Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Reaktivität von Phosphan-stabilisierten Diborenen. Der erste Teil beschreibt die Darstellung von Tetrabromdiboran(4)-Addukten mit zweizähnigen (84a–87c) und einzähnigen Phosphanen (43a–c; 88a–89b), welche ausgehend von B2Br4(SMe2)2 (83) in einer Substitutionsreaktion in sehr guten Ausbeuten erhalten wurden. In fast allen Fällen gelang es mithilfe der Molekülstrukturen im Festkörper die Verbindungen näher zu untersuchen. Dabei konnten erstmalig Phosphan-verbrückte Diboran(6)-Verbindungen 86a–87a strukturell charakterisiert werden. Eine Besonderheit stellt in diesem Zusammenhang der PBBP-Torsionswinkel α dar, der die Abwinklung zwischen den Phosphanliganden angibt und welcher mit steigender Sterik zunimmt, was auf attraktive Dispersionswechselwirkungen zwischen den organischen Resten zurückzuführen ist.
Einige Addukte wurden experimentell auf ihr Redoxverhalten hin untersucht. Obwohl bei vielen Reduktionsversuchen Diboren-typische NMR-Signale beobachtet wurden, sind die meisten Produkte so instabil, dass keine weiteren Beweise für die erfolgreiche Darstellung der jeweiligen Diborene erbracht werden konnten. Nur für 88c gelang die zielgerichtete Reduktion zum Diboren 93c zu reduzieren. Die analysenreine Isolierung von 93c gelang jedoch nicht, sodass es in situ zum Diboren-Übergangsmetall-side-on Komplex 94 umgesetzt wurde. Quantenchemische Untersuchungen der Grenzorbitale zeigten, dass sehr wahrscheinlich die energetische Lage der MOs mit Anteilen auf den σ*-Orbitalen der B‒Br-Bindungen ausschlaggebend für eine erfolgreiche Reduktion von Bisphosphanaddukten zum Diboren ist. Allerdings stellt auch der räumliche Anspruch der Phosphane einen entscheidenden Stabilitätsfaktor für das entstehende Phosphan-stabilisierte Diboren dar.
Weiterhin wurde das Portfolio an Phosphan-stabilisierten 1,2-Diaryldiborenen mit den Ver-bindungen 97a–98b erweitert und die Synthese derartiger Diborene in einer Eintopfsynthese optimiert. Außerdem gelang die erstmalige Darstellung Phosphan-stabilisierter Diborene mit Durylsubstituenten (98a/b), die sich aber, mitsamt ihren Brom-verbrückten Monoadduktvorstufen 96a/b, als unerwartet labil erwiesen. Die Diborene zeigen für diese Verbindungsklasse typische NMR-spektroskopische und röntgenkristallographische Messdaten. Zusätzlich wurden 97a/b mittels UV/Vis-Spektroskopie und quantenchemischen Methoden näher analysiert.
Das Hauptaugenmerk der durchgeführten Forschungsarbeiten lag auf der Untersuchung der Reaktivität des Diborens 48a. Dessen B=B-Bindungsordnung konnte in zwei Reaktionen mit unterschiedlichen Oxidationsmitteln unter Bildung des Radikalkations [100]∙+ herabgesetzt werden. Eine Oxidation der B=B-Bindung gelang auch mit der Umsetzung von 48a mit Chalkogenen und chalkogenhaltigen Reagenzien. Unter anderem gelang mit der Darstellung des 1,2-Dimesityl-1,2-di(phenylseleno)diborans(4) (104) die Synthese eines seltenen Beispiels für ein strukturell aufgeklärtes, selenhaltiges Diboran(4). Dabei konnte außerdem erstmals die vollständige Freisetzung beider Lewis-Basen aus einem Diboren unter gleichzeitiger Reduktion der Bindungsordnung beobachtet werden.
Weiterhin wurde 48a mit stickstoffhaltigen Heteroaromaten umgesetzt. Dabei lassen die spektroskopischen und quantenchemischen Daten ein Pyridin-stabilisiertes Diboren 105 vermuten. In weiteren Versuchen wurde 48a mit 2,2'-Bipyridin untersucht und ein Monoboran und das 1,4-Diaza-2,3- diborinin 106 erhalten. 106 wurde im Festkörper und quantenchemisch näher untersucht. Eine NICS-Analyse bescheinigt dem zentralen B2N2C2-Ring des Diborans(4) ein außer-ordentliches Maß an Aromatizität.
Ferner war 48a in der Lage, Element-Wasserstoffbindungen zu aktivieren (E = B, Si, N, S). Während für die Umsetzungen mit diversen Silanen nur über die Reaktionszusammensetzung spekuliert werden konnte, gelang die Strukturaufklärung zweier Produkte der Reaktion mit HBCat (110 und 111) mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse. In diesem Zusammenhang gelang die Darstellung der sp2-sp3-Diborane(5) 112–113b in Umsetzungen von 48a mit einem Thiol bzw. mit Anilinderivaten in guten Ausbeuten. Die NMR-spektroskopischen und kristallographischen Daten der Produkte sind miteinander vergleichbar und liegen im erwarteten Bereich derartiger Verbindungen. Zusätzlich konnte in den stickstoffhaltigen Produkten 113a/b die trans-Konfiguration der B=N-Doppelbindung mittels 1H–1H-NOESY-NMR-Experimenten bestätigt werden.
Das Diboren 48a zeigt auch ein reichhaltiges Reaktivitätsverhalten gegenüber kleinen Molekülen. Nach dem Austausch der Schutzgasatmosphäre gegen N2O oder CO2 konnte die oxidative Zersetzung von 48a zum literaturbekannten Boroxinderivat 114 festgestellt werden.
Gänzlich anders verlief die Reaktion von 48a mit CO, wobei ein interessanter, achtgliedriger Heterocyclus 115 gebildet wurde, der formal aus zwei gespaltenen CO-Molekülen und zwei Diborenen besteht. Die genaue Beschreibung der Bindungssituation innerhalb der BC(P)B-Einheit kann, anhand der Festkörperstruktur von 115 und DFT-Berechnungen, mit literaturbekannten α-borylierten Phosphoryliden verglichen werden. Mit hoher Wahrscheinlichkeit liegt eine Mischform der mesomeren Grenzstrukturen 115-A, 115-B und 115-C vor, da für alle drei Strukturvorschläge experimentelle Hinweise gefunden werden können.
Das Diboren 48a reagierte mit H2 ohne Katalysator, unter thermischer Belastung, erhöhtem Druck und langer Reaktionszeit zu unterschiedlichen Produkten. Erste Umsetzungen führten hierbei zum Produkt 118a, das in folgenden Hydrierungen aber nicht mehr reproduziert werden konnte. Stattdessen wurde die selektive Bildung der Monoborane 119a/b beobachtet. Für beide Reaktivitäten wurde je ein Reaktionsmechanismus quantenchemisch untersucht. Das Schlüsselintermediat ist dabei jeweils ein hochreaktives Intermediat Int3, welches vermutlich für eine Vielzahl an Reaktivitäten von 48a verantwortlich ist.
Das letzte Kapitel widmete sich unterschiedlichen Cycloadditionen von 48a mit verschiedenen ungesättigten Substraten. Die Reaktivität gegenüber Aziden konnte hierbei nicht vollständig aufgeklärt werden. Allerdings gelang es ein PMe3-stabilisiertes Phosphazen 122 als Nebenprodukt nachzuweisen und gezielt in einer Staudinger-Reaktion darzustellen.
Mit Carbodiimiden reagierte das Diboren 48a unter photolytischen Bedingungen zu den 1,2,3-Azadiboretidinen 123a–c, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit stark vom sterischen Anspruch des Carbodiimids abhängig war. Das Azadiboretidin 123a konnte im Festkörper näher untersucht werden und stellt ein seltenes Beispiel für einen solchen Heterocyclus dar. Die thermische Umsetzung von 48a mit den Carbodiimiden lieferte hingegen ein noch nicht vollständig aufgeklärtes Produkt. Anhand der spektroskopischen Daten wird die Darstellung eines NHCs mit Diboran(4)-Rückgrat der Art B2Mes2(NiPr)2C: (124a) vermutet. Quantenchemische Untersuchungen sagen für 124a ähnliche Bindungsparameter wie für ein literaturbekanntes π-acides NHC voraus.
Die Reaktion von 48a mit terminalen Alkinen führte zielgerichtet zu PMe3-stabilisierten 1,3-Dihydro-1,3-diboreten 126a–d. In Lösung konnten für 126c/d zusätzlich die jeweiligen Konstitutionsisomere 127c/d mit Anteilen von unter 10% NMR-spektroskopisch beobachtet werden. Im Festkörper wird hingegen nicht das Diboret 126d, sondern ausschließlich das Konstitutionsisomer 127d beobachtet. Die Lewis-Formel der Diborete legt nahe, dass ein elektronenarmes, dreifach koordiniertes Kohlenstoffatom in der BCB-Einheit vorliegt, was im 13C{1H}-NMR-Spektrum mit den entsprechenden Signalen bestätigt wird. Eine elektronische Delokalisation wird mit den ermittelten B‒C-Atomabständen innerhalb der BCsp2B-Einheiten von 126a–c und 127d unterstützt. Die P‒Csp2-Bindung in 127d weist zudem einen kurzen P=C-Bindungsabstand auf, was einen sehr hohen π-Anteil vermuten lässt. Die einmalige Beschreibung des C‒H-Aktivierungsprodukts 131 im Festkörper gibt einen Hinweis auf eine anfängliche [2+2]-Cycloaddition zwischen der B=B-Doppelbindung und dem terminalen Alkin, die über eine 1,3-Umlagerung zur Bildung der 1,3-Diborete führt.
Ferner gelang unter den identischen Reaktionsbedingungen aus 48a und 1,4‐Diethinylbenzol die Darstellung der Mono‐ und Bis(1,3‐dihydro‐1,3‐diborete) 128 und 129, wobei 129 nur im Festkörper genauer untersucht werden konnte. Die Umsetzung von 48a mit 1,3,5‐Triethinylbenzol ergab ein Produktgemisch der Form (B2Mes2(PMe3)HCC)n(C6H3)(CCH)3−n (130-n; n = 1, 2, 3), welches Hinweise auf die zweifache bzw. dreifache Diboretbildung lieferte. DFT-Berechnungen sagen für das Bisdiboret 129 eine Kommunikation zwischen beiden Heterocyclen über den zentralen Benzolring voraus, was die Ursache für die beobachtete Fluoreszenz sein könnte.
Das Diboren 48a reagierte zudem mit Diazabutadienen unter thermischen Bedingungen in inversen Diels-Alder-Reaktionen zu 1,2,3,4-Tetraaryl-1,4-diaza-2,3-diborininen 132a–e. Dies stellt einen neuen Zugang zu dieser Substanzklasse dar. Dabei zeigte sich eine direkte Korrelation zwischen der Reaktionszeit und dem räumlichen Anspruch der Diazabutadiene. Die erfolgreiche Aufarbeitung der 1,4-Diaza-2,3-diborinine ist aufgrund ihrer hohen Löslichkeit in gängigen Lösungsmitteln wesentlich vom Kristallisationsverhalten der Produkte abhängig. Die analoge Umsetzung unter photochemischen Bedingungen gab Hinweise darauf, dass diese Reaktion dem Mechanismus einer inversen [4+2]-Cycloaddition folgt. Bemerkenswert ist die hohe Stabilität der Diborane(4) 132b/c gegenüber Luft und Wasser, die vermutlich auf der kinetischen Stabilisierung durch die ortho- Methylgruppen der Stickstoff-gebundenen Aromaten beruht.
Im Gegensatz dazu wurde bei der Reaktion zwischen 48a und dem Diazabutadien (MesN)2C2Mes2 das 1,2,3,4-Tetramesityl-5,6-dimethyl-1,4-diaza-2,3-diborinin 132e nur in Spuren nachgewiesen. Unter den gewählten Bedingungen wurde stattdessen Verbindung 133 gebildet. Die systematische, experimentelle Untersuchung dieser Reaktivität wurde jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht durchgeführt. Die Schlüsselschritte des Reaktionsmechanismus zur Bildung von 133 führen höchstwahrscheinlich wieder über das Intermediat Int3. Nach einer 1,2-Wanderung eines Mesitylsubstituenten wird das Monophosphan-stabilisierte Zwitterion Int13a gebildet, welches in seiner Grenzstruktur Int13b als Borylen beschrieben werden kann. Eine anschließende intramolekulare C‒H-Aktivierung resultiert im Diboran(5) 133.
Mit dieser Arbeit ist es gelungen, neue Erkenntnisse über die Chemie Phosphan-stabilisierter Diborene zu erhalten. Die labil gebundenen Phosphane eröffnen diesen Diborenen eine einzigartige Reaktivität, die bei den NHC-Vertretern nicht gefunden wird. In der Zukunft könnten neue Konzepte entwickelt werden dieses Reaktionsverhalten weiter zu nutzen. Wünschenswert wäre es die Diboren-Monomere miteinander zu Ketten zu verknüpfen. / The present work deals with the synthesis and reactivity of phosphine-stabilised diborenes. The first section describes the preparation of tetrabromodiborane(4) adducts with bidentate (84a–87c) and monodentate phosphines (43a–c; 88a–89b). These were obtained from B2Br4(SMe2)2 (83) in a substitution reaction in very good yields. In almost all cases, it was possible to investigate the compounds more closely based on their solid-state molecular structures. For the first time, the structures of phosphine-bridged di¬bo¬rane(6) compounds 86a–87a were determined. A special feature in this context is the PBBP torsion angle α, which indicates the angular deflection between the phosphine ligands. Contrary to expectations, the angle α decreases with increasing steric demand, which is probably due to attractive dispersion interactions between the organic residues.
The adducts 84a/b, 135a/c, 87a, 88a/c/d and 136a were experimentally investigated for their redox behaviour. Although diborene-type NMR signals were observed in some reduction experiments, most of the products are so unstable that no further evidence for the successful preparation of the respective diborenes was obtained. Therefore, only 88c was successfully reduced to the diborene 93c. However, the isolation of 93c was not successful, thus it was instead reacted in situ with ZnBr2 to form the side-on transition metal diborene complex 94. Quantum-chemical investigations of the frontier orbitals showed that the energy level of the MOs with lobs corresponding to the σ* orbitals of the B‒Br bonds is most likely decisive for the successful reduction of bisphosphine adducts to diborenes. However, the steric demand of the phosphines is also a crucial stabilising factor for the resulting phosphine-stabilised diborene.
Furthermore, the portfolio of phosphine-stabilised 1,2-diaryldiborenes was expanded with compounds 97a–98b and the synthesis of these diborenes was optimised in a one-pot synthesis. In addition, phosphine-stabilised diborenes with duryl substituents (98a/b) were synthesised for the first time, which, together with their bromine bridged monoadduct precursors 96a/b, proved to be unexpectedly labile. The prepared diborenes provided NMR spectroscopic and X-ray crystallographic data which are typical for this class of compounds. Moreover, 97a/b was analysed in more detail using UV/vis spectroscopy and quantum-chemical methods.
The main focus of this research lies in the investigation of the reactivity of the diborene 48a. Its B=B bond order was reduced in two reactions with different oxidizing agents forming the radical cation [100]∙+. An oxidation of the B=B bond was also achieved with the reaction of 48a with chalcogens and chalcogen-containing reagents. Furthermore, with the preparation of 1,2-dimesityl-1,2-di(phenylseleno)diborane(4) (104), the synthesis of a rare example of a structurally elucidated selenium containing diborane(4) was achieved. In addition, the complete release of both Lewis bases from a diborene with simultaneous reduction of the B=B bond order was observed for the first time.
Furthermore, 48a was reacted with nitrogen containing heteroaromatics. The spectroscopic and quantitative chemical data indicate a pyridine-stabilised diborene 105. Further experiments were aimed at exploring the reactivity of 48a towards 2,2'-bipyridine and the monoborane 107d and the 1,4-diaza-2,3-diborinine 106 were obtained. The solid-state structure of 106 and quantum-chemical investigations suggested a bonding situation comparable to that of carbon analogues. In addition, a NICS analysis confirmed that the central B2N2C2 ring of diborane(4) 106 has an extraordinary degree of aromaticity.
Compound 48a was also able to activate element-hydrogen bonds (E = B, Si, N, S). While for the reactions with various silanes the reaction composition could only be speculated upon, the structure of two products of the reaction with HBCat (110 and 111) were elucidated by means of single crystal X-ray structure analysis. In this context, the sp2-sp3 diboranes(5) 112–113b were obtained in good yields in reactions of 48a with a thiol and with aniline derivatives, respectively. The NMR spectroscopic and crystallographic data of the products are comparable and lie within the expected range of such compounds. In addition, the trans configuration of the B=N double bond in the nitrogenous products 113a/b was confirmed by 1H‒1H-NOESY NMR experiments.
The diborene 48a also shows a rich reactivity towards small molecules. After replacing the inert gas atmosphere with N2O or CO2, the oxidative decomposition of 48a to the literature-known boroxine derivative 114 was detected.
The reaction of 48a with CO was completely different, whereby an interesting, eight-membered heterocycle 115 was formed, which formally consists of two cleaved CO molecules and two diborenes. Based on the solid-state structure of 115 and DFT calculations, the exact description of the bonding situation within the BC(P)B unit can be compared with literature-known α-borylated phosphorus ylides. It is highly probable that a mixed form of the mesomeric structures 115-A, 115-B and 115-C is present since experimental evidence can be found for all three proposed structures.
The diborene 48a reacted with H2 without the need for a catalyst, with heating, high pressure and long reaction times leading to different products. Initial reactions led to the product 118a, which could not be reproduced in subsequent hydrogenations. Instead, the selective formation of the monoboranes 119a/b was observed. One reaction mechanism was computationally determined for each of the reactivities. The key intermediate in each case is the highly reactive intermediate Int3, which is presumably responsible for a large number of the reactivity patterns of 48a.
The last chapter is devoted to different cycloadditions of 48a with different unsaturated substrates. The reactivity towards azides could not be fully elucidated. However, it was possible to detect a PMe3 stabilised phosphazene 122 as a byproduct, which could be independently synthesised via a Staudinger reaction.
The diborene 48a reacted with carbodiimides under photolytic conditions to give the 1,2,3 azadiboretidines 123a–c, whereby the reaction rate was strongly dependent on the steric demand of the carbodiimide. The solid-state structure of azadiboretidine 123a was determined and represents a rare example of such a heterocycle. The thermal reaction of 48a with carbodiimides, on the other hand, yielded a product that has not yet been fully elucidated. Based on the spectroscopic data, the preparation of a NHC with a diborane(4) backbone of the type B2Mes2(NiPr)2C: (124a) is suspected. Quantum-chemical investigations predicted similar bonding parameters for 124a as for a literature known π-acidic NHC.
The reaction of 48a with terminal alkynes led to PMe3-stabilised 1,3-dihydro-1,3-diboretes 126a–d. For 126c/d the respective constitutional isomers 127c/d with proportions of less than 10% could additionally be observed via solution NMR spectroscopy. In the solid state, on the other hand, not the diborete 126d but exclusively the constitutional isomer 127d was observed. The Lewis formulas of the diboretes suggest that an electron-deficient, tricoordinate carbon atom is present in the BCB unit, which is confirmed by its 13C{1H} NMR spectrum, which contains corresponding signals. The electronic delocalisation is supported by the experimentally derived B‒C atomic distances within the BCsp2B units of 126a–c and 127d. The P‒Csp2 bond in 127d is short, suggesting a high degree of π-character. The unique description of the C‒H activation product 131 in the solid state suggests an initial [2+2] cycloaddition between the B=B double bond and the terminal alkyne, which leads to the formation of the 1,3-diboretes via a 1,3 rearrangement.
Using the identical reaction conditions as the reaction between 48a and 1,4-diethylbenzene, the preparation of the mono- and bis(1,3-dihydro-1,3-diboretes) 128 and 129 was achieved, whereby 129 could only be structurally authenticated. The reaction of 48a with 1,3,5-triethynylbenzene gave a mixture of products of the type (B2Mes2(PMe3)HCC)n(C6H3)(CCH)3-n (130-n; n = 1, 2, 3), which provided evidence for the two- and threefold diborete formation, respectively. DFT calculations predict some degree of communication between the two heterocycles via the central benzene ring in the bisdiborete 129, which could be the cause of the observed fluorescence.
The diborene 48a also reacted with diazabutadienes under thermal conditions in inverse Diels-Alder reactions to give 1,2,3,4-tetraaryl-1,4-diaza-2,3-diborinines 132a–e. This represents a new approach to this substance class. Thereby, a direct correlation between the reaction time and the steric demand of the diazabutadienes was observed. The successful work-up of the 1,4-diaza-2,3-diborinines is essentially dependent on the crystallisation behaviour of the products due to their high solubility in common solvents. The analogous conversion under photochemical conditions indicated that this reaction follows the mechanism of an inverse electron demand [4+2] cycloaddition. The high stability of the diborane(4) 132b/c against air and water is remarkable, which is probably due to the kinetic stabilisation by the ortho-methyl groups of the nitrogen-bound aryl groups.
In contrast, the reaction between 48a and the diazabutadiene (MesN)2C2Mes2 gave the 1,2,3,4-tetramesityl-5,6-dimethyl-1,4-diaza-2,3-diborinine 132e, but only in small amounts. Instead, compound 133 was formed under the chosen conditions. However, the systematic, experimental investigation of this reactivity was not carried out within the scope of this work. The key intermadiate of the reaction mechanism for the formation of 133 is most probably again the intermediate Int3. After a 1,2-migration of a mesityl substituent, the monophosphine-stabilised zwitterion Int13a is formed, which can be described as a borylene in its mesomeric structure Int13b. A subsequent intramolecular C‒H activation results in the diborane(5) 133.
This work provides new insights into the chemistry of phosphine-stabilised diborenes. The labile phosphine groups provide a unique reactivity to the diborenes that is not found in the NHC-bound derivatives. In the future, new concepts could be developed to further exploit this reaction behaviour. Along these lines, it would be desirable to link diborenes with each other to create chains.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:24136 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Englert, Lukas |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0068 seconds