Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
АКТИВАЦИЯ АЛКЕНОВ И АЛКИНОВ
1. π-Комплексы алкенов и алкинов
Превращения олефинов и ацетиленов относятся к важнейшим реакциям основного органического синтеза. Как правило, эти превращения включают активацию π-лигандов в π-комплексах переходных металлов. Фактически, в рамках тех понятий и терминов, которые мы обсуждаем, π-комплексы являются первичными комплексами.
π-Комплексы моноолефинов, сопряженных и несопряженных диолефинов и ацетиленов известны почти для всех переходных металлов. При этом встречаются моно-, би- и полиядерные соединения. Известны также соединения, содержащие 2, 3 и даже 4 молекулы олефина на атом металла, например, AcacRh(C2H4)2, Ni(C2H4)3 и Ir(C2H4)4Cl.
В ацетиленовых π-комплексах состава Mm(C2R2)n соотношение m/n меняется весьма широко. Например, известны комплексы состава Co4(CO)10(C2H2), Pt(C2R2)2, W(CO) (C2R2)3.
Координация всех π-лигандов сопровождается более или менее значительными изменениями их физических характеристик – понижается частота валентных колебаний кратных связей, увеличивается длина связей С-С, изменяются величины валентных углов.
Природа химической связи в π-комплексах переходных металлов имеет много общего. Рассмотрим основные положения на примере π-комплексов олефинов и ацетиленов.
Молекула этилена по величине потенциала ионизации не отличается от молекулы аммиака (IC2H4 = 10.5 эв). Донорные свойства ацетилена выражены несколько слабее (IC2H2 = 11.4 эв). В ацетилене, однако, нижние вакантные МО лежат ниже, чем у этилена, поэтому молекула ацетилена характеризуется более выраженными акцепторными свойствами.
Представления о природе связи в π-комплексах базируются на идеях Дьюара, Чатта и Данкансона, развитых более полувека назад. Модель Дьюара-Чатта-Данкансона, несмотря на ее упрощенность, может быть положена в основу концепции активации π-лигпндов в комплексах переходных металлов.
Рассмотрим, например, соль Цейзе KPtCl3(C2H4). Молекула этилена занимает координационное место в плоско-квадратном комплексе PtCl42-, вытесняя ион хлора:
Гибридная орбиталь Pt(II) (например, dsp2-орбиталь) перекрывается с π-МО этилена, образуя трехцентровую двухэлектронную связь (донорно-акцепторная компонента связи). Гибридные заполненные 6dp-орбитали платины взаимодействуют с разрыхляющей π*-МО олефина, образуя вторую трехцентровую двухэлектронную связь (дативная компонента связи). В общем виде эти ситуация представлена на диаграмме:
Обе трехцентровые связи вносят вклад в повышение прочности связи M-C2H4. Однако эти компоненты по разному влияют на свойства координированного π-лиганда.
В частности, образование дативной связи увеличивает заселенность разрыхляющей орбитали π-лиганда, что приводит к сильной дестабилизации координированной молекулы. Соотношение двух компонент связи металл-лиганд будет зависеть от свойств центрального атома, других лигандов и заместителей в молекуле π-лиганда. По степени изменения свойств π-лиганда все π-комплексы делятся на две группы.
I тип – π-комплексы, в которых изменение π-лиганда носит характер слабого возмущения.
II тип – π-комплексы, в которых сильно меняются порядок связи С-С и валентные углы.
Комплексы I типа обычно образуются металлами в высоких степенях окисления, связанных с электроотрицательными лигандами. Комплексы II типа образуют металлы в низких степенях окисления, связанные с мягкими основаниями. Так, например, соль Цейзе – K[PtCl3(C2H4)] – является примером комплекса I типа, а соединение (Ph3P)2Pt(C2H4) – примером комплекса II типа (см. данные таблицы).
|
Комплекс |
Тип |
ΔνС=С, см-1 |
LC=C, Ǻ |
Положение С=С |
|
K[PtCl3(C2H4)] (Ph3P)2Pt(C2H4) |
I II |
118 > 200 |
1.37 1.43 |
Перпендикулярно пл. PtCl3 В плоскости Pt(PPh3)2 |
В комплексах c сильными электроотрицательными π-лигандами длины связей С-С приближаются к длине простой связи С-С в алканах. Например, в комплексе L2Pt(C2F4) длина связи С-С составляет 1.54 Ǻ, т.е. двойная связь по существу превращается в одинарную. Значения химсдвигов 19F и констант спин-спинового взаимодействия в спектре ЯМР комплекса также хорошо объясняются “циклопропановой” структурой.
Т.о., взаимодействие сильного донора L2Pt (0) с сильным акцептором C2F4 приводит к существенному переносу d-электронов на π-лиганд и образованию металлоцикла. Происходит окислительное присоединение π-лиганда к Pt(0) с образованием Pt(II) и аниона C2F42-.
Особенно отчетливо различие двух групп π-комплексов можно проследить в случае ацетиленовых лигандов (см. таблицу).
|
Комплекс |
Тип |
ΔνС=С, см-1 |
LC=C, Ǻ |
Положение С=С |
|
(Bu2C2PtCl2L* (Ph2C2)Pt(PPh3)2 |
I II |
200 490 |
1.27 1.36 |
Перпендикулярно пл. PtCl3 В плоскости Pt(PPh3)2 |
2. ПУТИ АКТИВАЦИИ АЛКЕНОВ
Наиболее характерной реакцией π-комплексов олефинов, относящихся к I типу, является реакция с нуклеофильными реагентами.
Нуклеофильный реагент часто атакует π-комплекс со стороны, противоположной металлу (транс-присоединение), образуя σ-металлоорганическое соединение:
В качестве нуклеофилов могут выступать анионные карбонилметаллаты, образуя σ-металлоорганические соединения с мостиковым этиленом:
(π-C5H5)(CO)3M(π-C2H4) + Re(CO)5- → (π-C5H5)(CO)3MCH2CH2Re(CO)5
M = Mo, W
Поляризация молекулы олефина в π-комплексе может приводить к смещению электронов в группах, соседних с С=С – связью, что проявляется, например, в образовании π-аллильных комплексов:
В π-комплексах II типа характер реакционной способности кратной связи меняется. π-Лиганд становится способным взаимодействовать с электрофильными реагентами, например в соответствии со схемой:
Более характерными для π-комплексов II типа являются реакции, связанные с общим разрыхлением всей молекулы из-за переноса электронов на олефин. К таким реакциям следует отнести реакции циклообразования, внедрения по связи металл-металл, окислительного присоединения или замещения по связи =С-Х (где X = H, Cl, F).
Например:
Или
(CO)4Co-Co(CO)4 + CF2=CF2 → (CO)4Co- CF2CF2-Co(CO)4
Иногда активация олефина в π-комплексах II типа настолько лабилизирует связи в π-лиганде, что становится возможным разрыв связей С-Н при двойной связи и в соседней с двойной связью метильной группе, приводящий к продуктам окислительного присоединения:
Os3(CO)12 + C2H4 → H2Os3(C=CH2)(CO)9 + 3CO
3. ПУТИ АКТИВАЦИИ АЛКИНОВ
В ацетиленовых комплексах I типа (Ag(I), Cu(I), Hg(II), Pt(II), Pd(II), Ru(III) и др.) повышение электрофильности тройной связи приводит к облегчению взаимодействия с нуклеофильной частицей из раствора (транс-присоединение) или нуклеофилом, координированным металлом (цис-внедрение):
Основные реакции π-комплексов I типа довольно удачно промоделированы на комплексах Pt(II):
Образующийся катионный π-комплекс способен превращаться по нескольким направлениям:
В π-комплексах II типа в первую очередь сильно разрыхляется тройная связь углерод-углерод и связь C-X при тройной связи. Так, активация связи С-Н в π-комплексах Ni(0), Pt(0), Os(0) или Rh(I) приводит к окислительному присоединению с образованием этинилгидридного комплекса металла:
Вторая характерная реакция для π-комплексов II типа – это реакция циклообразования, причем в состав получающегося металлоцикла входят уже две молекулы алкина:
Металлоциклопентадиены из алкинов получены в реакциях комплексов Pt(0), Pd(0), Co(I), Fe(0), Rh(I), Ir(I) и Ti(II).
Активация полярных молекул
Полярные молекулы НХ, где Х – ОН, OR, Hal, CN, NH2, NR2, NHR, SR и др. активируются по механизму, близкому к механизму активации апротонными кислотами. Образование донорно-акцепторной связи между донорным атомом полярной молекулы и комплексом переходного металла, имеющим вакантные орбитали, приводит к ослаблению связи Н – Х. Ослабление связи H-X при координации этих молекул подтверждается, как правило, данными ИК-спектров координированных молекул. При этом в образующемся комплексе происходит смещение σ-пары электронов донорных атомов O, N или S к иону металла, обладающему акцепторными свойствами. Молекула лиганда поляризуется, что приводит к ее ионизации и облегчает диссоциацию (в полярных растворителях):
Смещение электронов и ослабление связи Х-Н при координации подтверждается данными ИК-спектров координированных молекул. Например, координация RNH2 в комплексах с PtCl2 приводит к понижению νN-H (на 80-100 см-1).
В результате повышается способность связи Н-Х к гетеролитической диссоциации с передачей протона на другой субстрат или его окислительному присоединению к переходному металлу (в зависимости от степени окисления металла и состояния его внутренней координационной сферы).
HX + MLn —→ H--X→MLn-1 + L
Даже такие слабые кислоты, как молекула аммиака или аминов, легко депротонируются в водных или неводных средах в координационной сфере переходных металлов:
TiCl4 + 6NH3 → TiCl(NH2)3 + 3 NH4Cl
Или
Pt(NH3)X5- + H2O → Pt(NH3)X52- + H3O+
В результате в комплексе металла появляется фрагмент молекулы HX (например, NH2), реакционная способность которого, конечно, ниже, чем свободного иона NH2-, но концентрация которого на много порядков выше, чем в отсутствие комплексообразователя.
Константа диссоциации ацетонитрила HCN, например, составляет 10-10. Образование комплексов с металлами позволяет существенно повысить концентрацию группы M-CN.
Так, при взаимодействии HCN с полиядерными комплексами меди(I)
CumCln(n-m)- + HCN → ClnCum-1(CuCN) + HCl
концентрация CuCN в растворе может достигать 15% вес. Координированный анион CN может далее участвовать в различных реакциях:
Для катализа особенно важны две последние реакции. Последняя реакция приводит к образованию изосинильной кислоты, способной внедряться по связи M-X.
Рекомендуемая литература