Высокоэффективные катализаторы дегидрирования диметиламин-борана на основе полусэндвичевых иминофосфонамидных комплексов родия
- Авторы: Некрасов Р.И.1, Пеганова Т.А.1, Кальсин А.М.1, Белкова Н.В.1
-
Учреждения:
- Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
- Выпуск: Том 50, № 6 (2024)
- Страницы: 394-401
- Раздел: Статьи
- URL: https://bakhtiniada.ru/0132-344X/article/view/269424
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0132344X24060053
- EDN: https://elibrary.ru/MVDOVM
- ID: 269424
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Изучено дегидрирование диметиламин-борана (ДМАБ), катализируемое иминофосфонамидными комплексами родия(III) [Cp*RhCl{Ph2P(N–p-Tol)(NR)}] (Iа, R = p-Tol; Ib, R = Me), а также образующимися из них in situ фульвеновыми [(η4-C5Me4CH2)Rh(NPN)] (IIa, IIb) и диеновыми [(η4-C5Me5H)Rh(NPN)] (IIIa, IIIb) комплексами родия(I). Наиболее активными оказались катализаторы IIIa, IIIb, демонстрируя в толуоле при 40°С активность TOF 110 (IIIа) и 540 ч–1 (IIIb). В более полярном и координирующем ТГФ их активность значительно снижается. В то же время скорость дегидрирования ДМАБ комплексами Iа, Ib в 10–30 раз ниже, а фульвеновые комплексы IIa, IIb после активного начального периода (<20% конверсии) быстро дезактивируются. Кинетические исследования показали, что реакция имеет первый порядок по субстрату и по катализатору. Модельные ЯМР 11В эксперименты подтверждают, что реакция протекает через промежуточное образование мономера Me2N=BH2, который быстро димеризуется в (Me2N–BH2)2. На основании предварительных данных ЯМР 31Р и литературных сведений предположен механизм дегидрирования ДМАБ с образованием нестабильного гидридного интермедиата [Cp*RhH{Ph2P(N–p-Tol)(NR)}] (IVa, IVb).
Ключевые слова
Полный текст
Амин-бораны RR´NH · BH3 рассматриваются как соединения для химического хранения водорода, а также как соединения-предшественники для создания BN-керамики и новых полимерных материалов — так называемых неорганических полимеров [1–5]. Каталитическое дегидрирование — дегидросочетание и дегидрополимеризация — амин-боранов являются предметом активных исследований, поскольку разработка надежных, устойчивых и управляемых процессов остается во многом нерешенной задачей. Множество разработанных катализаторов дегидрирования действуют, в том числе посредством различных механизмов взаимодействия металл–лиганд [6–13], и в литературе продолжают появляться новые комплексы [14–16]. Обратимое переключение между различными режимами координации, обнаруженное в этих соединениях, показывает разнообразные варианты активации и образования полярных и неполярных связей как путем последовательности окислительного присоединения / восстановительного элиминирования, так и без изменения степени окисления центрального атомы металла.
В настоящей работе представлены предварительные результаты дегидрирования диметиламин-борана (ДМАБ, Me2NH–BH3), катализируемого иминофосфонамидными комплексами родия(III) [Сp*RhCl(NPN)] (Ia, NPN = Ph2P(N–p-Tol)2; Ib, NPN = Ph2P(N– p-Tol)(NMe)), а также получающимися in situ комплексами родия(I) – фульвеновыми комплексами [(η4-C5Me4CH2)Rh(NPN)] (IIa, IIb) и предположительно диеновыми комплексами [(η4-C5Me5H)Rh(NPN)] (IIIa, IIIb).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Все эксперименты проводили в атмосфере аргона с использованием техники Шленка в растворителях, очищенных стандартными методами. Спектры ЯМР 1H, 31P{1H} и 11B{1H} регистрировали на спектрометрах Bruker AMX 400 и Varian iNova 400. Химические сдвиги в спектрах ЯМР указаны в значениях м.д. (δ) относительно тетраметилсилана в качестве внутреннего стандарта (спектры ЯМР 1H), 85% H3PO4 и BF3 · OEt2 в качестве внешнего стандарта (спектры ЯМР 31P и 11B соответственно). Дейтерорастворители C6D6 и толуол-d8 перед использованием сушили от следов влаги и кислорода воздуха над бензофенон-кетилом натрия. Комплексы [Cp*RhCl2]2 [17] и [Сp*RhCl(NPN)] (Ia, Ib) [18] получали по известным методикам. ДМАБ приобретали в Sigma-Aldrich и дополнительно очищали возгонкой в вакууме. Гексаметилдисилазид натрия Na[N(SiMe3)2синтезировали по методике [19].
Каталитические исследования проводили в стандартном эксперименте. Предварительно приготовленный раствор ДМАБ (0.163 М в толуоле, 1.85 мл, 0.30 ммоль) переносили в двугорлую круглодонную колбу на 30 мл, снабженную трехходовым клапаном и плотно прилегающей резиновой септой. Смесь термостатировали при 40°С. Необходимое количество катализатора (1–4 мол. %, 3–12 мкмоль) переносили в раствор ДМАБ при перемешивании либо в твердом виде (Ia, Ib), либо шприцем свежеприготовленный раствор IIa, IIb или IIIa, IIIb (0.025 M в толуоле, 0.24 мл). Мониторинг выделения водорода из ДМАБ проводили с помощью прибора Man on the Moon 203 X102 kit, соединенного посредством беспроводной сети к программному обеспечению, которое выводило на компьютер в режиме online зависимость давления от времени в течение 2–6 ч [10]. Время начинали отсчитывать с момента введения катализатора. Конечные кинетические данные реферировали с учетом давления толуола в холостом эксперименте при 313 К и использовали при расчете количества эквивалентов Н2. Расчет выполняли в приближении идеального газа (pV = nRT).
Синтез in situ [(η4-C5Me4CH2)Rh{Ph2P(N–p-Tol)(NR)}] (IIa, R = p-Tol; IIb, R = Me). В сосуде Шленка суспендировали хлоридный комплекс Iа (Ib) (15 мкмоль) в 0.55 мл толуола, затем по каплям добавляли раствор NaHMDS (0.38 M в толуоле, 40 мкл, 15 мкмоль) и перемешивали 15 мин. Далее свежеприготовленный in situ раствор IIa (IIb) использовали в каталитических экспериментах в течение 2–4 ч.
Синтез in situ катализатора IIIa (IIIb). В сосуде Шленка суспендировали хлоридный комплекс Iа (75 мг, 110 мкмоль) в 3 мл толуола, затем по каплям добавляли раствор NaBHEt3 в ТГФ (110 мкл, 1.0 М, 110 мкмоль) при –20°С, смесь перемешивали 15 мин и отогревали до комнатной температуры. Желто-зеленый раствор упаривали досуха и сушили 15 мин в вакууме масляного насоса без нагревания. Сухой остаток растворяли в 4.4 мл толуола для приготовления 0.025 М раствора IIIa, IIIb для использования в каталитических экспериментах. NMR 31P (C6D6): IIIa — 40.4 м.д. (д., JPRh = 13.4). IIIb — 47.2 м.д. (д., JPRh = 13.1).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В недавнем исследовании Nozaki была показана активность бипиридильных комплексов [Cp*Rh(Bipy)(THF)](OTf)2 в каталитическом дегидрировании ДМАБ и высказано предположение об участии гидридных Cp*Rh(III)H и η4-циклопентадиеновых комплексов родия(I) в качестве интермедиатов каталитического цикла [20]. Недавно нами было показано, что взаимодействие иминофосфонамидных комплексов родия(III) [Cp*RhCl{Ph2P(N–p-Tol)(NR)}] (Iа, Ib) с основанием в изопропаноле не приводит к ожидаемым гидридным комплексам [Cp*RhH{Ph2P(N–p-Tol)(NR)}] (IVа, R = p-Tol; IVb, R = Me), а дает фульвеновые комплексы [(η4-С5Me4CH2)Rh{Ph2P(N–p-Tol)(NR)}] (IIа, IIb) [18]. Мы предприняли попытку синтеза гидридов Rh(III) IVа, IVb с использованием NaHBEt3, которые в условиях синтеза дают продукт перегруппировки IIIa, IIIb, и протестировали полученные комплексы III, а также комплексы I, II в дегидрировании ДМАБ.
При обработке суспензии Ia, Ib в толуоле или ТГФ раствором NaHBEt3 (ТГФ) при пониженной температуре происходит образование новых комплексов IIIa, IIIb. В спектре ЯМР 31Р новых соединений наблюдается дублет при 40.4 (IIIа) и 47.2 м.д. (IIIb) с характерной большой константой JPRh = 13.1–13.4 Гц. Так, для иминофосфонамидных комплексов родия(III) константа JPRh не превышает 9 Гц и коррелирует в первую очередь с величиной хелатного угла NRhN (68°–69°). Наблюдаемая для IIIa, IIIb величина JPRh характерна для иминофосфонамидных комплексов родия(I) IIa, IIb (JPRh = 13.6–13.8 Гц) и для 16ē комплексов [Сp*Rh(NPN)]+(PF6–) (Va, Vb) (JPRh = 13.0–14.4 Гц) [18], в которых угол NRhN значительно шире (около 72°). Также в спектре ЯМР 1H (C6D6) комплекса IIIa наблюдается два типа метильных групп Ср*-кольца при 2.20 м.д. (с, 6H) и 0.90 (c, 6H) и один дублет от метильной группы половинной интенсивности при 2.06 м.д. (d, 3JHH = 6.8, 3H), которая спин-спиново связана с квартетом при 1.64 м.д. (кв, J = 6.8, 1Н). При этом NPN-лиганд в IIIа является симметричным и представлен одним набором сигналов от п-толильных заместителей при 2.22 (с, 6H, MeTol) и 6.95 м.д. (с, 8H, HTol), а сигналы от Ph-колец наблюдаются в виде двух сильно уширенных горбов при 7.8–8.2 (4H) и 7.0–7.3 м.д. (6H). По-видимому, эти комплексы являются диеновыми комплексами родия(I) [(η4-C5Me5H)Rh(NPN)] (cхема 1). Комплексы IIIa, IIIb образуются в виде единственного изомера, однако, спектры ЯМР не позволяют однозначно определить эндо-Н или экзо-Н конфигурацию диенового лиганда. Все попытки выделить в чистом виде IIIa, IIIb оказались безуспешны ввиду их высокой чувствительности к следам влаги или воздуха, поэтому эти соединения получали только in situ без выделения, однако для каталитических экспериментов требовалась смена растворителя с полным удалением следов ТГФ (см. далее).
Схема 1. Синтез комплексов IIа, IIb и IIIa, IIIb.
При взаимодействии Iа, Ib с NaHBEt3, по-видимому, первоначально образуются гидридные комплексы IVа, IVb, затем перегруппировывающиеся в IIIa, IIIb. К сожалению, зафиксировать гидридные сигналы методом ЯМР не удалось даже при –20°С по причине высокой скорости перегруппировки. Подобная перегруппировка наблюдалась ранее для ареновых иминофосфонамидных комплексов рутения, в которых удалось охарактеризовать гидридные комплексы [(η6-арен)RuH(NPN)] и η5-циклогексадиенильные продукты [(η5-аренH)Ru(NPN)] внутримолекулярной атаки гидридного лиганда по η6-ареновому кольцу, приводящей исключительно к эндо-Н комплексам [21].
Комплексы Ia, Ib, IIa, IIb и IIIa, IIIb (4 мол. %) были изучены в качестве катализаторов процесса дегидрирования ДМАБ при 40°С в толуоле и ТГФ. В толуоле η4-циклопентадиеновые комплексы IIIa, IIIb демонстрируют очень высокую активность в этом процессе, достигая TOF 110 (IIIа) и 540 ч–1 (IIIb), и реакция заканчивается менее чем за полчаса (рис. 1). В обоих случаях реакция проходит полностью с выделением 1 экв. H2. Однако использование более полярного и координирующего растворителя ТГФ снижает активность катализаторов почти на порядок, и полная конверсия не достигается даже через 3 ч. Важно отметить, что более основный атом азота в IIIb значительно (в 5 раз) увеличивает начальную активность катализатора (<30% конверсии) как в толуоле, так и в ТГФ. Наблюдаемые активности на порядок выше найденных ранее для Cp*Rh(III) комплексов c ê1-N-пиразолатными (TOF 28 ч–1 при 45°С) [22] и 2,2´-бипиридиновыми (TOF 52 ч–1 при 50°С) [20] лигандами и сопоставимы с производительностью наиболее активных катализаторов [(Ph2P(CH2)nPPh2)Rh(H3B–NR3)] (TOF 1250 ч–1 при 25°С) [23] и fac-[(CO)3(бис(NHC))MnBr] (TOF 1200 ч–1 при 60°С) [24] .
Рис. 1. Дегидрирование ДМАБ, катализируемое комплексами IIIa, IIIb в толуоле и ТГФ. Условия: Т = 40°С, [Rh] = 5.8 мМ, [ДМАБ] = 0.145 М, Vр-ра = 2.1 мл.
В то же время каталитические свойства в толуоле соответствующих хлоридных комплексов Ia, Ib и фульвеновых комплексов IIa, IIb оказались многократно хуже, чем у IIIa, IIIb (рис. 2): комплексы Ia, Ib в 10–30 раз менее активны (TOF 25–30 ч-1), а фульвеновые комплексы IIa, IIb быстро дезактивируются уже при конверсии ~20%, несмотря на высокую начальную активность.
Рис. 2. Дегидрирование ДМАБ, катализируемое комплексами Ia, Ib и IIa, IIb в толуоле, в сравнении с IIIa, IIIb. Условия: Т = 40°С, [Rh] = 2.9 мМ, [ДМАБ] = 0.145 М, Vр-ра = 2.1 мл.
Исследования кинетики реакции были проведены с варьированием концентрации IIIb при постоянной начальной концентрации ДМАБ (рис. 3). Реакция имеет первый порядок по ДМАБ и по катализатору, найденная при этом константа скорости второго порядка k2 = 0.54 M–1 с–1 при 40°С.
Рис. 3. Дегидрирование ДМАБ (0.145 М), катализируемое комплексом IIIb при 40°С в толуоле в зависимости от концентрации катализатора: кинетические кривые первого порядка (слева) и зависимость kнабл от [Rh].
На примере комплекса IIIа была изучена кинетика дегидрирования ДМАБ с мониторингом продуктов реакции методом ЯМР 11B (рис. 4), которая подтверждает первый порядок реакции по субстрату (рис. 5). При этом в результате реакции ожидаемо получается димер (Me2N–BH2)2 (δВ = 5.2 м.д.) с первоначальным накоплением небольших количеств мономера Me2N=BH2 (δВ = 38.1 м.д.), что свидетельствует о димеризации Me2N=BH2 вне координационной сферы атома металла (так называемого off-metal dimerization). В результате была получена константа скорости второго порядка k2 = 0.065 М–1 с–1 при 18°С (рис. 5).
Рис. 4. Кинетика дегидрирования ДМАБ (0.085 М, δВ = 13 м.д.), катализируемого комплексом IIIа (0.008 М) при 18°С в толуоле-d8. Изменения спектра ЯМР 11В смеси.
Рис. 5. Графики изменения относительных концентраций борсодержащих продуктов реакции (слева) и кинетическая кривая первого порядка с расчетом наблюдаемой константы скорости реакции (справа). Условия, как на рис. 4.
Предварительное исследование эволюции комплекса IIIа в процессе катализа методом ЯМР в толуоле-d8, к сожалению, не дало возможности зафиксировать интермедиаты. Сразу же после добавления ДМАБ к раствору катализатора сигнал IIIа исчезает, и никаких новых сигналов не появляется, что, по-видимому, свидетельствует о быстрых для метода ЯМР превращениях промежуточно образующихся комплексов. После окончания катализа в спектре ЯМР 31Р наблюдаются только два сигнала, относящихся к исходному комплексу IIIа (дублет при δP = 40.4 м.д.) и новому неидентифицированному комплексу с сигналом при δP = 37.7 м.д.
Дополнительные эксперименты показали, что комплекс IIIа не реагирует с Me3N · BH3 (ТМАБ), т.е. наличие кислого атома водорода необходимо для инициации каталитического цикла. В недавнем исследовании каталитического дегидрирования ДМАБ бипиридильными комплексами Cp*Rh(III) был предложен механизм с содействием Cp*-лиганда, участвующего в переносе ионов водорода от атома металла с трансформацией в лиганд η4-С5Me5H [20]. Вероятно, предложенный механизм каталитического дегидрирования ДМАБ бипиридильными комплексами Cp*Rh(III) с содействием Cp*-лиганда, участвующего в переносе Rh–H от атома металла с трансформацией в лиганд η4-С5Me5H [20], реализуется и для IIIa, IIIb. На первой стадии происходит координация ДМАБ кислым NH-протоном к нуклеофильному атому родия(I) с образованием диводородной связи B–H···H–CCp* между координированным ДМАБ и протоном лиганда η4-С5Me5H, а последующий перенос протона приводит к выделению H2 и образованию гидридных комплексов [Cp*RhH(NPN)] (IVa, IVb) (cхема 2). Следует отметить, что данный механизм может реализоваться только для эндо-Н изомера комплексов IIIa, IIIb, образующихся, по-видимому, в результате внутримолекулярной перегруппировки гидридных интермедиатов IVa, IVb.
Схема 2. Предполагаемая изомеризация IIIa в IVa под действием ДМАБ, сопровождаемая переносом атома водорода от Сp*H к атому Rh и выделением H2.
В заключение отметим, что иминофосфонамидные комплексы родия, исследованные в данной работе, проявляют высокую активность в каталитическом дегидрировании модельного субстрата — ДМАБ. Наибольшей активностью (на порядок больше полусэндвичевых комплексов родия, описанных ранее в литературе) обладают катализаторы, полученные in situ действием NaHBEt3 на хлоридные комплексы Ia, Ib, и являющиеся, по данным ЯМР, η4-циклпентадиеновыми комплексами IIIa, IIIb. Для выяснения деталей механизма, объясняющего столь высокую активность именно для иминофосфонамидных комплексов родия, нами будут предприняты дополнительные исследования, включающие модельные ЯМР-эксперименты и квантово-химические расчеты.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность ЦКП ИНЭОС РАН “Центр Исследования строения молекул“, действующему при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, за предоставление доступа к оборудованию для измерения спектров ЯМР.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-13-00459П).
Об авторах
Р. И. Некрасов
Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
Email: nataliabelk@ineos.ac.ru
Россия, Москва
Т. А. Пеганова
Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
Email: nataliabelk@ineos.ac.ru
Россия, Москва
А. М. Кальсин
Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
Email: nataliabelk@ineos.ac.ru
Россия, Москва
Н. В. Белкова
Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: nataliabelk@ineos.ac.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Colebatch A.L., Weller A.S. // Chem. Eur. J. 2019. V. 25. P. 1379. https://doi.org/10.1002/chem.201804592
- Staubitz A., Robertson A.P.M., Manners I. // Chem. Rev. 2010. V. 110. p. 4079. https://doi.org/10.1021/cr100088b
- Du V.A., Jurca T., Whittell G.R., Manners I. // Dalton Trans. 2016. V. 45. P. 1055. https://doi.org/10.1039/C5DT03324A
- Resendiz-Lara D.A., Stubbs N.E., Arz M.I. et al. // Chem. Commun. 2017. V. 53. P. 11701.
- Kumar A., Daw P., Milstein D. et al. // Chem. Rev. 2022. V. 122. P. 385. https://doi.org/ 10.1021/acs.chemrev.1c00412
- Alig L., Fritz M., Schneider S. et al. // Chem. Rev. 2019. V. 119. P. 2681. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00555
- Glüer A., Förster M., Celinski V. R. et al. // ACS Catal. 2015. V. 5. P. 7214. https://doi.org/10.1021/acscatal.5b02406
- Luconi L., Osipova E. S., Giambastiani G. et al. // Organometallics. 2018. V. 37. P. 3142. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00488
- Todisco., S., Luconi., L., Giambastiani., G et al. // Inorg. Chem. 2017. V. 56. P. 4296. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6b02673
- Titova. E.M., Osipova. E.S., Pavlov. A.A. et al. // ACS Catal. 2017. V. 7. P. 2325. https://doi.org/10.1021/acscatal.6b03207
- Sewell L.J., Huertos M.A., Dickinson M.E. et al. // Inorg. Chem. 2013. V. 52. P. 4509. https://doi.org/10.1021/ic302804d
- Johnson H.C., Leitao E.M., Whittell G.R. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2014. V. 136. P. 9078. https://doi.org/10.1021/ja503335g
- Douglas T.M., Chaplin A.B., Weller A S. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131. P. 15440. http://dx.doi.org/10.1021/ja906070r
- Kirkina V.A., Osipova E.S., Filippov O.A. et al. // Mendeleev Commun. 2020. V. 30. P. 276. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2020.05.004
- Brodie C.N., Sotorrios L., Boyd T.M. et al. // ACS Catal. 2022, vol. 12. P. 13050. https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03778
- Brodie C.N., Boyd T.M., Sotorríos L. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2021. V. 143. P. 21010. https://doi.org/10.1021/jacs.1c10888
- White C., Yates A., Maitlis P.M. et al. // Inorg. Synth. 1992. V. 29. P. 228. https://doi.org/10.1002/9780470132609.ch53
- Nekrasov R.I., Peganova T.A., Fedyanin I.V. et al. // Inorg. Chem. 2022. V. 61. P. 16081. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c02478
- Kruger C.R., Niederprum H. // Inorg. Synth. 1966. V. 8. P. 15.
- Pal S., Kusumoto S., Nozaki K. // Organometallics. 2018. V. 37. P. 906. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.7b00889
- Sinopalnikova I.S., Peganova T.A., Belkova N.V. et al. // Eur. J. Inorg. Chem. 2018. V. 2018. P. 2285. https://doi.org/10.1002/ejic.20170134423
- Pal S., Iwasaki T., Nozaki K. // Dalton Trans. 2021, V. 50. P. 7938. https://doi.org/10.1039/D1DT01705E
- Dallanegra R., Robertson A.P.M., Chaplin A. B. et al. // Chem. Commun. 2011. V. 47. P. 3763. https://doi.org/10.1039/C0CC05460G
- Gulyaeva E.S., Osipova E.S., Kovalenko S.A. et al. // Chem. Sci. 2024. V. 15. P. 1409. https://doi.org/10.1039/D3SC05356C
Дополнительные файлы
