D) Zusammenfassung
Im Rahmen der vorgestellten Doktorarbeit wurde die Reaktivität des Metalloborylenkomplexes [{(η5-C5Me5)Fe(CO)2}(μ-B){Cr(CO)5}] (43) gegenüber weiterer Übergangsmetallfragmente, verschiedener Mono- bzw. Dialkine sowie unterschiedlicher Isonitrile untersucht. Mittels spektroskopischer und struktureller Befunde der dabei synthetisierten Verbindungen konnten bekannte Sachverhalte bestätigt und neue Erkenntnisse über die Metall–Bor-Bindung erhalten werden.
Der Boridokomplex [{(η5-C5Me5)Fe(CO)2}(μ-B){W(CO)5}] (73) konnte auf dem klassischen Weg einer doppelten Salzeliminierungsreaktion des Dichloroborylkomplexes 11 und dem Metallcarbonylat Na2[W(CO)5] in einer Ausbeute von 46% dargestellt werden (Abbildung 96).
Abbildung 96: Synthese des Boridokomplexes 73.
Verbindung 73 weist die für terminale Borylenkomplexe charakteristische, lineare FeBW Einheit sowie ein extrem tieffeldverschobenes 11B{1H}-NMR-Signal auf.
Es gelang ebenfalls, die Metalloborylen-Einheit {(η5-C5Me5)Fe(CO)2(B:)} aus 43 auf ein weiteres Übergangsmetall-Fragment zu übertragen. Dieser intermetallische Transfer bietet neben der klassischen Salzeliminierungsreaktion einen neuen Syntheseweg für Boridokomplexe. Die Umsetzung von 43 mit dem Übergangsmetallkomplex [(η5 C5H5)(H)W(CO)3] resultiert in 52%-iger Ausbeute in der Bildung des Hydrid-verbrückten Boridokomplexes [{(η5-C5Me5)(CO)2Fe}(µ-B)(µ-H){CpW(CO)2}] (74) (Abbildung 97). Röntgenkristallographische Untersuchungen sowie NMR-spektroskopische Daten belegen die verbrückende Position des Hydridoliganden über die W–B-Bindung der linearen FeBW Einheit.
Abbildung 97: Synthese des hydrid-verbrückten Boridokomplexes 74.
Aus den Umsetzungen der Hydrid-verbrückten Boridokomplexe [{(η5-C5Me5)(CO)2Fe} (µ B)(µ-H){CpM(CO)2}] (M = W (74), Mo (75)) mit einem Äquivalent des Metall-basischen Platin-(0)-Komplexes [Pt(PCy3)2] konnten die Trimetallo-Boridokomplexe 76 und 77 in Ausbeuten von 27% und 33% isoliert und vollständig charakterisiert werden (Abbildung 98). Sie weisen die für Metall-basenstabilisierten Boridokomplexe typische T-förmige Struktur mit einem verbrückenden Hydridoliganden zwischen der M–Pt-Bindung sowie einer verbrückenden Carbonylgruppe zwischen der Fe–Pt-Bindung auf. Des Weiteren zeigte sich, dass in beiden Verbindungen die M–B-Bindungsabstände vergleichbar mit denen anderer Boridokomplexe sind, die Pt–B-Bindungsabstände jedoch gegenüber Platin-Borylkomplexen deutlich verlängert sind. Dieser Befund wurde bereits für andere Metall-Basen-Addukte beschrieben.
Mit einem weiteren Metallbasen-Fragment gelang es die noch freie Koordinationsstelle am Bor-Zentrum zu besetzen. Hierzu wurden die Verbindungen 76 und 77 mit einem zweiten Äquivalent des niedervalenten Metallkomplexes [Pt(PCy3)2] umgesetzt (Abbildung 98). Folglich konnten die tetranuklearen Komplexe 78 und 79 in Ausbeuten von 44% und 30% isoliert werden. Die 1H-NMR-Kopplungsschemata des Hydridoliganden bestätigen seine verbrückende Position zwischen dem Metall (Wolfram, Molybdän) und Platin. Obwohl die Festkörperstruktur von 79 zwei unterschiedliche {Pt(PCy3)}-Fragmente aufweist, zeigt das 31P{1H}-NMR-Spektrum in Lösung nur ein Signal. Somit liegt bei Raumtemperatur in Lösung eine Fluktuation der verbrückenden Carbonylgruppe sowie des Hydridoliganden vor. Entgegen den Erwartungen nimmt Verbindung 79 eine stark gekippte Anordnung ein und nicht, wie die meisten bekannten Tetrametallo-Boridokomplexe eine quadratisch-planare Koordination (Anti-van`t Hoff-Le Bel-Verbindungen).
Abbildung 98: Reaktivität des hydrid-verbrückten Boridokomplexes 74 gegenüber [Pt(PCy3)2].
Des Weiteren gelang es die Metalloborylen-Einheit {(η5-C5Me5)Fe(CO)2(B:)} aus 43 auf einige unterschiedlich substituierte Alkine zu übertragen und die Verbindungsklasse der bislang erst zwei bekannten Eisen-substituierten Borirene auf die Verbindungen 81-86 zu erweitern, welche in Ausbeuten von 24-61% isoliert werden konnten (Abbildung 99).
Abbildung 99: Synthese der Ferroborirene 81-86.
Das charakteristische Strukturmerkmal dieser Verbindungsklasse stellt der dreigliedrige Boracyclus dar, dessen Verkürzung der BC bzw. Verlängerung der C–C-Bindungen gegenüber B–C-Einfach- bzw. C=C Doppelbindungen auf eine Delokalisierung der π Elektronen über ein bindendes Molekülorbital bestehend aus den p-Orbitalen der Ring-Atome hindeuten.
Durch den thermisch induzierten Borylentransfer und drastische Reaktionsbedingungen gelang es erstmals, ein Ferro(bis)boriren (87) vollständig zu charakterisieren. Die Umsetzung von 43 mit verschiedenen Dialkinen führte zur Bildung der Ferro(bis)borirene 87 89 (Abbildung 100).
Abbildung 100: Synthese der Ferro(bis)borirene 87-89.
Aufgrund der Verkürzung der C–C-Einfachbindung zwischen den beiden Dreiringen (1.411(3) Å) kann in dem Ferro(bis)boriren 87 von einer Delokalisation der π Elektronen über beide Boracyclen hinweg ausgegangen werden.
Zahlreiche Versuche zur Spaltung der Fe–B-Bindung des Ferroborirens 63 mit H2, Br2 oder HCl, um Zugang zu Borirene mit veränderten Eigenschaften zu erhalten, waren nicht erfolgreich.
Auch einige Quarternisierungsversuche des Ferroborirens 63 mit den weniger basischen Pyridinderivaten (3,5-Lutidin, 4 Picolin, 4-(Dimethylamino)-pyridin) waren nicht erfolgreich. Die Reaktionskontrolle mittels 11B{1H} NMR-Spektroskopie zeigte immer nur das Eduktsignal bei δ = 63.4 ppm. Sowohl nach dem Erhitzen für mehrere Stunden auf 80 °C sowie durch Abkühlen der Reaktionslösung war keine Reaktion zu erkennen. Die Umsetzung von 63 mit einem cyclischen Alkylaminocarben lieferte ebenfalls keine Reaktion.
Weitere Untersuchungen zur Reaktivität von 63 ergaben, dass es durch die Umsetzung von 63 mit zwei Äquivalenten eines N-heterocyclischen Carbens zu einer heterolytischen FeB Bindungsspaltung unter Bildung der Boroniumionen 90-92 kommt (Abbildung 101). Auf diese Weise konnte das erste Borironium-Salz eines Borirens erhalten werden.
Abbildung 101: Synthese der Boroniumionen 90-92.
Durch die Quarternisierung des Boratoms ist in den Borironiumionen eine Delokalisierung der zwei π Elektronen über ein bindendes Molekülorbital bestehend aus den p-Orbitalen der Ring-Atome nicht mehr möglich, dies spiegelt sich in der Verlängerung der BC- sowie Verkürzung der C–C-Bindungen im Vergleich zur Ausgangsverbindung wieder.
Ein weiteres Projekt dieser Arbeit umfasste Untersuchungen zur Reaktivität von Manganborylkomplexen gegenüber Isonitrilen. Es zeigte sich, dass durch Umsetzung des Mangan(dibromboryl)komplexes (94) mit Cyclohexyl- bzw. tert-Butylisonirtil die Lewis Säure-Base-Addukte 95 und 96 gebildet werden.
Abbildung 102: Synthese der Lewis-Säure-Base-Addukte 95und 96.
Im Gegensatz hierzu kommt es bei der Umsetzung des Phosphan-substituierten Manganborylkomplexes 98 mit Cyclohexyl- bzw. tert-Butylisonirtil zu keiner Adduktbildung, sondern zu einer Insertion zweier Isonitrile in die MnB Bindung unter Bildung eines carbenartigen Mangankomplexes und einem viergliedrigen Ring bestehend aus dem Kohlenstoff- und dem Stickstoffatom eines Isonitrils, dem Kohlenstoffatom des zweiten Isonitrils sowie dem Boratom der {BCl2}-Gruppe. Des Weiteren wurden zwei Carbonylgruppen durch Isonitrile ausgetauscht (Abbildung 103).
Abbildung 103: Synthese der Isonitrilinsertionskomplexe 99 und 100.
Das letzte Projekt dieser Arbeit umfasste die Untersuchung der Reaktivität von 43 gegenüber Isonitrilen.
Während die Umsetzung des Boridokomplexes 43 mit tert-Butyl- bzw. Mesitylisonitril keine selektive Reaktion lieferte, führte die Umsetzung von 43 mit drei Äquivalenten Cyclohexylisonitril zu einer Insertion der Isonitrile in beide MB-Bindungen und somit zur Bildung der [2.3] Spiro-Verbindung 103. Da der Metalloborylenkomplex 43 formal eine Eisenboryl- und eine Chromborylen-Funktionalität aufweist, werden dementsprechend in dieser Reaktion zwei unterschiedliche Reaktivitäten in einem Molekül vereinigt. Diese sind zum einen vergleichbar zu der des Eisen(dichlorboryl)komplexes 11 und zum anderen zu der des Chrom(aminoborylen)komplexes 17.
Abbildung 104: Synthese der [2,3]-Spiroverbindung 103.
Bei der Umsetzung von 43 mit Supermesitylisonitril konnte anhand geeigneter Kristalle für die Röntgenstrukturanalyse das Chrom-Spaltungsprodukt [(OC)4(Mes*NC)2Cr] (109) erhalten werden. Dieser Befund sowie quantenchemische Rechnungen sprechen für die Bildung von 115 (Abbildung 105).
Abbildung 105: Umsetzung von 43 mit Mes*NC.
In den Untersuchungen zu der Isonitril-insertierten [2.3] Spiro-Verbindung 103 konnte zum einen die Reversibilität der Isonitrilinsertion in die FeB-Bindung durch Umsetzung mit der starken Lewis-Säure Tris(pentafluorphenyl)boran unter der Bildung des Lewis-Säure-Base-Addukts (C5F5)3B−CNtBu vermutet werden.
Weitere Reaktivitätsuntersuchungen zu 103 zeigen, dass durch die HCl-Addition an die NB Bindung des dreigliedrigen Rings der Eisencarbenkomplex 118 gebildet wird (Abbildung 106). Dieser Befund deutet darauf hin, dass es sich bei der B–N-Bindung in 103 eher um eine dative N→B-Wechselwirkung handelt und diese somit leichter gespalten werden kann als die B–C-Einfachbindung des dreigliedrigen Rings.
Abbildung 106: Synthese der Verbindung 118. / E) Summary
This work aims to investigate the reactivity of the metalloborylene complex [{(η5 C5Me5)Fe(CO)2}(μ-B){Cr(CO)5}] (43) towards other transition metal complexes, a variety of mono- and dialkynes, and several isonitriles. Thereby, discussion of spectroscopical and structural data of the prepared compounds confirms known facts and helps to determine the nature of the metal–boron bond.
According to a well-established synthetic protocol, the borido complex [{(η5 C5Me5)Fe(CO)2}(μ-B){W(CO)5}] (73) could be prepared by a double salt-elimination reaction of the dichloroboryl compound 11 and the corresponding metal carbonylate Na2[W(CO)5] in isolated yields of 46% (Figure 107).
Figure 107: Synthesis of the borido complex 73.
As observed for related metalloborylene species, the borido complex 73 shows the typical linear FeB–W moiety (178.5(2)°) as well as a low-field-shifted 11B{1H} NMR (δ = 204.6 ppm) resonance.
The borido complex 43 can be employed as a synthetic source of the metalloborylene fragment {(η5 C5Me5)Fe(CO)2(B:)}. The metalloborylene complex is known for its ability to transfer the borylene moiety to both organic and organometallic fragments. Thus, reaction of 43 with the tungsten hydride complex [(η5 C5H5)(H)W(CO)3] leads to the dinuclear hydridoborylene complex [{(η5-C5Me5)(CO)2Fe}(µ-B)(µ-H){CpW(CO)2}] (74) in yields of 52% (Figure 108). This intermetallic borylene transfer offers an alternative synthesis route to the well-known salt-elimination reaction. X-ray crystallographic studies and NMR spectroscopic data confirmed the bridging position of the hydride between the tungsten and the boron center.
Figure 108: Synthesis of the borido complex 74.
The addition of one equivalent of the zerovalent platinum fragment [Pt(PCy3)2] to the hydridoborylene complexes [{(η5-C5Me5)(CO)2Fe}(µ B)(µ-H){CpM(CO)2}] (M = W (74), M = Mo (75)) results in BH-bond breakage and the formation of the T-shaped trinuclear borido complexes [{(η5-C5Me5)Fe(CO)}(µ-CO){Pt(PCy3)}{CpM(CO)2}(µ3-B)] (M = W (76), Mo (77)) (Figure 109). The hydrido ligand occupies a bridging position between the MPt bond and single crystal X-ray analysis confirmed the absence of a BH interaction. Single crystal X ray diffraction studies of 76 and 77 revealed MB bond distances comparable to those found for other borido complexes. In addition, the PtB distances are significantly elongated and resemble those found in metal base adducts of other boron species.
With an additional equivalent of the [Pt(PCy3)2] fragment it was possible to occupy the last free coordination site at the central boron atom. Thus, the tetranuclear species [{(Cp*)Fe(CO)}(µ-CO){Pt(PCy3)2}{CpM(CO)2}(µ4-B)] (M = W (78), M = Mo (79)) (Figure 109) were obtained in isolated yields of 44% and 30%. As was determined by the solid-state structure, the complex 79 retains the bridging hydride and carbonyl ligands of its precursor 77, adding a [Pt(PCy3)2] fragment to the boron atom held in place by two further bridging carbonyl ligands. The boron atom in 79 is even more distorted from planarity (angular sum around boron: 335.7(7)°) than the two published examples of planar tetracoordinate boron complexes (362.4° and 364.6°). Consequently the four metal atoms and the boron (FeBMo: 162.5(3)°, PtBPt: 91.1(2)°) form a saw-horse geometry and not the expected nearly-square-planar coordination mode (Anti-van`t Hoff-Le Bel-compounds). The 31P{1H} NMR spectra shows only one signal in solution, thus the bridging hydride and carbonyl ligands are fluxional at room temperature.
Figure 109: Synthesis of the tri- and tetranuclear borido complexes 76-79.
Furthermore, the metalloborylene moiety {(η5-C5Me5)Fe(CO)2(B:)} of 43 can also be transferred successfully to alkynes. The thermal borylene transfer has turned out to be applicable to a set of alkynes with different functional groups, expanding the class of ferroborirenes to 81-86 (Figure 110), which were obtained in yields of 24-61%.
Figure 110: Synthesis of the ferroborirenes 81-86.
The characteristic structural feature of these compounds is a three-membered BCC-ring. The short BC bonds as well as the long CC bonds suggests a delocalisation of the two π electrons over a three centered bonding molecular orbital comprised of the pz atomic orbitals of boron and carbon.
The first complete characterization of a ferro(bis)borirene (87) was carried out by thermal metalloborylene transfer and drastic reaction conditions. Thus, the reaction of 43 with different diynes leads to the formation of the ferro(bis)borirenes 87-89 (Figure 111).
Figure 111: Synthesis of the ferro(bis)borirenes 87-89.
Due to the shortening of the C–C single bond between the two boracycles (1.411(3) Å) it can be assumed that there is a strong electronic interaction between the two boracyclopropene rings.
Numerous attempts to cleave the Fe–B bond of the ferroborirene 63 with H2, Br2 or HCl to gain access to borirenes with modified properties failed.
Additionally, several quaternization attempts of the ring boron atom from 63 with less basic pyridine derivates (3,5-lutidine, 4-(dimethylamino)-pyridine) were unsuccessful. The 11B{1H} NMR spectra showed in all cases only the reactant signal of 63 at δ = 63.4 ppm. The implementation of 63 with a cyclic (alkyl)(amino) carbene also yielded no reaction.
Further investigations on the reactivity of 63 showed that it is possible to cleave the FeB bond. Treatment of 63 with two equivalents of the N-heterocyclic carbenes IMe, IMeMe and IiPr results in heterolytic FeB bond cleavage, yielding the boronium cations 90-92 (Figure 112). In this way, the first borironium salts of a borirene could be obtained.
Figure 112: Synthesis of the boronium cations 90-92.
Because of the quaternization of the boron atom the structural findings for the boronium cations are interpreted as indicative for annihilation of delocalization of the two π electrons over the three-centered bonding molecular orbital comprised of the pz atomic orbitals of boron and carbon.
A further topic of this thesis focussed on the reactivity of manganese boryl complexes towards isonitriles. It turns out that the reaction of the dibromoboryl complex 94 with cyclohexyl- or tert-butylisonitrile leads to the formation of the Lewis-base adducts 95 and 96 (Figure 113).
Figure 113: Synthesis of the base adducts 95 and 96.
In contrast to the afore-mentioned reactions, treatment of the phosphine-substituted manganese dichloroboryl complex 98 with cyclohexyl- or tert-butylisonitrile leads not to the Lewis adduct formation, but insertion of the isonitriles into the MnB bond (Figure 114). In these complexes the former boryl unit is coordinated by the carbon and nitrogen atom of one isonitrile and by the carbon of the second isonitrile, forming a four-membered ring. This compound might be best described as a manganese carbene-like complex. Furthermore, two carbonyl ligands at the manganese were replaced by two isonitriles.
Figure 114: Synthesis of insertion complexes 99 and 100.
The last objective of this work was the exploration of the reactivity of the borido complex 43 with different isonitriles.
While the treatment of the borido complex 43 with tert-butyl- or mesitylisonitrile does not lead to a selective reaction, the reaction of 43 with three equivalents of cyclohexylisonitrile leads to insertion of the isonitriles into the MB bonds, revealing a [2.3] spiro species 103 (Figure 115). In 103, the boron atom is coordinated to three separate isonitrile units, two of which have been coupled head-to-head. In this case, insertion into the FeB single bond shows reactivity similar to that observed with the iron boryl complex 11, while the double insertion into the Cr=B bond is analogous to the reactivity observed for the chromium aminoborylene complex 17. This reactivity, leading to 103, allows an interesting internal comparison of the boryl and borylene functionalities, which show distinct reactivity even within the same molecule.
Figure 115: Synthesis of the spiro compound 103.
X-ray diffraction of suitable crystals from the treatment of 43 with supermesitylisonitrile confirmed the formation of [(OC)4(Mes*NC)2Cr] (109). This finding, as well as quantum chemical calculations support the formation of 115 (Figure 116).
Figure 116: Reaction of 43 with Mes*NC.
As we were interested in the nature of the bonding within the three- and four-membered rings of the isonitrile-inserted [2.3] spiro complex 103, further investigations with the strong Lewis acid tris(pentafluorophenyl)borane revealed the formation of the Lewis adduct (C5F5)3B−CNtBu. Furthermore the possibility to selectively add HCl to the B−N bond of the three-membered ring without decomposition of the compound allowed the characterization of 118 (Figure 117). This finding suggests that the B–N bond in 103 can be described as a dative N→B interaction, thus being easier to cleave than the B–C single bond of the three-membered ring.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:11885 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Ferkinghoff, Katharina |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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