Julia Weismann

• Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung des Sulfonyl-stabilisierten Methandiids 20-Li2 als Ligand in Übergangsmetallkomplexen. Dabei konnte 20-Li2 mit ver-schiedenen Übergangsmetallhalogeniden in Salzmetathesereaktionen umgesetzt werden. Insgesamt wiesen die synthetisierten Methandiid-basierten Komplexe flexible Bindungsverhältnisse bezüglich der MC-Bindung und unterschiedliche Koordinationsmodi der Sulfonyl-Gruppe auf, die die Stabilität und Reaktivität der Komplexe signifikant beeinflussten. In Abhängigkeit von derDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung des Sulfonyl-stabilisierten Methandiids 20-Li2 als Ligand in Übergangsmetallkomplexen. Dabei konnte 20-Li2 mit ver-schiedenen Übergangsmetallhalogeniden in Salzmetathesereaktionen umgesetzt werden. Insgesamt wiesen die synthetisierten Methandiid-basierten Komplexe flexible Bindungsverhältnisse bezüglich der MC-Bindung und unterschiedliche Koordinationsmodi der Sulfonyl-Gruppe auf, die die Stabilität und Reaktivität der Komplexe signifikant beeinflussten. In Abhängigkeit von der chemischen Natur des Metallfragmentes und der Co Liganden konnten Carbenkomplexe mit einer ylidischen M-C-Wechselwirkung (A) und solche mit einer echten M=C-Doppelbindung (B) zugänglich gemacht werden. Dabei gelang die Etablierung einer Vielzahl an neuen Komplexen sowohl mit frühen (Zirkonium) als auch späten (Palladium, Ruthenium, Iridium) Übergangsmetallen. Die synthetisierten Verbindungen zeigten dabei unterschiedliche strukturelle und elektronische Eigenschaften, was zu deren Unterteilung in die zwei Komplexklassen A und B führte. So konnte bei der Umsetzung von Methandiid 20-Li2 mit Zirkonocendichlorid die selektive Bildung des Zirkonocenkomplexes 50 beobachtet werden, bei dem NMR spektroskopische (z.B. Hochfeldverschiebung des 13C NMR-Signals des Carben-Kohlenstoffatoms) und röntgenstrukturanalytische (z.B. Pyramidalisierung des „Carben“-Kohlenstoffatoms) Untersuchungen erste Hinweise darauf lieferten, dass sich 50 nicht als Carbenkomplex mit einer Zr=C-Doppelbindung beschreiben lässt. Dies konnte durch quantenchemische Rechnungen bestätigt werden, wobei die „Natural Bond Orbital“-Analyse (NBO-Analyse) eine deutliche negative Ladung am zentralen Kohlenstoffatom (qc = 1.42) und somit dessen nukleophilen Charakter aufdeckte. Zusätzlich lieferten die Rechnungen eine deutlich positive Ladung am Zirkoniumatom (qZr = 1.35), weshalb die Zr-C-Interaktion in 50 am besten mit einer ylidischen Wechselwirkung beschrieben wird. Ähnliche Resultate konnten auch bei den aus den Umsetzungen von 20-Li2 mit [(PPh3)2PdCl2] bzw. [(PPh3)3RuCl2] erhaltenen Komplexen 51a bzw. 52-Int beobachtet werden. Wie für Verbindung 50 ergab die NBO-Analyse von 51a bzw. 52-Int zwar eine  Bindung zwischen Metall- und Kohlenstoffatom, interessanterweise aber keine  Wechselwirkung. Aufbauend auf der elektronischen Struktur von 51a bzw. 52-Int zeichnen sich die beiden Komplexe durch eine hohe Instabilität und Reaktivität aus. Dabei bildete 51a in Lösung diverse Zersetzungsprodukte, während der Ruthenium-Carbenkomplex 52-Int selektiv die Phenylgruppe des Sulfonyl-Substituentens in ortho Position unter Ausbildung der cyclometallierten Spezies 52 intramolekular deprotonierte. Das Cyclometallierungsprodukt 52 konnte in einer Ausbeute von 62% isoliert und vollständig charakterisiert werden. Die schwache -Interaktion zwischen Metall- und Kohlenstoffatom konnte im Falle der Palladium- und Rutheniumkomplexe auf den Elektronenreichtum der späten Übergangsmetalle zurückgeführt werden, welcher durch die guten  Donor- und schlechten  Akzeptoreigenschaften der Phosphan-Liganden zusätzlich verstärkt wurde. Durch Austausch der Triphenylphosphan-Liganden in der Rutheniumdichlorid-Vorstufe gegen das Aren p-Cymol konnte die elektronische Natur am Metallfragment derartig beeinflusst werden, dass ein selektiver Zugang zu Ruthenium-Carbenkomplex 53 gelang. Verbindung 53 konnte in einer guten Ausbeute von 86% in Form eines dunkelvioletten Feststoffes isoliert und vollständig charakterisiert werden. Dass es sich bei 53 tatsächlich um einen Carbenkomplex mit einer M=C-Doppelbindung handelt, konnte mithilfe der Molekülstruktur im Festkörper, den NMR-spektroskopischen Daten und der berechneten elektronischen Struktur bestätigt werden. So wies 53 eine kurze Ru=C-Bindung und eine planare Koordinationsumgebung des zentralen Kohlenstoffatoms [Winkelsumme: 358.9(1) Å] auf. Zusätzlich sprachen die im Vergleich zu Methandiid 20-Li2 verlängerten P-C- und C-S-Abstände für geschwächte elektrostatische Wechselwirkungen im Ligand-Rückgrat und somit für einen effizienten Elektronentransfer vom Methandiid zum Metall. Die NBO-Analyse ergab sowohl eine - als auch -Wechselwirkung der M-C-Bindung mit einer nur leichten Polarisierung zum Kohlenstoffatom. Ähnliche Beobachtungen (kurzer Ir-C-Abstand, Planarität am Kohlenstoffatom, reduzierte elektrostatische Wechselwirkungen im Ligand-Rückgrat, NBO-Analyse) wurden ebenfalls für den Iridium-Carbenkomplex 53 gemacht.Die negativere Ladung am Carben-Kohlenstoffatom wies hierbei allerdings auf einen leicht ylidischeren Charakter der MC-Bindung als im Ruthenium-Analogon 53 hin. Aufbauend auf der elektronischen Natur der M=C-Bindung ergaben sich unterschiedliche Reaktivitäten der Carbenkomplexe. Während der Zirkonocenkomplex 50 gegenüber Aldehyden, Ketonen und Disulfiden entweder keine Reaktivität oder Zersetzung zum zweifach protonierten Liganden zeigte, erfolgte ausgehend von Ruthenium-Carbenkomplex 52-Int die intramolekulare CH-Aktivierung zu 52. Im Gegensatz dazu konnte der Ruthenium-Carbenkomplex 53 in einer Vielzahl von EH-Bindungsaktivierungen eingesetzt werden. Dabei konnten zahlreiche E-H-Bindungen bei Raumtemperatur aktiviert und das nicht-unschuldige Verhalten des Methandiid-Liganden unter Beweis gestellt werden. So konnten die O-H- und N-H-Bindungen in einer Serie von Alkoholen und Aminen, die P-H-Bindung in sekundären Phosphanoxiden und die hydridischen SiH- und BH-Bindungen in Silanen und Boranen durch 53 gespalten werden. Durch röntgenstrukturanalytische Aufklärung der Molekülstrukturen im Festkörper konnte gezeigt werden, dass die Bindungsaktivierung im Allgemeinen unter 1,2-Addition der Substrate auf die Ru=C-Doppelbindung unter Bildung der entsprechenden cis-Additionsprodukte erfolgte. Die Aufhebung der Metall-Kohlenstoffdoppel- zu einer -einfachbindung machte sich in einer Verlängerung der Ru=C-Bindung von 1.965(2) Å in 53 auf etwa 2.2 Å bemerkbar. Zudem konnte in allen Molekülstrukturen der Aktivierungsprodukte eine Pyramidalisierung des ehemals planaren Carben-Kohlenstoffatoms detektiert werden. Bezüglich der Regioselektivität verliefen die Umsetzungen mit Substraten, in denen das Wasserstoffatom einen protischen (O-H, N-H-Bindungen) bzw. mäßig protischen/hydridischen (P-H-Bindungen) Charakter aufweist, erwartungsgemäß unter Protonierung des nukleophilen Carben-Kohlenstoffatoms. Interessanterweise führten die O-H- und N-H-Aktivierungsreaktionen z.T. zur Ausbildung eines Gleichgewichts zwischen Carbenkomplex und Additionsprodukt. Dabei konnte ein derartiger Gleichgewichtsprozess in der Chemie Methandiid-basierter Carbenkomplexe bisher nicht beobachtet werden, was die außerordentliche Stabilität des Rutheniumkomplexes 53 unterstreicht. Diese Reversibilität wurde bspw. anhand der Umsetzung von Komplex 53 mit p Methoxyphenol mittels VT-NMR-Studien untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich das Gleichgewicht beim Abkühlen auf 80 °C gemäß entropischer Effekte fast vollständig auf die Seite des Additionsproduktes verschieben lässt, während beim Erwärmen auf Raumtemperatur das Gleichgewicht auf der Seite des Carbenkomplexes liegt. Ähnliche Gleichgewichtsprozesse konnten bei der N-H-Aktivierung beobachtet werden. Bei der Aktivierung von Ammoniak konnte das Additionsprodukt 60 nicht isoliert werden, da auch hier ein stark temperaturabhängiges Gleichgewicht vorlag, wobei erst ab 90 °C das Gleichgewicht vollständig auf der Seite des Aktivierungskomplexes 60 lag. Daher konnte 60 nicht isoliert und eindeutig identifiziert werden. In folgenden Arbeiten sollte die Isolierung von 60 im Festkörper angestrebt und somit dessen Existenz nachgewiesen werden. Zudem könnten auch hier Übertragungsreaktionen des aktivierten Ammoniaks auf ungesättigte Substrate durchgeführt werden. Überraschenderweise zeigte die Si-H-Bindungsaktivierung von unterschiedlich substituierten aliphatischen und aromatischen Silanen ein analoges Reaktionsmuster und führte zur selektiven Bildung der entsprechenden Silylkomplexe 66a-66f anstelle der aufgrund der Polaritäten zu erwartenden Hydrido-Spezies. Mittels DFT-Rechnungen konnte gezeigt werden, dass der Reaktionsmechanismus der SiH-Aktivierung nicht über eine konzertierte 1,2-Addition, sondern über einen zweistufigen Prozess verläuft. Dabei ermöglichen die flexiblen Koordinationseigenschaften des Liganden in 53 eine oxidative Addition der Si-H-Bindung an das Ruthenium-Zentrum, auf die ein Hydrid-Transfer zum Methandiid-Kohlenstoffatom folgt. Neben einfachen Bindungsaktivierungen wurde das Potential der synthetisierten Silylkomplexe 66a-66c in Hydrosilylierungsreaktionen untersucht. In diesem Zusammenhang wurde die Hydrosilylierung von Norbornen angestrebt. Während bei Raumtemperatur keine Reaktion stattfand, konnte nach Erhöhung der Temperatur auf 80 °C das gewünschte Hydrosilylierungsprodukt 68 zwar mittels GC-MS-Analytik nachgewiesen werden, jedoch entstand bei den gewählten Reaktionsbedingungen das ROMP-Produkt 69 als Hauptprodukt. In weiterführenden Arbeiten müssen noch Optimierungsversuche der Reaktionsbedingungen zu einem selektiveren Umsatz zum Hydrosilylierungsprodukt durchgeführt werden. Interessante Ergebnisse lieferten zudem die Umsetzungen des Ruthenium-Carbenkomplexes 53 mit Boranen und verschiedenen Boran-Lewis-Basen-Addukten. Dabei führte die Reaktion von 53 mit Catecholboran zur Bildung des Hydridokomplexes 73, dessen Molekülstruktur im Festkörper bestimmt werden konnte. Jedoch konnte der Komplex aufgrund seiner Instabilität in Lösung bisher nicht vollständig NMR-spektroskopisch und mittels Elementaranalytik charakterisiert werden. Im Gegensatz zur Si-H-Aktivierung findet hier die Addition entsprechend der Polarität der B-H-Bindung statt. Erstaunlicherweise führte die BH Bindungsaktivierung in Pinakolboran jedoch nicht zu einer zu 73 analogen Hydrid-Spezies. Der NMR-spektroskopische Verlauf der Umsetzung deutete zunächst auf die Bildung des BH-Additionsproduktes unter Protonierung des PCS-Rückgrats hin, welches sich in eine andere, bisher nicht identifizierbare Spezies umwandelte. Wiederum zu einem anderen Ergebnis führte die Umsetzung von 53 mit BH3∙SMe2. Durch Insertion eines Borans in die Thiophosphoryl-Einheit unter Aktivierung der B-H-Bindung wurde hierbei Komplex 76 gebildet, der als zentrales Strukturmotiv einen P–B–S–Ru–C-Fünfring aufwies. Neben der Spaltung polarer E-H-Bindungen gelang außerdem die Aktivierung der unpolaren Bindung in Diwasserstoff unter Bildung des Hydridokomplexes 77. Mittels Röntgenstrukturanalyse konnte auch hier eine cis-Addition von H2 auf die RuC-Doppel-bindung bestätigt und das Signal des hydridischen Wasserstoffatom eindeutig im 1H NMR-Spektrum der Verbindung bei H = 6.62 ppm detektiert werden. Interessanterweise konnte Verbindung 77 ebenfalls durch Dehydrierung von iso Propanol bzw. Ameisensäure (HCOOH) unter Abspaltung von Aceton bzw. CO2 synthetisiert werden. Aufbauend auf der beobachteten Dehydrierung von iPrOH unter Bildung des Hydridokomplexes 77 wurde der Frage nach einer möglichen Anwendung des Carbenkomplexes 53 in der katalytischen Transferhydrierung von Ketonen zu Alkoholen nachgegangen. Obgleich die Aktivierung von H2 bzw. die Dehydrierung von iPrOH keine Reversibilität aufwies, sollte ein Katalysezyklus basierend auf einem Wechselspiel zwischen Carben- 53 und Hydridokomplex 77 mit iPrOH als Wasserstoffquelle realisierbar sein. Diesbezüglich lieferten erste Reduktionsversuche von Acetophenon zu 1 Phenylethanol mit 53 und KOtBu als Hilfsbase allerdings schlechte Alkohol-Ausbeuten im Vergleich zu literaturbekannten, übergangsmetallkatalysierten Transferhydrierungen. Ein Katalyseansatz mit 0.50 mol-% 53 und 19 mol-% KOtBu ergab nach 24 h bei 75 °C eine Alkohol-Ausbeute von gerade einmal 55%. Zudem konnte eine starke Abhängigkeit der Umsätze von der eingesetzten Basenmenge beobachtet werden, was auf eine konkurrierende, Basen-induzierte Reduktion hindeutete. Eine Optimierung der Katalysebedingungen gelang durch Zugabe von Triphenylphosphan. Mithilfe des Additivs konnte innerhalb von 12 h bei 75 °C mit 0.50 mol-% 53, 6.20 mol-% KOtBu und 6.20 mol-% PPh3 ein nahezu quantitativer Umsatz (94%) von Acetophenon zu 1-Phenylethanol beobachtet werden. Sogar eine Verringerung der Basen- und Phosphanmenge auf 1.60 und 1.10 mol-% reichte aus, um Ausbeuten von 90% zu erreichen (Abb. 4.5., rechts). Dabei konnte Rutheniumkomplex 53 als erster Methandiid-basierter Carbenkomplex mit katalytischem Potential in Transferhydrierungen etabliert werden. Außerdem beschränkte sich die katalytische Aktivität von 53/PPh3 nicht nur auf die Reduktion von Acetophenon, sondern konnte auch erfolgreich auf weitere aromatische und aliphatische Ketone übertragen werden. Mittels NMR-spektroskopischer Untersuchungen des Katalyseverlaufs gelang ein Nachweis der katalytisch aktiven Spezies im Katalysezyklus. So konnte bei 75 °C zunächst die erwartungsgemäße Entstehung des Hydridokomplexes 77 beobachtet werden. Dieser setzte sich anschließend mit PPh3 zum cyclometallierten Phosphankomplex 52 um. Aufbauend auf diesen Beobachtungen wurde ebenfalls Komplex 52 hinsichtlich seines katalytischen Potentials in der Reduktion von Acetophenon untersucht, wobei noch bessere Umsätze als mit dem Katalysator 53/PPh3 beobachtet wurden. Hierbei konnte bereits nach 3 h mit 0.50 mol-% 52 und 1.60 mol-% KOtBu eine Ausbeute von 95% erzielt werden. Zudem führten Ansätze mit 52 auch ohne Zugabe einer Base zu Umsätzen von ca. 40%. Eine Übertragung der Katalysebedingungen auf die Reduktion weiterer Keton-Derivate lieferte ebenfalls gute Ergebnisse und ergab Alkohol-Ausbeuten zwischen 72% und 96%. Die für Ruthenium-Carbenkomplex 53 gefundene Reaktivität und das nicht-unschuldige Verhalten des Methandiid-Liganden konnten außerdem auch für Iridium-Carbenkomplex 55 beobachtet werden. So konnten analoge NH, PH- und SiH-Additionsprodukte selektiv synthetisiert und in guten Ausbeuten (etwa 60-90%) analysenrein erhalten werden. In Analogie zu Rutheniumkomplex 53 führte die Aktivierung von Substraten mit unterschiedlichen E-H-Bindungen entsprechend der Ladungsverteilung im Ir+C--Fragment zur Protonierung der PCS-Brücke in 55. Dabei wiesen auch hier die Additionsprodukte im Allgemeinen eine cis-Anordnung der vorherigen E-H-Einheit auf. Einzige Ausnahme stellte das mit p-Nitroanilin gebildete NH-Aktivierungsprodukt 61b dar. Hierbei konnte mittels Röntgenstrukturanalyse eine trans-Anordnung der Amido-Einheit und des PCHS-Brückenprotons detektiert werden, die durch Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbindung zwischen der Amido-NH- Einheit und dem Sauerstoffatom des Sulfonyl-Substituentens begünstigt wird. Zudem konnte für die Bildung von 61b ein bei Raumtemperatur reversibler Reaktionsprozess unter Rückbildung des Carbenkomplexes 55 und Abspaltung von p-Nitroanilin beobachtet werden. In künftigen Experimenten sollte untersucht werden, ob aufgrund der Reversibilität katalytische Hydroaminierungen mit 61b realisierbar sind. Trotz des hydridischen Charakters des Si-H-Wasserstoffatoms in Silanen wurden auch mit Carbenkomplex 55 ausschließlich die SiH-Bindungsaktivierungskomplexe 71a-71c gebildet. Zudem konnte bei der Aktivierung von Triphenylsilan zwar das Additionsprodukt 71a mittels NMR-spektroskopischer Untersuchungen in der Reaktionslösung nachgewiesen werden, jedoch setzte sich dieses bereits bei Raumtemperatur zum cyclometallierten Komplex 72 um. Interessanterweise resultierten die Aktivierung von H2 und die Dehydrierung von iPrOH ebenfalls in 72. Mittels NMR-spektroskopischer Untersuchungen des Reaktionsverlaufes konnte hierbei gezeigt werden, dass die Cyclometallierung ausgehend von dem in situ gebildeten Iridium-Hydridokomplex 79 stattfindet. Deuterierungsexperimente mit iPrOH-d8 belegten außerdem, dass die Protonierung der PCS Brücke durch iPrOH und nicht durch direkte ortho-C-H-Aktivierung der Sulfonyl-Phenyl-Gruppe erfolgt. Die Isolierung des Iridium-Hydridokomplexes 79 war aufgrund seiner schnellen Umsetzung zu 72 daher nicht möglich. Die Nukleophilie des Carben-Kohlenstoffatoms und die ausgezeichnete M=C-Wechselwirkung in Ruthenium-Carbenkomplex 53 ermöglichten neben EH-Bindungsaktivierungen außerdem [2+2]-Cycloadditionsreaktionen mit Iso- und Thioisocyanaten. In diesem Zusammenhang konnten mit tert-Butyl- und Phenylisocyanat die Cycloadditionsprodukte 80a und 80b synthetisiert, in guten Ausbeuten isoliert (79% bzw. 80%) und vollständig charakterisiert werden. Die mittels Röntgenstrukturanalyse durchgeführte Aufklärung der Molekülstruktur von 80a im Festkörper bestätigte die Ausbildung eines C-Ru-N-C-Vierringes als zentrales Strukturmotiv, was mit literaturbekannten Umsetzungen dieser Art übereinstimmt. Mit tert-Butyl- und Phenylthioisocyanat hingegen wurden die Iminkomplexe 81a/b unter Addition der Ruthenium-Kohlenstoff-Doppelbindung an das CS-Fragment im Thioisocyanat erhalten. Dabei konnte die Ausbildung eines C-Ru-S-C-Vierringes als zentrales Strukturmotiv beobachtet werden. Insgesamt folgte die Selektivität der gebildeten [2+2]-Cycloadditionsprodukte 80a/b und 81a/b den Prinzipien des HSAB-Konzeptes, wonach jeweils das weichere Atom des Heteroallens an das Ruthenium-Zentrum bindet. Obgleich die Reaktivität Methandiid-basierter Carbenkomplexe mit verschiedenen Heteroallenen bereits in der Literatur beschrieben wurde, stellte die Umsetzung mit Thioisocyanaten zu 81a/b ein bisher unbekanntes Reaktionsverhalten dieser Verbindungsklasse dar. Neben der Anwendung des Methandiids 20-Li2 als Ligand für die Synthese neuer Übergangsmetallkomplexe erwies sich das Dianion außerdem als geeignet für die Darstellung des Li/Cl-Carbenoids 83. Dabei konnte 83 zum einen durch Oxidation von 20-Li2 mit Hexachlorethan (C2Cl6) und zum anderen durch Metallierung des chlorierten Liganden 82 synthetisiert und in guten Ausbeuten (67-82%) als farbloser, kristalliner Feststoff isoliert werden. Verbindung 83 erwies sich dabei als ein seltenes, bei Raumtemperatur stabiles Li/Cl-Carbenoid. Aufgrund der Stabilität im Festkörper als auch in Lösung bei Raumtemperatur konnte 83 zudem NMR-spektroskopisch und mittels Elementaranalytik vollständig charakterisiert werden. Ebenfalls gelang die Aufklärung der Molekülstruktur von 83 im Festkörper. Diese zeigte keinen direkten Kontakt zwischen dem Carbenoid-Kohlenstoff- und Lithiumatom und lieferte damit neben der elektronischen Stabilisierung eine Erklärung für die beobachtete Stabilität von 83. Dabei beteiligt sich das Ligandsystem durch Koordination der Sulfonyl-Gruppen an das Lithiumatom erheblich an der Stabilisierung, sodass eine Lithiumchlorid-Eliminierung erschwert wird. Außerdem zeigte die Molekülstruktur keine Verlängerung der C-Cl-Bindung, wie es für unstabilisierte Carbenoide in der Literatur beschrieben wird. Diese Tatsache und die im 13C-NMR-Spektrum beobachtete Abschirmung des Carbenoid-Kohlenstoffatoms im Vergleich zur chlorierten Vorstufe 82 lieferten erste Anzeichen für einen geringen carbenoiden Charakter von 83. Außerdem bestätigten quantenchemische Rechnungen keine signifikante Polarisierung der CCl-Bindung. Die durch die Stabilisierung resultierende Verringerung des carbenoiden Charakters und somit der Ambiphilie spiegelte sich auch in der Reaktivität von 83 wider. So konnte Verbindung 83 nicht als Cyclopropanierungsreagenz verwendet werden, wie es zumeist für klassische Carbenoide der Fall ist. Gegenüber Elektrophilen wie Methyliodid oder Chlordiphenylphosphan reagierte 83 in Analogie zu Organolithiumbasen zu den Verbindungen 84a und 84b. Jedoch konnte 83 als Carbenvorstufe zur Synthese des Palladium-Carbenkomplexes 51a unter LiCl-Eliminierung eingesetzt werden, was den leicht vorhandenen carbenoiden Charakter von 83 wiedergibt. Zudem wurde 83 hinsichtlich seines Aktivierungspotentials von EE-Bindungen untersucht. Während die Aktivierung der BH-Bindung in Boranen und die BB-Bindung in Diboranen nicht gelang, konnte die SS-Bindung in 2,2‘-Dipyridyl- und 4,4‘-Dipyridyldisulfid gespalten und Verbindung 90 analysenrein erhalten werden (Schema 4.8.). Studien zur Aufklärung dieses Reaktionsverhaltens stehen jedoch noch aus. Bezüglich der Aktivierung von P-H-Bindungen in unterschiedlich substituierten aromatischen Phosphanen konnte für 83 eine zu einem Silyl-stabilisierten Carbenoid analoge Reaktivität gefunden werden. Hierbei erfolgte keine Addition der P-H-Bindung an das carbenoide Kohlenstoffatom, sondern die selektive Dehydrokupplung der Phosphane zu Diphosphanen unter LiCl-Eliminierung. Diese überraschende und bis dato für Carbenoide unbekannte Reaktivität erfolgte unter milden Reaktionsbedingungen (Raumtemperatur) und ohne Einsatz von Übergangsmetallkatalysatoren. Insgesamt konnte für Verbindung 83 ein vielfältiges Reaktionsverhalten gefunden werden. Neben dessen Eignung als Carbenvorstufe bei der Synthese von Übergangsmetall-Carbenkomplexen, konnte die Spezies in der Aktivierung von SS- und PH-Bindungen eingesetzt werden. In zukünftigen Reaktivitätsstudien sollte das beobachtete Potential auf weitere Substrate übertragen werden.…
• This thesis deals with the application of the sulfonyl stabilized methandiide 20-Li2 as a ligand in transition metal complexes. In this context, 20-Li2 reacted with several transition metal halides to the corresponding carbene complexes via salt metathesis reaction. The obtained systems exhibited flexible bonding situations concerning the nature of the MC bond and revealed different coordination modes of the sulfonyl moiety. This flexibility significantly influenced the stability and the reactivity of these complexes. Depending on the natureThis thesis deals with the application of the sulfonyl stabilized methandiide 20-Li2 as a ligand in transition metal complexes. In this context, 20-Li2 reacted with several transition metal halides to the corresponding carbene complexes via salt metathesis reaction. The obtained systems exhibited flexible bonding situations concerning the nature of the MC bond and revealed different coordination modes of the sulfonyl moiety. This flexibility significantly influenced the stability and the reactivity of these complexes. Depending on the nature of the metals and co-ligands, carbene complexes with a more ylidic interaction (A) and such with a real MC double bond (B) could be obtained. In this context, a variety of novel complexes with both early (zirconium) and late (palladium, ruthenium, iridium) transition metals were establishe.The synthesized compounds revealed different structural and electronic properties, enabling their classification into the categories A and B. For example, the reaction of methandiide 20-Li2 with zirconocene dichloride led to the selective formation of zirconocene complex 50. NMR spectroscopy (e.g. high-field shift of the 13C NMR signal of the carbene carbon atom) and the molecular structure (e.g. pyramidalisation of the “carbene“ carbon atom) led to the conclusion, that 50 could not be described as a carbene complex with a ZrC double bond. This could also be confirmed by theoretical studies. Thus, the “Natural Bond Orbital“ analysis (NBO analysis) showed a significant negatively charged carbon atom (qc = 1.42), in line with the nucleophilicity of 50 and a positive charge at the zirconium atom (qZr = 1.35). Hence, the nature of the ZrC bond in 50 is best described by an ylidic interaction. Similar results were obtained when methandiide 20-Li2 was treated with [(PPh3)2PdCl2] or [(PPh3)3RuCl2] to form the complexes 51a and 52-Int. Comparable to 50, NBO analysis of 51a and 52-Int revealed only a  bond between the metal and the carbon atom, but no  interaction. According to the electronic structure of 51a and 52-Int, both complexes turned out to be instable and highly reactive while compound 51a decomposed in solution under the formation of several decomposition products and the ruthenium carbene intermediate 52-Int underwent an intramolecular CH-activation of the phenyl group of the sulfonyl moiety to the cyclometalated complex 52. Product 52 could be isolated in a yield of 62% and fully characterized. In the case of the palladium and ruthenium complexes, the observed weak  interaction between metal and carbon atom can be referred to the electron rich metal centers. Here, the electron density of the late transition metals was additionally increased by strong  donor and poor  acceptor abilities of the phosphine ligands. Hence, substitution of the phosphines in the ruthenium dichloride precursor by an arene ligand (p-cymene) resulted in a change of the electronics of the metal fragment, allowing the selective access to ruthenium carbene complex 53. Compound 53 could be isolated in 86% yield as a purple solid and fully characterized. X-ray diffraction analysis, NMR spectroscopy and theoretical studies confirmed the double bond character of the MC interaction in 53. The molecular structure of 53 revealed a short RuC bond and a planar coordination environment of the central carbon atom [sum of angles: 358.9(1) Å]. In comparison with the bond lengths of the PCS backbone in methandiide 20-Li2, elongated PC and CS bonds were found in 53, indicating weaker electrostatic interactions within the ligand framework and thus an efficient electron transfer from the methandiide to the metal fragment. Additionally, the NBO analysis revealed both  and  contribution of the MC bond with only a slight polarization to the carbon atom. Similar observations (short IrC distance, planar coordination environment of the carbon atom, reduced electrostatic interactions within the ligand framework, NBO analysis) were made for iridium carbene complex 55. Nevertheless, the carbene carbon atom in 55 was found to exhibit a higher negative charge, indicating a more pronounced ylidic character of the MC bond compared to ruthenium complex 53. According to the electronic nature of the MC bond, different reactivity patterns could be observed for the carbene complexes. Whereas the reaction of zirconocene complex 50 with aldehydes, ketones or disulfides was either unsuccessful or led to decomposition under formation of the protonated ligand 20, an intramolecular CH activation to 52 could be observed in the case of ruthenium carbene complex 52-Int. On the contrary, ruthenium carbene complex 53 could be applied in a variety of EH bond activation reactions at room temperature. The reactions proved the non-innocent behaviour of the methandiide ligand which serves as nucleophilic center. Hence, the OH and NH bonds in a series of alcohols and amines (products 56, 58 and 59), the PH bond in secondary phosphine oxides and the hydridic SiH and BH bonds in silanes and boranes could be splitted using complex 53. X-ray diffraction analyses of the activation products revealed a 1,2-addition of the substrates across the RuC double bond to the corresponding cis-addition products. Thereby, the change from a metal carbon double to a metal carbon single bond was acoompanied by an elongation of the RuC bond from 1.965(2) Å in 53 to about 2.2 Å. Additionally, a pyramidalization of the carbon atom could be detected, instead of a planar coordination environment as in carbene complex 53. All activation reactions performed with substrates containing a protic (OH, NH bonds) or a slightly protic/hydridic (PH bonds) hydrogen occurred via protonation of the nucleophilic carbene carbon atom. Interestingly, some OH and NH activation reactions resulted in an equilibrium between the carbene and the activation complex. It is important to note, that such an equilibrium has so far not been observed for methandiide based carbene complexes and thus underlines the extraordinary stability of ruthenium complex 53. The reversibility could be confirmed by VT NMR experiments, such as of the reaction of 53 with p methoxyphenol. These studies showed that the equilibrium can almost completely be shifted towards the addition product at 80 °C due to entropical reasons. On the contrary, warming the sample to room temperature led to the re-formation of carbene complex 53. A reversible reaction process could also be observed for the activation of NH bonds. For example, in the case of the activation of ammonia the amido complex 60 could not be isolated due to a strong temperature dependency of the equilibrium. Temperatures as low as 90 °C were necessary to move the equilibrium to the side of the activation product. Future studies will focus on the isolation of 60 in solid state in order to confirm the existence of 60. Furthermore, a transfer of the activated ammonia to unsaturated substrates will be tested. Surprisingly, reactions of a series of aliphatic and aromatic silanes with 53 led to an analogous bond activation and to the selective formation of the silyl complexes 66a 66f. According to the polarity of the SiH bond in silanes, a reverse reactivity with formation of the corresponding hydrido complexes was expected, but could not be observed at all. The reaction mechanism could be elucidated by DFT studies and was found to proceed via a stepwise process. Thereby, the flexible MC bond in 53 enabled an oxidative addition of the SiH bond to the ruthenium center, followed by a hydride transfer to the methanide carbon atom. Besides the isolation and characterization of the silyl complexes 66a-66f, those complexes were also tested in the catalytic hydrosilylation of norbornene. Whereas no reaction was observed at room temperature, hydrosilylation product 68 was formed at 80 °C. Nevertheless, the formation of 68 was only accomplished in small amounts as confirmed by GC-MS analysis. Instead, the ROMP product turned out to be the main product under the reaction conditions. Future studies should concentrate on the optimisation of the reaction conditions in order to improve the selectivity of the hydrosilylation reaction. In contrast to the so far discussed EH bond activation reactions, carbene complex 53 showed diverse reactivities towards boranes and different borane Lewis base adducts. The reaction of 53 with catechol borane gave hydrido complex 73, which could be characterized by X-ray diffraction analysis. In contrast to the activation of the SiH bond, the BH bond activation complex 73 reflects the expected reactivity due to the polarity of the BH and the MC bond. Surprisingly, the activation of the BH bond in pinacol borane did not lead to a hydrido complex similar to 73. In this case, NMR studies of the reaction process confirmed the formation of the BH addition product under protonation of the PCS backbone, followed by a rapid conversion to a novel, so far unidentified complex. The formation of a completely different product was again observed within the reaction of 53 with BH3∙SMe2. Here, complex 76 could be isolated, which is formed by activation of the BH bond, accompanied by an insertion of one borane into the thiophosphoryl moiety. The molecular structure of 76 revealed a five-membered P–B–S–Ru–C ring as the central structural motif. Besides its activation potential concerning polar EH bonds, carbene complex 53 was also applied in the activation of non polar bonds like the one in dihydrogen giving way to hydrido complex 77. The molecular structure of 77 could be confirmed by X-ray diffraction analysis and revealed a cis-addition of H2 across the RuC double bond. Additionally, the signal for the hydridic hydrogen atom could be detected in the 1H NMR spectrum at H = 6.62 ppm. Interestingly, compound 77 could also be obtained by dehydrogenation of iso propanol or formic acid (HCOOH) via formation of acetone or CO2. Based on the observed dehydrogenation of iPrOH, an application of carbene complex 53 as catalyst in catalytic transfer hydrogenations of ketones to alcohols was assumed. Despite the fact that the activation of H2 and the dehydrogenation of iPrOH did not show any reversibility, a catalytic cycle including both carbene complex 53 and hydrido complex 77 with iPrOH as hydrogen source should be realizable (Fig. 4.5., left). First attempts aiming at the catalytic reduction of acetophenone to 1 phenylethanol with 53 and KOtBu as base delivered poor yields of the alcohol in comparison with literature-known transition metal catalysts. For example, 0.50 mol-% 53 and 19 mol-% KOtBu gave 1 phenylethanol in only 55% yield after 24 h at 75 °C. Additionally, the conversions turned out to depend on the amount of base indicating a competing base induced reduction. Optimization of the reaction conditions by adding triphenylphosphine as additive led to almost quantitative conversions (94%) to 1 phenylethanol within 12 h at 75 °C using 0.50 mol-% 53, 6.20 mol-% KOtBu and 6.20 mol % PPh3. Yields of about 90% could still be achieved when decreasing the KOtBu and PPh3 loadings to 1.60 and 1.10 mol. Overall, ruthenium complex 53 is the first methandiide based carbene complex applied in catalytic transfer hydrogenations. Thereby, the catalytic activity of 53/PPh3 was not only limited to the reduction of acetophenone, but could also be transferred to further aromatic and aliphatic ketones. The reaction process of the catalytic transfer hydrogenation was studied by NMR spectroscopy to determine the catalytic active species formed during the reaction process. These studies showed that at first the hydrido complex 77 is formed at 75 °C, followed by its reaction with PPh3 to the cyclometalated phosphine complex 52. Studies on the catalytic ability of 52 itself in the transfer hydrogenation of acetophenone to 1 phenylethanol revealed even better performances. Overall, better yields could be obtained when using 52 as catalyst. A yield of 95% could already be obtained after 3 h using 0.50 mol-% 52 and 1.60 mol-% KOtBu. Additionally, a test reaction using only 52 without any additional base led to a remarkable yield of about 40%. Comparable to the catalytic system 53/PPh3, complex 52 could also be applied in the catalytic reduction of further ketones giving yields of about 72% to 96%. The observed reactivity of ruthenium carbene complex 53 and the non-innocent behavior of the methandiide ligand could also be established for iridium carbene complex 55. Here, similar NH, PH and SiH addition products could be synthesized selectively and isolated in good yields of 60-90%. Analogous to ruthenium complex 53, the activation of substrates with different EH bonds led to protonation of the PCS bridge in 55. This is in line with the polarization distribution of the Ir+C- bond in 55. The activation products again revealed a cis-addition of the EH unit on the IrC fragment. However, one exception was observed in the case of the reaction of 55 with p-nitro-aniline, which led to the formation of the N H activation product 61b with a trans-arrangement of the amido ligand relative to the PCHS hydrogen atom. Here, the trans-arrangement is favoured due to the formation of a hydrogen bond between the amido and the sulfonyl units. Additionally, complex 61b showed a reversible reaction process at room temperature, leading to the re-formation of carbene complex 55 and of p-nitroaniline. Due to the reversibility of 61b in solution, further studies should concentrate on the potential of 61b as catalyst for hydroamination reactions. Despite the hydridic character of the hydrogen atom in silanes, SiH bond activation reactions of carbene complex 55 exclusively led to the formation of the silyl complexes 71a-71c under protonation of the nucleophilic carbene carbon atom in 55. Interestingly, 71a was found to be instable and further reacted to the cyclometalated complex 72 already at room temperature. Additionally, the activation of H2 and the dehydrogenation of iPrOH also resulted in the formation of 72. Here, the reaction process was studied by NMR spectroscopy. These experiments revealed that the cyclometalation occurs from hydrido complex 79, which is formed in situ during the reaction process. Furthermore, deuteration experiments with iPrOH d8 evidenced that the protonation of the PCS fragment results from the reaction of 55 with iPrOH and is not formed via an intramolecular cyclometalation via CH activation of the sulfonyl phenyl group. Due to the rapid transformation of hydrido complex 79 to the cyclometalated species 72, the isolation of 79 was not possible. The nucleophilicity of the carbene carbon atom and the special MC interaction in ruthenium carbene complex 53 also allowed for [2+2] cycloaddition reactions with iso- and thioisocyanates. In this context, reaction of 53 with tert-butyl and phenyl isocyanate afforded the cycloaddition products 80a and 80b. The complexes 80a/b could be isolated in good yields (about 80%) as well as fully characterized. X-ray diffraction analysis of 80a confirmed the formation of a four-membered CRuNC ring as the central structural motif of 80a. These findings were in line with literature-known cycloaddition reactions of methandiide based carbene complexes with isocyanates. On the contrary, reaction of 53 with tert-butyl and phenyl thioisocyanate afforded the complexes 81a/b. Here, addition of the heteroallene to the ruthenium carbon double bond occurred via the CS fragment of the thioisocyanate. Hence, the [2+2] cycloaddition resulted in the formation of a four-membered CRuSC ring as central structural motif. Overall, the observed selectivity of the [2+2] cycloaddition reactions to 80a/b and 81a/b can be explained by the HSAB concept. Accordingly, the softer atom of the heteroallene is connected to the soft ruthenium center. Despite the fact that the reactivity of methandiide based carbene complexes with different heteroallenes has already been reported in literature, cycloaddition reactions with thioisocyanates affording complexes such as 81a/b has so far been unknown. Besides its application as ligand for the synthesis of novel transition metal complexes, methandiide 20-Li2 was found to be suitable for the synthesis of Li/Cl carbenoid 83. On the one hand, compound 83 could be obtained by oxidation of 20-Li2 with hexachloroethane (C2Cl6) and on the other hand by metalation of the chloro derivative 82. Carbenoid 83 could be isolated as a colorless, crystalline solid in good yields (67 82%) and represents a rare example of a room temperature stable Li/Cl carbenoid. Due to the stability of 83 both in solid state and in solution at room temperature, the carbenoid could be characterized by NMR spectroscopy and elemental analysis. Moreover, the molecular structure of 83 could be determined by X-ray diffraction analysis, revealing no direct contact between the carbenoid carbon and the lithium atom. Instead, the sulfonyl group of the ligand system coordinates to the lithium atom and thus inhibits the elimination of lithium chloride. This and the electronic stabilisation by the α substituents result in the observed stability of 83. Furthermore, the molecular structure did not reveal an elongation of the CCl bond as often described for unstabilised carbenoids. These findings and the observed deshielding of the carbenoid carbon atom in the 13C NMR spectrum relative to the chlorinated precursor 82 suggested a reduced carbenoid character of 83. This reduced carbenoid character of 83 could also be observed in reactivity studies. Contrary to classical carbenoids, 83 could thus not be used as reagent for cyclopropanation reactions. However, the still present nucleophilicity could be proven by treatment of 83 with electrophiles like methyl iodide or chlorodiphenylphosphine. Here, the compounds 84a and 84b could be obtained via salt elimination reactions. Additionally, 83 could be applied as carbene precursor for the synthesis of palladium carbene complex 51a under elimination of lithium chloride. The observed reactivity underlined the still present carbenoid character of 83. Furthermore, the potential of 83 in the activation of EE bonds in different substrates was tested. Whereas the activation of the BH bond in boranes and the BB bond in diboranes was not possible with 83, the SS bond in 2,2‘-dipyridyl and 4,4‘ dipyridyl disulfide could be splitted. The mechanism of this reaction, however, still has to be elucidate A remarkable reactivity was also observed in the reaction of carbenoid 83 with various secondary phosphines. Here, no addition of the PH bond to the carbenoid carbon atom occurred, but instead the selective dehydrocoupling of the phosphines to diphosphines via elimination of lithium chloride. It is important to note that this unexpected and so far unknown reactivity could be carried out unter mild reaction conditions (room temperature) using different functionalized phosphines and did not require the use of transition metal complexes. Overall, compound 83 exhibits a huge variety of reactivity patterns. Besides its function as carbene precursor for the synthesis of transition metal carbene complexes, the carbenoid behaviour could also be applied in the activation of SS and PH bonds. Future investigations should aim at the extension of the activation potential of 83 to further substrates.…