КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-13-00801

НазваниеАктивация EH связей (E = C, N, O, B, металл) и превращения малых молекул в координационной сфере переходных металлов в реакциях гидрирования/дегидрирования

РуководительБелкова Наталия Викторовна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2014 г. - 2016 г.  , продлен на 2017 - 2018. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-102 - Синтез, строение и реакционная способность металло- и элементоорганических соединений

Ключевые словакомплексы переходных металлов, молекулярная спектроскопия, межмолекулярные взаимодействия, диводородная связь, механизмы реакций, гидрирование, дегидрирование, кинетика, термодинамика

Код ГРНТИ31.21.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Создание и развитие устойчивой экономики, основанной на эффективном использовании новых экологически безопасных источников энергии и синтетических процессов, во многом базируются на использовании водорода как эффективного источника энергии и комплексов переходных металлов как катализаторов разнообразных процессов. Установление механизмов различных процессов и управляющих ими факторов является актуальной проблемой современной элементоорганической и физической химии, а её решение выводит понимание природы исследуемых явлений на новый уровень и создает фундаментальную базу для решения актуальных практических задач. Новизна поставленной в проекте задачи исследования активации EH связей (X = C, N, O, B, металл) в координационной сфере полифункциональных комплексов переходных металлов заключается в рассмотрении нековалентных внутри- и межмолекулярных взаимодействий как «мягкого» способа активации связи и ключевой стадии процессов каталитического гидрирования кратных связей и дегидрирования/дегидросочетания спиртов, аминоборанов и др. с использованием новых металлокомплексов. Перечисленные процессы дают возможность получения разнообразных продуктов, важных с фундаментальной и практической точек зрения, и подразумевают участие водорода, гидридов переходных металлов и главных групп. Разные типы металлокомплексов обладают своими особенностями и нередко общепринятые механизмы неприменимы к новым металлокомплексам, что обуславливает необходимость детального исследования их структуры и реакционной способности, так же как и механизма действия. Предлагаемый в данном проекте комплексный подход базируется на использовании методов молекулярной спектроскопии (ИК, УФ-видимая и мультиядерная ЯМР спектроскопия) в широком диапазоне температур (140-310 К) в сочетании с квантово-химическими расчетами различного уровня и уделяет особое внимание постадийному исследованию процессов. Наличие нескольких кислотно-основных центров в полифункциональных металлокомплексах дает возможность разнообразных внутри- и межмолекулярных взаимодействий, что может приводить к различным механизмам реакций за счет изменения структуры наиболее энергетически предпочтительных интермедиатов на первой стадии процесса и энергии и структуры переходных состояний. Для выполнения проекта планируется исследование структуры и динамики новых металлокомплексов, установление условий образования и структуры интермедиатов реакций гидрирования и дегидрирования различных субстратов в присутствии гидридных или боргидридных комплексов переходных металлов, получение термодинамических и активационных параметров различных стадий реакций экспериментальными и теоретическими методами.

Ожидаемые результаты
Задачей проекта является исследование активации EH связей (E = C, N, O, B, металл) в координационной сфере полифункциональных комплексов переходных металлов за счет нековалентных внутри- и межмолекулярных взаимодействий как ключевой стадии процессов гидрирования кратных связей и дегидрирования/дегидросочетания спиртов, аминоборанов и др., получения и расщепления водорода. Ожидаемые результаты проекта включают новые данные по структуре полифункциональных гидридных комплексов переходных металлов и свойств отдельных кислотных/основных центров; данные об условиях образования и стабильности их межмолекулярных ассоциатов и/или продуктов взаимодействия с водородом, азотом, спиртами, гидридами бора и др.; установление роли различных внутри- и межмолекулярных взаимодействий и механизмов превращений координированных молекул в координационной сфере металлокомплекса с учетом возможности внешнесферных превращений; выявление влияния различных факторов (природы растворителя, добавок, свойств субстратов) на термодинамические, кинетические характеристики и активационные параметры отдельных стадий. Таким образом главным результатом проекта будет выявление взаимосвязи между природой и структурой металлокомплекса и характером/кинетикой/термодинамикой исследуемых превращений субстратов. Установление механизмов различных каталитических и стехиометрических реакций и управляющих ими факторов является актуальной задачей современной элементоорганической и физической химии. Её решение выводит понимание природы исследуемых явлений на новый уровень и создает фундаментальную базу для решения практических задач, например, таких как создание технологий использования новых экологически безопасных источников энергии и высокоэффективных процессов производства химических и фармацевтических препаратов, для 80% которых промышленное получение уже сегодня включает более чем одну каталитическую стадию. Результаты работы будут опубликованы в виде статей в ведущих научных изданиях, а также представлены на российских и международных конференциях.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Выделение водорода при взаимодействии XH кислот различной силы с гидридами переходных металлов может происходить в результате переноса протона к гидридному лиганду с образованием неустойчивых комплексов с молекулярным водородом (η2-H2 комплексов). Образование диводородной связи (MH•••HX) – не только первая стадия такой реакции, но и способ мягкой активации взаимодействующих молекул. Методами ИК и ЯМР спектроскопии в широком диапазоне температур с привлечением квантово-химических расчетов нами исследованы реакции различных гидридных комплексов переходных металлов со спиртами и амин-боранами. Экспериментально показана различная реакционная способность гидридных комплексов иридия(III) с пинцерными PCsp3P лигандами на основе дибензобаррелена и триптицена при взаимодействии с протонодонорами. В присутствии спиртов (CD3OD, CF3CH2OH) получены свидетельства образования диводородной связи IrH•••HOR. Показано, что перенос протона к триптиценовому гидриду наблюдается уже в присутствии CF3CH2OH, более высокая реакционная способность одного из изомеров объясняется большей доступностью гидридного водорода, находящегося под плоскостью пинцерного РСР лиганда. Полученные энергетические характеристики Н комплексов и частоты колебаний позволяют предположить, что гидридный лиганд имеет существенно меньшую основность по сравнению с хлоридным, однако способен вступать во взаимодействие с протонодонором. Теоретические данные также позволяют объяснить экспериментальные результаты по взаимодействию комплексов с CF3CH2OH и CD3OD. Отнесение полос валентных колебаний νIrH и νBH в ИК спектрах комплексов дифосфиновых комплексов иридия(III) c аминборанами сделано на основании квантово-химического расчета частот и форм нормальных колебаний. Экспериментально и теоретически установлено существенное различие протоноакцепторной способности IrH и BHterm гидридных лигандов. При исследовании реакции с H3B-NHMe2 в стехиометрических и каталитических условиях показано, что в начальный момент времени происходит накопление продукта дегидрирования [Ir](η2-H2B=NMe2), который трансформируется в линейные и циклические продукты дегидросочетания в ходе дальнейшей реакции. Установлены условия образования, получены спектральные и термодинамические характеристики ДВС комплексов гидрида рутения TpRuH(dppe) с протонодонорами разной силы. Для ряда гидридов рутения(II) показано существование корреляции между расстоянием H•••H в ДВС комплексе, оцененным по изменению времени релаксации гидридного лиганда T1min, и энтальпией его образования в дихлорметане. Показано, что, несмотря на небольшое значение фактора основности гидрида TpRuH(dppe), перенос протона к гидридному лиганду происходит уже в присутствии (CF3)2CHOH. Анализ особенностей электронного строения различных комплексов позволил детально рассмотреть различные аспекты активации связи MH за счет низкоэнергетических взаимодействий (водородно-связанные или Льюисовы комплексы). При этом природа орбитальных взаимодействий в комплексе будет определять направление дальнейшей реакции: взаимодействие σMH→σ*OH ведет к переносу протона к гидридному лиганду, nM→σ*OH – к протонированию атома металла, nN:→σ*MH к депротонированию гидрида металла, а σMH→n*B к переносу гидрида к кислоте Льюиса. Изменение поляризации MH связи при образовании комплексов с кислотами Бренстеда и Льюиса имеет одинаковый характер: поляризация связи MH увеличивается по сравнению с исходными гидридами, что говорит об увеличении гидридного характера атома водорода. В предельном случае это может приводить к отрыву гидрид-иона. Перенос гидрида как правило не происходит из ДВС комплексов с ХН кислотами, по причине более легкого разрыва XH связи, которая также поляризована в ДВС комплексе, и «подготовлена» к переносу протона с образованием катионного ди(поли)гидрида или комплекса с молекулярным водородом. Взаимодействие же с кислотами Льюиса приводит к переносу гидрида. Показано, что уникальность поведения гидридных комплексов CpMH(CO)3 определяется расположением электронной плотности связи М-Н, которая смещена в сторону металла, но легко перераспределяется при образовании комплексов с основаниями или кислотами Льюиса.

 

Публикации

1. Г. А. Силантьев, Е. М. Козинец, О. А. Филиппов, Е. Д. Якурнова, Н. В. Белкова Диводородная связь с участием гидротрис(пиразолил)борат гидрида рутения и влияние лигандов на протоноакцепторную способность комплексов рутения Известия Академии наук. Серия химическая, №11, С. 2434-2437 (год публикации - 2014)

2. О.А. Филиппов, И.Е. Голуб, Е.С. Осипова, В.А. Киркина, Е.И. Гуцул, Н.В. Белкова Активация M-H связей гидридов переходных металлов при образовании комплексов с кислотами и основаниями Известия Академии наук. Серия химическая, №11, С. 2428-2433 (год публикации - 2014)

3. E.M. Kozinets, G.A. Silantyev, O.A. Filippov, N.V. Belkovа Hydrotris(pyrazolyl)borate rhuthenium hydrides interaction with acids and bases Book of Abstracts, XVIth International Chugaev Conference on Coordination Chemistry. Kazan, 6-10 October, 2014, p 510 (год публикации - 2014)


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Проведенный в рамках проекта квантово-химический расчет постадийного механизма реакции тетрагидроборат-аниона BH4− со спиртами (MeOH, ТФЭ, ГФИП) методом M06/6-311++G(d,p) в газовой фазе и с учетом неспецифической сольватации (SMD) показал, что ключевыми интермедиатами переноса протона к BH4− и продуктам алкоголиза [(RO)nBH(4-n)]− (n =1–3) являются монодентатные диводородно-связанные комплексы BH…HOR. Показано, что увеличение числа электроноакцепторных OR-групп в [(RO)nBH(4-n)]− (n =1–3) приводит к уменьшению протоноакцепторной способности боргидридного фрагмента. Соответственно понижается и энтальпия образования диводородной связи ∆HDHB. Одновременно по мере увеличения числа OR-групп удлиняются связи B–H и увеличивается их гидридодонорная способность (∆G[H]− реакции [(RO)nBH(4-n)]− ↔ (RO)nBH(3-n) + H−). Это свидетельствует об активации гидридных лигандов в [(RO)nBH(4-n)]− по сравнению с тетрагидро¬борат-анионом BH4− и объясняет понижение барьера активации на каждой стадии реакции. Проведенный анализ тенденции изменения геометрии переходных состояний свидетельствует о том, что все стадии алкоголиза тетрагидробората являются кооперативными: образование ковалентной связи H-H в молекуле водорода происходит в результате одновременного переноса протона и гидрид-иона с разрывом OH и BH связей, соответственно. Баланс этих процессов на каждой стадии алкоголиза зависит как от силы протонодонора, так и от гидридодонорной способности интермедиатов [(RO)nBH(4-n)]− (n = 0–3). Результирующий энергетический профиль реакции имеет вид нисходящей пилообразной кривой. Энергетические профили «прямого» алкоголиза нейтральных боранов X∙BH3 (X = NHMe2, ТГФ) имеют вид, аналогичный алкоголизу BH4–. Процесс протекает с образованием слабых ДВС комплексов на каждой стадии. Аналогично тетрагидроборату активационные барьеры переноса протона уменьшаются по мере замещения H/OR. Тем не менее все барьеры протонирования образующихся в результате такого замещения (RO)nXBH(3-n) (n = 0–2) превышают барьер протонирования [(RO)BH3]− тем же протонодонором. Таким образом, из полученных данных следует невозможность «прямого» протонирования NH содержащих амин боранов, поскольку для первой стадии наиболее выгодным является разрыв B-N связи с образованием ионной пары R2NH2+… OR. Анион OR в дальнейшем может вступать в реакцию лигандного обмена с R2NH∙BH3 с образованием [ROBH3]– который трансформируется в [B(OR)4]–. Начаты исследования механизма дегидрирования аминборанов в присутствии гидридных комплексов иридия. ИК спектральное исследование взаимодействия H3B-NHMe2 (ДМАБ) с комплексом иридия [(Cy3P)2(H)2Ir(η2-H2BH-NHMe2)]+[BArF4]-, 1, показало синхронное уменьшение интенсивности полос валентных колебаний NH и BH связей исходного ДМАБ и комплекса 1. Одновременно наблюдалось накопление линейных и циклических продуктов дегидрирования, охарактеризованных методами ЯМР 11B и ИК спектроскопии. Кроме того показано появление промежуточного σ-комплекса иридия [(PCy3)2Ir(H)2(η2 H2B=NMe2)]+ [BAr4F]− (2), связанного водородной связью с ДМАБ. Из анализа температурной зависимости констант скорости оценены значения активационных параметров реакции: ∆H‡ = 1.8 ± 0.5 ккал/моль и ∆S‡ = −66 ± 2 кал/(моль∙К). Столь значительное отрицательное значение энтропии активации и симбатное уменьшение интенсивности полос валентных колебаний NH и BH связей свидетельствуют о высокоорганизованном переходном состоянии. По данным квантово-химического (DFT/M06) расчета координация амин-борана к комплексу 1 приводит к активации BH связи, что существенно облегчает процесс выделения водорода. Переходное состояние имеет циклическую структуру. При этом процесс гидридного переноса с BH3 фрагмента на атом Ir сопряжен с переносом протона c NH группы на образующийся гидрид иридия через внутримолекулярную диводородную связь IrH···HN. В расчете также получены активационные и термодинамические данные для различных реакций лигандного обмена с участием комплекса 2, предложен механизм реакции. Показана различная реакционная способность изомеров бифункционального гидридного комплекса иридия(III) ((HOCH2)2PC(sp3)P)IrH(Cl) (3) в реакции присоединения пиридина. При температурах до 250 K наблюдается только присоединение пиридина к изомеру 3-I, сопровождающееся изменением конфигурации пинцерного лиганда. Трансформация второго fac изомера 3-II в mer комплекс 4 протекает только выше 250 K. Энтальпия (ΔHº) и энтропия (ΔSº) трансформации 3-II в 4, полученные из температурной зависимости констант равновесия, составляют 2.9 ± 0.3 ккал/моль и 15 ± 1 кал/(моль·K), соответственно, с ΔG от 0.7 ккал/моль при 250 K до 1.3 ккал/моль при 292 K. Наблюдение быстрого равновесия в этих условиях означает, что оно устанавливается с константами скорости между 10-2 и 10-1 с-1 и барьером активации ΔG‡ = 12–13 ккал/моль. Установлено, что комплекс 4 не является термодинамически стабильным и при температурах выше 280 K медленно изомеризуется в 4'. Структуры комплексов 4 и 4', отличающиеся относительным положением пиридинового лиганда, подтверждены данными спектроскопии ЯМР 1H и 31P, двумерных спектров NOESY и при использовании пиридина 15N. Кинетика трансформации 3 I в 4 подчиняется закону необратимой реакции первого порядка с ΔG‡ ~ 18 ккал·моль 1; оценка активационных параметров дает ΔH1‡ ~ 15 ккал·моль 1, ΔS1‡ ~ 13 кал·моль 1·K 1. Отрицательное значение энтропии свидетельствует о том, что образование комплекса 4 протекает через ассоциативное переходное состояние. Изомеризация 4 в более стабильный комплекс 4' также необратима; анализ температурной зависимости наблюдаемых констант скорости необратимой реакции первого порядка даёт ΔH2‡ = 26.0 +/- 0.6 ккал·моль 1 и ΔS2‡ = 15 +/- 1 кал/(моль·K) (ΔG‡298 K = 21.4 ккал/моль). Полученное положительное значение ΔS2‡ позволяют предполагать диссоциативный механизм изомеризации. Экспериментальные данные по степени превращения в реакции каталитического дегидрирования i PrOH при комнатной температуре показывают более низкую активность mer комплексов 4 и 4', образующихся в присутствии пиридина, по сравнению с активностью fac-изомеров 3. Полученные данные о структурной нежесткости комплекса ((HOCH2)2PCsp3P)IrH(Cl) (3), спектральных характеристиках изомеров и различиях в их реакционной способности использованы при исследовании реакции дегидрирования амин-боранов. Согласно данным ИК и ЯМР спектроскопии координация BH3·NMe3 (ТМАБ) к атому металла также приводит к изменению конфигурации пинцерного лиганда. Однако в случае ТМАБ координация обратима, равновесие смещается вправо при понижении температуры. При взаимодействии 3 с BH3·NНMe2 при низкой температуре (200 K) также наблюдается частичная координация. Однако образующийся при этом комплекс 5·ДMAБ не диссоциирует при повышении температуры, а выше 250 К начинается выделение Н2, которое сопровождается изменением структуры металлокомплекса. Данные спектров ЯМР 1H позволяют предполагать, что при диссоциации борсодержащих продуктов комплекс иридия сохраняет mer-конфигурацию PC(sp3)P лиганда. С целью сравнения реакционной способности PC(sp3)P и PC(sp2)P пинцетных комплексов иридия было исследовано взаимодействие комплекса (tBuPCP)IrH(Cl) (6) с пиридином и аминопиридинами. Методами ЯМР 1H, 31P и 15N (220-290K) подтверждено, что при добавлении пиридина к (tBuPCP)IrH(Cl) образуются только два из трех возможных изомеров. Структура цис-изомера 7a подтверждена методом РСИ. В этом комплексе пиридин расположен в плоскости tBuPCP лиганда, в то время как хлоридный и гидридный лиганд расположены перпендикулярно плоскости PCP в транс-положении друг к другу. Введение аминогруппы в пара-положение пиридина не изменяет ход реакции с (tBuPCP)IrH(Cl) при координации 4-аминопиридина к гидриду 6 образуется смесь двух аналогичных изомеров в том же соотношении. Данные РСИ для 8a подтверждают, что 7а и 8а имеют одинаковое строение. При этом каждая NH2 группа в координированном 4-аминопиридине образует две межмолекулярные N-H∙∙∙Cl водородные связи с хлоридным лигандом двух соседних молекул, образуя 1D полимерную цепь. Аналогичный комплекс 9а, образующийся при координации 2-аминопиридина в цис-положение к гидриду, существует в виде двух конформационных изомеров, стабилизированных внутримолекулярной водородной связью между NH2 группой 2-аминопиридина и гидридным или хлоридным лигандом. Получены первые данные по активности (tBuPCP)IrH(Cl) в реакции дегидрирования диметиламинборана. Особым классом пинцетных PC(sp2)P лигандов являются 1,3-дизамещенные металлоцены. Однако металлокомплексы с такими лигандами гораздо менее изучены. В качестве объекта исследования нами синтезирован катионный гидридный комплекс рутения на основе пентаметилрутеноцена с цисоидным расположением атомов водорода относительно связи Ru-C cis-H2Ru(CO)2[{2,5-(tBu2PCH2)2C5H2}Ru(C5Me5)]BArF4 (14). Образование комплекса 14 подтверждено данными ЯМР 1H, 31P и ИК-спектроскопии. Возможность получения нейтрального гидридного комплекса 15 из катионного комплекса 14 путём депротонирования с помощью подходящего основания ранее не изучалась. Мониторинг протекания реакции с помощью ИК-спектроскопии показал отсутствие реакции с Et3N и медленное превращение в присутствии 1,8-диазабицикло[5,4,0]ундека-7-ена (DBU), основность которых различается почти на три порядка (в воде pKa(Et3NH+) = 10.75, pKa(DBUH+) = 13.5). Данные ИК и ЯМР 1Н спектров свидетельствуют об отсутствии в комплексе 15 атома агостической связи С-Н. Реакция протекает через первоначальное депротонирование связи Ru-H, затем происходит быстрое окислительное присоединение формально нульвалентного рутения по связи С-Н с образованием нейтрального комплекса 15 с атомом водорода в эндо-позиции относительно металлоценового фрагмента.

 

Публикации

1. Г.А. Силантьев, Е.М. Титова, О.А. Филиппов, Е.И. Гуцул, Д. Гельман, Н.В. Белкова Водородные связи, координационная изомерия и каталитическое дегидрирование спиртов бифункциональным пинцерным комплексом иридия (HOCH2)2(PCsp3P)IrHCl Известия Академии наук, серия химическая, №12, 2806-2809 (год публикации - 2015)

2. Титова Е.М., Силантьев Г.А., Филиппов О.А., Гуляева Е.С., Гуцул Е.И., Долгушин Ф.М., Белкова Н.В. PCP Pincer Iridium Chemistry – Coordination of Pyridines to [(tBuPCP)IrH(Cl)] Eur. J. Inorg. Chem., Volume 2016, Issue 1, pages 56–63 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1002/ejic.201501083

3. E. M. Kozinets (Titova), E. S. Gulyaeva, G. A. Silantyev, O. A. Filippov, N. V. Belkova Coordination of small molecules to phosphine-based pincer iridium hydrides Organometallic and Coordination Chemistry: achievements and Challenges, 2015, September 18-23, Nizhny Novgorod, Russia. Book of Abstracts, Y11 (год публикации - 2015)

4. E. M. Kozinets (Titova), N. V. Belkova, E. S. Shubina Iridium complexes with PCP pincer ligand: reactivity toward acids and bases 21st Conference on Organometallic Chemistry, 2015, July 5 - 9, Bratislava, Slovak Republic. Book of Abstracts, P029 (год публикации - 2015)

5. N. V. Belkova, G. A. Silantyev, E. M. Kozinets (Titova), O. A. Filippov, L. M. Epstein Influence of ligand environment of the transition metal hydrides reactivity Organometallic and Coordination Chemistry: achievements and Challenges, 2015, September 18-23, Nizhny Novgorod, Russia. Book of Abstracts, O2 (год публикации - 2015)

6. O. A. Filippov Hydrogen Bond in Chemistry of Transition Metal Hydrides 21st Conference on Organometallic Chemistry, 2015, July 5 - 9, Bratislava, Slovak Republic. Book of Abstracts, YP1 (год публикации - 2015)

7. O. A. Filippov, N. V. Belkova Role of hydrogen bonds in hydrogen transfer reactions of metal hydrides XXI International Conference on Horizons in Hydrogen Bond Research, 13-18 September, 2015, Wroclaw, Poland. Book of Abstracts, OC-3 (год публикации - 2015)


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проведенные спектральные исследования методами ИК, ЯМР и УФ-видимой спектроскопии в широком диапазоне температур (190 -290 К) показали, что комплекс (tBuPCP)IrH(Cl) (1; tBuPCP = κ3-2,6-(CH2PtBu2)2C6H3) легко координирует нитрилы (MeCN или PhCN) с образованием соответствующих шестикоординационных комплексов 2 и 3, однако связывание не является количественным при комнатной температуре. При этом образуется только один из возможных изомеров, в котором нитрильный лиганд расположен в транс положении относительно гидрида, а хлор находится в одной плоскости с PCP лигандом (в транс-положении к ипсо-углероду). Равновесие образования комплексов 2 и 3 смещается вправо при понижении температуры. Стабильность бесцветных комплексов 2 и 3 была оценена с помощью метода УФ-видимой спектроскопии по исчезновению окраски исходного комплекса 1. Определены константы образования Kf при комнатной температуре (6.7∙102 и 1.9∙102 М-1 для 2 и 3, соответственно), а также термодинамические параметры образования: ∆Hº = 7.0 ккал∙моль-1 и ∆Sº = -13.7 кал∙моль-1∙K-1 для комплекса 3 и ∆Hº = 5.8 ккал∙моль-1 и ∆Sº = 7.1 кал∙моль-1∙K-1 для комплекса 2. Установлено, что в отличие от нитрилов и аминопиридинов связывание 2 гидроксиметилпиридина (HMPy) с комплексом иридия 1 довольно слабое. В данном случае, как и с другими пиридинами, образуются два изомера: в 4a HMPy находится в транс положении по отношению к гидриду, а в 4b HMPy координирован в транс положении относительно плоскости бензольного кольца. Такое строение изомеров подтверждается данными квантово-химических расчетов. Константы образования, полученные количественным анализом УФ-вид. спектров, Kf(4a) и Kf(4b) равны 28 и 18 М-1 при комнатной температуре, соответственно. Измерения при различных температурах позволили определить ∆Hº(4a) = -12.3 ккал∙моль-1 и ∆Sº(4a) = -35.5 кал∙моль-1∙K-1 для комплекса 4a и ∆Hº(4b) = 11.7 ккал∙моль-1 и ∆Sº(4b) = -34.5 кал∙моль-1∙K-1 для комплекса 4b. Полученные высокие значения энтальпии означают энергетическую выгодность координации пиридинового фрагмента, что хорошо согласуется с установленным ранее количественным образованием прочных комплексов с пиридином и 4-аминопиридином. Сравнительно высокие значения энтропии образования комплексов 4a и 4b могут быть связаны с взаимным отталкиванием между o гидроксиметильной группой и трет-бутильными заместителями при атомах фосфора tBuPCP лиганда, которое препятствует координации атома азота к атому иридия, а также с необходимостью диссоциации меж- и внутримолекулярных водородных связей OH∙∙∙N в молекулах HMPy. Энергетическая предпочтительность координации пиридинов и нитрилов (L) в транс положение относительно гидридного лиганда (изомеры а) подтверждается данными DFT расчетов. Энергия второго стабильного изомера с лигандом L в транс положении относительно ипсо-углерода (изомеры b) выше примерно на 2.8 ккал∙моль-1. Другим важным результатом расчета является получение данных по активации связей при образовании шестикоординационных комплексов типа 2-4. Установлено, что координация азотных оснований к атому иридия приводит к удлинению связи Ir-H (на 0.047 Å в 4b’) и, в особенности, связи Ir-Cl (на 0.130 Å в 4b). Интересно, что это удлинение коррелирует с длиной связи Ir-N и донорными электронными свойствами лиганда L, но более прочное связывание (более короткое расстояние Ir-N) в изомерах b энергетически менее предпочтительно. Установлено, что пяти- и шестикоординационные комплексы (tBuPCP)IrH(Cl) (1) и (tBuPCP)IrH(Cl)(CO) (1а) способны к образованию водородных связей с различными протонодонорами (индол и фторированные спирты (CF3)nCH(3-n)OH, n = 1-3), а взаимодействия неподелённой электронной пары на гетероатоме ХH с атомом металла (координации X∙∙∙Ir) комплекса 1 не наблюдается. При этом ни карбонильная группа комплекса 1а, ни гидридные лиганды комплексов 1 и 1а не принимают участие во взаимодействии с протонодонором, в обоих случаях происходит образование Ir-Cl∙∙∙HX связи. Cпектральная картина в области валентных колебаний X-H групп протонодонор аналогична для комплексов 1 и 1а и даёт близкие значения энтальпий образования водородной связи (ΔH°HB). Однако, значения ΔH°HB, полученные из корреляции ΔH°HB/∆νXH, не совпадают со значениями, полученными методом Вант Гоффа из температурной зависимости констант образования, что свидетельствует о существовании более сложных равновесий. Квантово-химический анализ аддуктов комплексов 1 и 1а с фторированными спиртами показал, что возможно сосуществование близких по энергии водородно-связанных комплексов с хлоридным лигандом и комплексов, в которых молекула спирта взаимодействует с металлированным бензольным кольцом. Комплексы с водородной связью по гидридному лиганду не найдены. Образование водородной связи по хлоридному лиганду ожидаемо приводит к удлинению связи Ir-Cl (на 0.021-0.057 Å), а длина связи Ir-H во всех комплексах практически не изменяется. Существование нескольких водородно-связанных комплексов, образование которых вызывает различные сдвиги полосы νOH и увеличение интенсивности, объясняет наблюдаемую ИК спектральную картину в области νOH и отсутствие сходимости между значениями энтальпии образования водородной связи ΔH°HB, полученными разными методами. Полученные таким образом спектральные и энергетические характеристики комплексов 1 с кислотами и основаниями, и теоретические данные об особенностях их структуры были использованы на следующем этапе работы при исследовании взаимодействия 1 с амин-боранами. Исследование кинетики каталитического дегидрирования амин-боранов в присутствии пинцетного комплекса иридия (tBuPCP)IrH(Cl) (1, 2 моль %) показало, что полная конверсия диметиламинборана (ДМАБ) достигается через 24 ч при комнатной температуре. Реакция протекает через образование двух интермедиатов: H2B=NMe2 и циклического (Me2NBHCl)2, продуктами реакции являются циклический диборазан [H2BNMe2]2 и бис(диметиламино)гидроборан (Me2N)2BH. ЯМР и ИК спектральные исследования в широком диапазоне температур позволили зафиксировать интермедиаты реакции и в комбинации с данными DFT расчета предложить механизм активации катализатора и каталитического цикла. Ключевым интермедиатом первой стадии реакции является комплекс 6, в котором молекула ДМАБ координирована к атому иридия посредством мостиковой BH-группы и при этом присутствует водородная связь N-H∙∙∙Cl. Исходный комплекс 1 находится в равновесии с комплексом 5, в котором (tBuPCP)IrH(Cl) образует водородную связь N-H∙∙∙Cl с молекулой ДМАБ. Выделение водорода приводит к образованию тетрагидридного комплекса (tBuPCP)IrH4 (7). При проведении реакции в каталитических условиях зафиксировано образование гидридного комплекса (tBuPCP)IrH(µ2-H2BH2) (8), который является продуктом диссоциации связи B-N. Данный комплекс был получен независимо при взаимодействии исходного гидрида 1 с NaBH4. Согласно данным DFT расчета для комплексов 1 с координированной молекулой ДМАБ в наиболее стабильной структуре (комплекс 6; ΔHsolv = -10.0 ккал/моль в толуоле) одновременная координация амин-борана к атому иридия и водородная связь молекулы ДМАБ с хлоридным лигандом N-H∙∙∙Cl-Ir приводит к сильной активации связи Ir-Cl. Эта связь становится практически полностью диссоциированной. Образование иридиевого тетрагидрида 7 и циклического (Me2NBHCl)2 – предполагаемых интермедиатов реакции (PCP)IrHCl с ДМАБ – согласно расчетам практически энергетически нейтрально, что подтверждает возможность их обратного превращения в исходный гидрид 1 по окончании каталитического цикла. Структура ключевого интермедиата каталитического цикла дегидрирования ДМАБ - комплекса (tBuPCP)IrH2(DMAB) (9) - аналогична структуре комплекса (tBuPCP)IrHCl(DMAB) (6). В данном комплексе также присутствуют и η1-BH координация, и N-H∙∙∙H-Ir диводородная связь, что определяет шестичленную конфигурацию последующего переходного состояния. Кроме того, именно в комплексе 9 может произойти диссоциация связи B-N, приводящая к образованию комплекса (tBuPCP)IrH(µ2-H2BH2) (8), который согласно расчету имеет две неэквивалентные µ-BH связи. Такая геометрия комплекса хорошо согласуется с его спектральными характеристиками. Me2NH, выделяющийся на этой стадии, по-видимому, взаимодействует с Me2N=BH2 с образованием продукта ((Me2N)2BH). Расчеты показали, что дегидрирование амин-борана комплексом 9 протекает посредством согласованного протон-гидридного переноса, однако, перенос протона вносит наибольший вклад. Переходное состояние имеет геометрию, подобную продукту реакции, с разорванной связью N-H и завершенным образованием H-H связи. Рассчитанное значение свободной энергии переходного состояния (ΔG≠solv = 21.0 ккал/моль относительно исходных реагентов (tBuPCP)IrH4/DMAB) хорошо согласуется с полученным из экспериментальных данных значением ΔG≠ ≈ 23 ккал/моль. Исследование взаимодействия с различными амин-боранами гидридного комплекса иридия с пинцетным PCsp3P лигандом на основе дибензобаррелена ((HOCH2)2PCP)IrH(Cl) (10) показало отличие его реакционной способности от гидрида 1 с PCsp2P пинцетными лигандами. Комплекс 10 способен координировать триметиламин-боран, а его взаимодействие с Me2NHBH3 при низкой температуре (200 K) приводит к образованию интермедиата, аналогичного комплексу 6. Данный интермедиат не диссоциирует при повышении температуры, однако выше 250 К начинается выделение Н2, которое сопровождается изменением структуры металлокомплекса. Кинетика выделения водорода в реакции дегидрирования амин-боранов (Me2NHBH3, tBuNH2BH3, NH3BH3) была изучена при комнатной температуре с использованием различных загрузок комплекса 10 как катализатора. Полученные кинетические данные показали уменьшение скорости дегидрирования при переходе от более замещенного амин-борана к незамещенному. При этом комплекс ((HOCH2)2PCP)IrH(Cl) (10) показал большую каталитическая активность в реакции дегидрирования по сравнению с комплексом (tBuPCP)IrH(Cl) (1).

 

Публикации

1. Голуб И.Е., Филиппов О.А., Гуляева Е.С., Гуцул Е.И., Белкова Н.В. The interplay of proton accepting and hydride donor abilities in the mechanism of step-wise boron hydrides alcoholysis Inorganica Chimica Acta, V.456, P.113–119 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.ica.2016.10.037

2. Титова Е.М., Осипова Е.С., Гуляева Е.С., Торочешников В.Н., Павлов А.А., Силантьев Г.А., Филиппов О.А., Шубина Е.С., Белкова Н.В. Mild activation of IrCl bond upon the interaction of pincer iridium hydride (tBuPCP)IrH(Cl) with acids and bases Journal of Organometallic Chemistry, V. 827, P.86-95. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2016.11.010

3. Белкова Н.В., Эпштейн Л.М., Филиппов О.А., Шубина Е.С. Hydrogen and Dihydrogen Bonds in the Reactions of Metal Hydrides Chemical Reviews, V.116, P.8545-8587. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00091


Возможность практического использования результатов
не указано