La synthèse, la caractérisation et la réactivité d&#39;une série de ruthénium<em&gt; N</em&gt; -triphos<sup&gt; Ph</sup&gt; Complexes

Résumé

Des complexes ruthénium phosphine sont largement utilisés pour des réactions catalytiques homogènes comme les hydrogénations. La synthèse d'une série de nouveaux complexes du ruthénium tridentate portant le ligand N de N (CH ₂ PPh _{2) 3} est rapporté. En outre, la réaction stoechiométrique du complexe d'un dihydrure Ru N avec de l'acide lévulinique est décrite.

Résumé

Nous rapportons ici la synthèse d'un ligand tridenté de phosphine N (CH ₂ PPh _{2) 3} (de ^la N ^Ph) (1) via une réaction de Mannich à base de phosphore de la phosphine hydroxylmethylene précurseur avec de l'ammoniac dans du methanol sous une atmosphère d'azote. Le N de la ^Ph ligand précipite de la solution au bout d'environ 1 heure de reflux et on peut isoler analytiquement pur par procédé de filtration de canule simple, sous atmosphère d'azote. La réaction de la N ^Ph avec le ligand [Ru ₃ (CO) _12] au reflux donne une solution rouge foncé qui montrent l'évolution de gaz CO à la complexation du ligand. Cristaux orange du complexe [Ru (CO) ₂ {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ -κ P] (2) ont été isolées par le refroidissement à la température ambiante. Le ³¹ P ^{1 H} spectre RMN a montré un pic caractéristique unique à la fréquence inférieurepar rapport au ligand libre. La réaction d'une solution de toluène d'un complexe 2 avec de l'oxygène conduit à la précipitation instantanée du carbonate complexe [Ru (CO ₃₎ (CO) {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} -κ ³ P] (3) en tant que stable de l'air solide orange. Une hydrogénation subséquente de trois sous 15 bars d'hydrogène dans un réacteur à haute pression a donné le complexe de dihydrure [RuH ₂ (CO) {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ -κ P] (4), qui a été entièrement caractérisé par X cristallographie -ray et spectroscopie RMN. Complexes 3 et 4 sont potentiellement précurseurs de catalyseurs utiles pour une variété de réactions d'hydrogénation, y compris les produits dérivés de la biomasse tels que l'acide lévulinique (LA). Complexe 4 se est révélé réagir avec LA proprement en présence de l'additif de la source de proton NH ₄ PF ₆ pour donner [Ru (CO) N {(CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ -κ P {CH ₃ CO (CH _{2) 2} CO ₂ H} -κ ² O] (PF ₆₎ (6).

Introduction

Complexes à base de ruthénium phosphine sont quelques-uns des catalyseurs moléculaires les plus étudiés et chimiquement polyvalents. ^1-9 Typiquement, ces catalyseurs ruthénium contiennent soit des ligands mono- ou bi-denté qui dictent l'électronique, sterics, la géométrie et la solubilité du complexe, et qui avoir un impact profond sur l'activité catalytique. Systèmes de phosphine multidentés ont été moins largement étudiée pour la catalyse, comme ils sont connus pour conférer une plus grande stabilité sur le centre métallique en raison de la plus grande effet chélate de plusieurs bailleurs de fonds de phosphore sur le centre métallique. Cette stabilisation peut être indésirable pour la catalyse, cependant, dans des conditions plus sévères (températures de réaction plus élevées et des pressions) les propriétés stabilisatrices complexes de tels ligands peuvent être avantageux en assurant l'intégrité du catalyseur. Un tel système de ligand polydenté de phosphine que nous et d'autres ^{de 10 à 12 13 à 18} ont étudié pour conférer la stabilité du complexe et du visage coorgéométries de coor- est ce qu'on appelle le série de ligand -triphos N où trois bras phosphine sont liés à un atome pontant apicale d'azote formant un ligand tridentate potentiellement. L'une des caractéristiques clés de ces ligands particuliers est ainsi facile qu'ils peuvent être synthétisés par l'intermédiaire d'un phosphore à base de réaction de Mannich à partir de phosphines secondaires aisément disponibles (figure 1), les phosphines avec une variété de groupes R peuvent être préparés en général à des rendements élevés d'où et avec un minimum de travail-up. L'objectif global de cette méthodologie est de présenter un itinéraire facile par lequel complexes de ruthénium dihydrure comportant les ligands de N peut être consultée pour les applications catalytiques ultérieures. Récemment, des complexes à base de Ru-triphos ont attiré l'attention en tant que catalyseurs pour les réactions d'hydrogénation de la biomasse produits dérivés, tels que l'acide lévulinique, ^{19,20 11,21} bio-esters et de dioxyde de carbone supérieures à ²² produits chimiques de valeur. Il serait avantageuxd'élargir la portée des dérivés Ru-triphos qui sont soit en tant que, ou plus actif que les systèmes déjà déclaré, surtout si elles sont synthétiquement plus facile d'accès, tels que le ligand de la N. L'analogue centrée sur du carbone le plus étudié souffre généralement de faible rendement et de synthèse comprend des réactifs de phosphure métallique hautement sensibles à l'air, à la différence de ligand de la N, qui est plus souple et plus facile à préparer. ^18/10

Les ligands de N restent relativement sous-étudié, avec des complexes ne molybdène, tungstène, ruthénium, rhodium et d'or ayant été signalés dans neuf publications. Ceci est en contraste frappant avec les analogues du bore et centré-carbone, pour lesquels il existe environ 50 et 900 articles, respectivement, avec un grand nombre de composés uniques. Néanmoins, N -triphos contenant des complexes ont trouvé une application dans l'hydrogénation catalytique asymétrique des oléfines pro-chiraux ²³ que nousll cyclohydroamination comme asymétrique de N-protégé sulfamides γ-allényle. ²⁴ En outre, un complexe de ruthénium coordonné par le ligand d'un encombrant N avec phospholane coordination des fragments a été trouvé pour activer silanes, une étape clé dans le développement de la chimie du silicium. ²⁵

Dans le cadre du programme de recherche en cours dans la catalyse, nous avons cherché à préparer une gamme de ruthénium N de ^Ph les précatalyseurs et d'étudier leurs réactions stoechiométriques et le potentiel catalytique. Malgré complexes de molybdène de ^la N ^Ph ayant d'abord été rapporté il ya plus de 25 ans, à leur application catalytique ou autrement n'a pas été étudiée. Ce travail démontre l'applicabilité de l'échafaud de la N, qui, malgré étant généralement sous-développés, possèdent de nombreuses fonctions intéressantes telles que la stabilité du complexe. Nous rapportons ici la voie de synthèse et la caractérisation de laune série de complexes ^de ruthénium ^Ph N de qui peuvent trouver une application dans les réactions d'hydrogénation catalytique.

Protocole

Remarque: Effectuer toutes les synthèses dans une hotte, et seulement après que les questions de sécurité appropriées ont été identifiés et des mesures prises pour protéger contre eux. Équipement de protection individuelle comprend une blouse de laboratoire, des gants et des lunettes de sécurité et doit être porté en tout temps.

1. Synthèse de la N, N, (diphenylphosphinomethylene) de l'amine N, N (CH ₂ PPh _{2) 3} (de ^la N ^Ph) (1)

1. Pour 200 ml séché au four ballon de Schlenk ajouter diphényl chlorure (hydroxyméthylène) phosphonium ¹¹ (6,99 g, 24,7 mmol) et le lieu sous azote par trois cycles séquentiels vide-azote sur une ligne Schlenk collecteur double.
2. Ajouter du methanol dégazé (30 ml) et de triéthylamine (9,5 ml, 68,1 mmol) et agiter à TA pendant 1 heure pour assurer la conversion du sel de phosphonium de la phosphine hydroxymethene. Ensuite, ajouter la solution d'ammoniac dans le méthanol dégazé (2 M, 4,1 ml, 8,2 mmol).
3. Chauffer le mélange réactionnel pendant 2 heures au refluxAu cours de laquelle le ligand se précipiter sous forme de solide blanc.
4. Bien que la N ^Ph le ligand est stable à l'oxydation dans l'air sur de courtes périodes de temps, pour une pureté optimale, éliminer le solvant via une canule filtration ²⁶ sous azote, et rincer avec du méthanol dégazé (3 x 10 ml) pour obtenir un produit analytiquement pur et stocker sous une atmosphère d'azote.

2. Synthèse de [Ru (CO) ₂ {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ -κ P] (2)

1. Dans un ballon de Schlenk de 200 ml séché au four, ajouter -Triphos ^Ph N (1,0 g, 1,63 mmol) et de [Ru ₃ (CO) _12] (347 mg, 0,54 mmol), sous atmosphère d'azote et le lieu via trois cycles séquentiels vide-azote sur une ligne à collecteur double Schlenk.
2. Ajouter 30 ml de sec, le toluène dégazé et porter le mélange à reflux pendant 12 heures.
3. Après cette 12 h reflux, filtrer la solution via une canule à un deuxième flacon de Schlenk àenlever de petites quantités de ruthénium métallique qui forment au cours de la réaction.
4. Réduire le volume du solvant à environ 10 ml sous vide à l'aide d'une ligne à double collecteur de Schlenk muni d'un piège refroidi à l'azote liquide, pour induire la précipitation du complexe.
5. On recristallise le précipité en chauffant légèrement (80-90 ° C) dans un bain d'huile jusqu'à ce que la redissolution complète se produit, et le refroidissement lent subséquent à la température ambiante en retirant la chaleur du bain d'huile, mais permettant au ballon de Schlenk de rester submergé. Laissez O / N pour donner un solide cristallin orange.
6. Isoler les cristaux orange appropriés pour diffraction des rayons X par l'intermédiaire de la canule filtration du surnageant dans un autre ballon de Schlenk séché au four. Ensuite, rincer les cristaux avec du toluène sec et dégazé (2 x 5 ml) et sèche sous vide O / N. Enregistrer le surnageant et les lavages combinés dans un ballon de Schlenk séparé.
7. Obtenir un second lot de cristaux à partir du surnageant combiné et la solution de rinçages par un procédé de recristallisation similaire aux étapes 2,5 et 2,6 afin d'améliorer le rendement global de la réaction.
8. Stocker le complexe sous azote que l'exposition à l'air conduit à la conversion lente au complexe de carbonate oxydé (voir ci-dessous).

3. Synthèse du [Ru (CO ₃₎ (CO) {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ -κ P] (3)

1. Pour un ballon de Schlenk de 200 ml, ajouter 2 (280 mg, 0,364 mmol) et 5 ml de toluène pour générer une suspension orange partiellement dissous.
2. Insérer une aiguille fixée à un ballon d'oxygène dans la suspension et de bulles d'oxygène à un débit de 2 à 3 bulles par seconde à travers le mélange réactionnel pendant 10 min.
3. Comme il se forme un précipité orange, de les recueillir par filtration dans l'air et on l'a lavé avec du toluène (2 x 5 ml) et de l'éther diéthylique (2 x 5 ml) et on sèche sous vide pour donner une poudre à écoulement orange libre qui est stable à l'air.
4. Pour grandir des cristaux appropriés pour Diffr X-rayl'action, dissoudre 100 mg de 3 à 3 ml de dichlorométhane dans un flacon et la couche 3 ml de toluène sur le dessus en permettant lentement ce solvant afin de fonctionner sur le côté de la fiole.
   1. Laissez cette O / N pour obtenir des cristaux. Isoler les cristaux par décantation du surnageant, et le lavage du toluène (2 x 3 ml) et de l'éther diéthylique (2 x 3 ml). Sec sous vide sur un tube de Schlenk à double collecteur.

4. Synthèse du [Ru (H) ₂ (CO) {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ -κ P] (4)

1. Préparer une solution de 3 (763 mg, 0,953 mmol) dans 20 ml de sec, dégazé THF et les injecter dans 100 ml de réacteur à haute pression de l'ingénieur autoclave sous une pression positive (0,2 bar) d'azote.
2. Changez le gaz de l'espace de tête du réacteur à 100% d'hydrogène et sous pression à 15 bars à température ambiante, puis chauffer à 100 ° C sous agitation pendant 2 heures.
   Attention! Se assurer que toutes les procédures de sécurité ont été respectées lors de l'utilisation de hautsystèmes de pression!
3. Après refroidissement à TA, vent attentivement le gaz d'hydrogène en excès dans l'espace de tête du réacteur et modifier à l'azote.
4. Transvaser la solution de réaction à un ballon de Schlenk de 100 ml sous atmosphère d'azote et, après la reconnexion à un tube de Schlenk à collecteur double, filtre via une canule et dilué avec 20 ml de sec, dégazé methanol.
5. Enlever le solvant sous vide à l'aide d'une ligne à double collecteur de Schlenk muni d'un piège à azote liquide refroidi pour donner une poudre orange. Laver cette poudre orange avec sec, le methanol dégazé (3 x 5 ml) et on sèche, on dégaze l'éther diéthylique (3 x 5 ml) et on sèche sous vide.
6. Cultiver des cristaux appropriés pour l'analyse de diffraction des rayons X O / N à partir d'une solution de toluène saturé sec et dégazé de quatre couches avec une quantité de équivolumique sec, dégazé méthanol.
7. Rangez le complexe sous azote.

5. La réaction de [RuH ₂ (CO) {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ P -κ] (4) avec du NH ₄ PF ₆ et l'acide lévulinique

1. Préparer une solution de 4 (48,4 mg, 65,2 pmol) dans 2 ml de toluène dégazé anhydre dans un ballon de Schlenk séché à l'étuve, et ajouter via une seringue à une solution agitée de NH ₄ PF ₆ (10,6 mg, 65,0 umoles) dans de l'acétonitrile (2 ml) dans un four séparé ballon de Schlenk séché.
2. On agite le mélange réactionnel à température ambiante pendant 2 h. Après, éliminer le solvant sous vide en utilisant une ligne à collecteur double Schlenk muni d'un azote liquide refroidi piège pour donner l'intermédiaire complexe [RuH (CO) (MeCN) {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} -κ ³ P] ( 5).
3. Laver à sec, dégazé de l'hexane (3 x 3 ml) et on sèche sous vide pour isoler complexe 5 forme d'une poudre brune.
4. A une solution de 5 0,5 ml dégazé dans de _{l'acétone-d6,} ajouter de l'acide lévulinique (10,8 mg, 93,0 umol, 1,43 équiv.) Dans 0,5 ml de dégazé _acétone-d6. On agite le mélange réactionnel pendant 2 min à l'aideun agitateur à vortex.
5. Fiche ¹ H et ³⁰ P ^{1 H} de spectres RMN de la réaction toutes les heures pendant 16 heures pour observer la réaction. ²⁷

Résultats

Le N ^Ph le ligand (1) et la série complexe de ruthénium Ru (CO) ₂ {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} -κ ³ P] (2), [Ru (CO ₃₎ (CO) {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ -κ P] (3) et [Ru (H) ₂ (CO) {N (CH ₂ PPh _{2) 3}} ³ -κ P] (4) ont été caractérisés par ^une H, ¹³ C ^{1 H}...

Discussion

Ici, nous avons décrit des procédures de synthèse efficaces pour la synthèse d'un ligand tridenté de phosphine et d'une série de complexes du ruthénium. Le N de la ^Ph ligand (1) peut être facilement préparé avec un rendement élevé une procédure de travail-up minimaliste. Cette réaction de Mannich à base de phosphore utilisé pour la synthèse de ces types de ligands est tout à fait générale et peut être utilisé pour d'autres ligands qui se différencie...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Methanol			Obtained from in-house solvent purification system: Innovative Technology, inc "pure solv" drying tower. Stored in ampules over activated molecular sieves under nitrogen.
Toluene
Diethyl Ether
Tetrahydrofuran (THF)
Acetonitrile
d6-Acetone	VWR	VWRC87152.0011	Store in fridge
Triethylamine	Sigma-Aldrich	TO886-1L	Distilled and stored over activated molecular sieves under N2
2 M Ammonia solution in methanol	Sigma-Aldrich	341428-100ML	Solution comes in a "Sure-Seal" bottle
NH4PF6	Sigma-Aldrich	216593-5G	Store in desiccator
Levulinic Acid	Acros Organics	125142500	Solid but melts close to room temperature
3 Å Molecular sieves	Alfa Aesar	LO5359	Activate by heating over night under vacuum
Schlenk flasks	GPE	Custom design
Dual-manifold Schlenk line	GPE	Custom design	Dual-manifold of i) N2 that has been passed through a silica drying column and ii) vacuum.
Rotary vacuum pump	Edwards	RV3 A652-01-903
100 ml Autoclave Engineer's high pressure reactor	Autoclave Engineer	Custon design
Vortex Stirrer	VWR	444-1378