H-imidazolium hexafluorophosphate (17b) 172 4.11 Synthesis of [(1-(4-Br-C6H4)-cC3H2N2-3-n-Bu)2PdI2] (19) 173 4.12 Synthesis of 1-(4-(diphenylphosphino)phenyl)-3-n-octyl-4,5-dimethyl-1H-imidazolium hexafluorophosphate (20) 173 4.13 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction 174 4.14 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction in Ionic Liquids 175 4.16 General Procedure for the Synthesis of Sterically Hindered Biaryls 175 4.17 Crystal Structure Determination 176 5 Supporting Information 177 6 Acknowledgement 180 7 References 180 G Imidazole Phosphines: Synthesis, Reaction Chemistry and Their Use in Suzuki-Miyaura C,C Cross-Coupling Reactions 184 1 Introduction 184 2 Results and Discussion 185 2.1 Synthesis and Characterization of Phosphino Imidazoles and Metallamacrocycles 185 2.2 Suzuki-Miyaura C,C Cross-Coupling Reactions 193 3 Conclusions 196 4 Experimental Section 197 4.1 General Procedures 197 4.2 Synthesis of 1-(4-(diphenylphosphino)phenyl)-4,5-dimethyl-1H-imidazole (4a) 198 4.3 Synthesis of 1-(4-(dicyclohexylphosphino)phenyl)-4,5-dimethyl-1H-imidazole (4b) 199 4.4 General Synthesis Procedure for Phosphines 6a – f 199 4.5 Synthesis of [Pd(1-(4-PPh2-C6H4)-2-PFur2-4,5-Me2-1H-C3N2)Cl2]2 (8) 204 4.6 Synthesis of [Pt(dppf)(C≡C-C6H4-4-PPh2)2] (11) 204 4.7 Synthesis of [Pt(dppf)(C≡C-C6H4-4-PPh2)2PtCl2)]2 (13) 205 4.8 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Reaction 205 4.9 General Procedure for the Suzuki-Miyaura Coupling of Aryl Chlorides 206 4.10 General Procedure for the Synthesis of Sterically Hindered Biaryls 206 4.11 Crystal Structure Determination 206 5 Acknowledgement 207 6 Supporting Information 208 7 References 208 H Summary 211 Acknowledgement/Dank 219 Publications, Oral Presentations, Poster 220 Publications 220 Oral Presentations 221 Posters 221 Curriculum Vitae 223 Selbstständigkeitserklärung 224 Appendix 225