546 Anorganische Chemie
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Sonstige beteiligte Institutionen
- Fakultät für Chemie und chemische Biologie, Technische Universität Dortmund (1)
- Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) (1)
- Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (1)
- Institut Ruđer Bošković, Zagreb, Croatia (1)
- Institut für Organische Chemie, RWTH Aachen (1)
- Institute for Sustainable Chemistry & Catalysis with Boron (1)
- Institute of Transformative Bio-Molecules, Nagoya University, Nagoya, Japan (1)
- Leibniz-Institut für Katalyse Rostock (1)
- Paul Scherrer Institut (1)
- The Chinese University of Hong Kong (1)
ResearcherID
- D-3057-2014 (1)
Im Rahmen dieser Arbeit konnten Seltenerdmetallcyanoborate mit unterschiedlich funktionalisierten Anionen, beispielsweise Hydrido-, Fluoro- oder Perfluoralkylcyanoborat-Anionen, synthetisiert und vollständig charakterisiert werden. Lösungen der wasserfreien Komplexe Ln[BH2(CN)2]3 (Ln = La, Eu, Ho) in der korrespondierenden ionischen Flüssigkeit [EMIm][BH2(CN)2] konnten hinsichtlich Dichte Viskosität und Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Konzentration des gelösten Komplexes untersucht werden. Alle Europiumkomplexe wurden hinsichtlich ihrer photochemischen Eigenschaften untersucht.
Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit die erste selektive Synthese des Hydroxytricyanoborat-Anions [B(OH)(CN)3]- vorgestellt werden. Ausgehend von der Brønstedsäure dieses Anions konnte die Synthese einer ganzen Reihe von Salzen und Komplexverbindungen, sowie von ionischen Flüssigkeiten mit diesem Anion realisiert werden.
Synthese und Reaktivität von Übergangsmetall-stabilisierten und Lewis-basenstabilisierten Borylenen
(2022)
Die vorliegende Arbeit befasst sich im ersten Teil mit der Reaktivität von Gruppe 8 Borylenkomplexen.
Zunächst wurde der Eisenborylenkomplex 71 mit verschiedenen Carbodiimiden umgesetzt. Die entstandenen Produkte in Form von Spiroverbindungen, [2+2]-Cycloadditionsprodukten sowie Diazadiboretidinen konnten strukturell und spektroskopisch untersucht werden. Außerdem wurde 71 mit Aziden umgesetzt, was NMR-spektroskopisch zur Bildung von Tetrazaborolen führt.
Der Eisenbis(borylen)komplex 72 wurde ebenfalls mit Carbodiimiden umgesetzt und die entstandenen Verbindungen, unter anderem Diazadiboretidine, strukturell und spektroskopisch untersucht. Eine Umsetzung von 72 mit Stickstoffbasen wie Azobenzol, 2,2'-Bipyridin oder Pyridazin führte bei letzterem zur Bildung eines Koordinationsprodukts.
Während die Umsetzungen des Eisentetrakis(borylen)komplexes 73 mit Methylisocyanid, Magnesium und Trimethylphosphan zu Zersetzung führten, konnten mit Bis(piperidyl)acetylen und Diisopropylcarbodiimid keine Umsetzungen festgestellt werden.
Nach Aufnahme eines UV/Vis- und CV-Spektrums des Eisentetraborkomplexes 74 wurde versucht, diesen mit diversen Erd- und Erdalkalimetallverbindungen zu reduzieren. Hierbei konnte entweder keine Reaktion oder Zersetzung festgestellt werden. Weitere Umsetzungen von 74 erfolgten mit unterschiedlichen Lewis-Basen, Stickstoffbasen, Säuren, Gasen, Chalkogenen, DIC und einer Platin(0)-verbindung. Diese Umsetzungen führten zu keinen identifizierbaren Produkten.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Synthese und Reaktivität des basenstabilisierten Borylens 89 untersucht.
Nach Verbesserung der Synthesebedingungen konnte ein photolytisch induzierter Ligandenaustausch des CO-Liganden mit verschiedenen Substraten durchgeführt werden.
Hierbei führten die Umsetzungen mit Carbenen oder Phosphanen in Abhängigkeit derer sterischer Eigenschaften zu den entsprechenden Adduktverbindungen. Außerdem konnte eine Adduktverbindung mit Schwefel dargestellt werden, während eine Umsetzung mit Selen nur zur Zersetzung führte.
Die Umsetzung mit DMAP lieferte im Gegensatz zur den vorherigen Adduktverbindungen ein biradikalisches Produkt, welches durch ESR-Messung charakterisiert werden konnte.
Eine lösungmittelabhängige Reaktion findet mit Trifluorophosphan statt, mit welchem die entsprechende instabile Borylenverbindung NMR-spektroskopisch untersucht werden konnte.
Die Borazidspezien 169 und 170 sowie das Aminoboran 171 konnten durch Umsetzung von 89 mit Mesityl- und Phenylazid generiert und vollständig charakterisiert werden.
In Anlehnung an die Synthese von Fischercarbenkomplexen wurde 89 mit Organometallverbindungen umgesetzt, um die Reaktivität des CO-Liganden zu erforschen. Nach Umsetzungen mit Phenyllithium, Methyllithium oder Benzylkalium erfolgte die Methylierung in situ mittels Methyltriflat oder dem Meerwein-Salz [Me3O][BF4]. Die entstandenen Fischercaben-analogen Verbindungen konnten strukturell und spektroskopisch charakterisiert werden.
Im Rahmen der Arbeit werden neue Alkinyl-substituierte Diaryldiborane(4) dargestellt und auf deren Eignung zur Oligomerisierung untersucht. Des Weiteren werden neue 1,2-Dialkinyldiborane(4) synthetisiert und deren Reaktivität beleuchtet. Außerdem werden neue 1,2-Diaryl-1,2-diheteroaryldiborane(4) dargestellt und ebenfalls auf deren Reaktivität hin untersucht.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte eine Reihe symmetrischer und asymmetrischer Tetrahalogendiboran(4)-Addukte realisiert werden. Die symmetrischen Brom-substituierten Vertreter 19 und 102–107 waren durch quantitativen Ligandenaustausch der schwach gebundenen Lewis-Base SMe2 von 101 zugänglich. Im Falle der IDip-stabilisierten Addukte 108 bzw. 109a/b gelang die Darstellung in sehr guten Ausbeuten durch direkte Umsetzung von freiem Carben mit den Tetrahalogendiboran(4)-Vorstufen 1 (X = Cl) bzw. 2 (X = I). Die asymme¬trischen Vertreter 113a–116b konnten durch sukzessive Adduktbildung ausgehend von 1 bzw. 6 mit cAAC und dem jeweiligen NHC bei tiefen Temperaturen (−78 °C) in moderaten bis guten Ausbeuten dargestellt werden.
Nachfolgende Reduktionsversuche der asymmetrischen Addukte 113a/b und 114b–116b waren von mäßigem Erfolg geprägt. Als Reduktionsmittel wurden Alkali- bzw. Erdalkalimetalle, Interkallationsverbindungen und Übergangsmetallkomplexe eingesetzt. Zwar war in allen Fällen eine deutliche Farbänderung beobachtbar, die, zusammen mit den beobachteten Resonanzen in den 11B-NMR-Spektren, die Synthese von asymmetrischen Diborenen nahelegten, jedoch gelang die Isolierung der Diborene nicht. Hierbei gestaltete sich die Abtrennung der gebildeten Nebenprodukte als problematisch.
Deutlich selektiver verliefen hingegen die Reduktionen der symmetrischen Tetrahalogen-diboran(4)-Bis(Addukte) mit NaNaph bei tiefen Temperaturen (−78 °C). Hierbei gelang es, das Portfolio der bereits bekannten Vertreter dieser Substanzklasse zu erweitern. So konnten die Brom-substituierten Diborene 126–128 erstmals vollständig charakterisiert werden. Der Einfluss der Halogenatome auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Diborene wurde ferner an zwei Beispielen der IDip-stabilisierten Diborene 129 und 130 untersucht.
Bei identischem NHC, aber unterschiedlichen Halogenen, konnten die Eigenschaften der Diborene 21, 129 und 130 näher untersucht und miteinander verglichen werden. Besonders deutlich werden die Redoxeigenschaften der Diborene von der Art des gebundenen Halogens beeinflusst, wie cyclovoltammetrische Untersuchungen belegen. Alle NHC-stabilisierten 1,2 Dihal¬ogen¬diborene konnten ferner anhand ihrer physikalischen Eigenschaften eingeordnet und miteinander verglichen werden.
Neben der Synthese und Charakterisierung neuartiger Diborene wurden auch verschiedene Reaktivitätsstudien durchgeführt. So konnten die Diborene 21, 123, 126 und 129 mit CO2 unter milden Bedingungen umgesetzt werden, wobei verschiedene Reaktionsprodukte nachgewiesen wurden. Der initiale Schritt umfasste in allen Fällen eine [2+2]-Cycloaddition die zu den Dibora-β-Lactonen 131a–134a führte, von denen 131a und 132a vollständig charakterisiert werden konnten. Im weiteren Reaktionsverlauf wurden jedoch Isomerisierungsreaktionen von 132a–134a bei Raum¬temperatur beobachtet, wobei die 2,4 Diboraoxetan 3 one 132b–134b isoliert wurden.
Bedingt durch die verhältnismäßig langsame Umsetzung von 21 zu 132a konnte die [2+2] Cyclo¬addition mittels 1H-VT-NMR-Spektroskopie verfolgt werden, wobei die Rückgrat¬protonen der NHCs als selektive Sonde dienten. Eine bemerkenswert hohe Stabilität konnte für 131a bei Raumtemperatur beobachtet werden, bei der keine Anzeichen einer Umlagerung nachweisbar waren. Die angefertigten quantenchemischen Untersuchungen zum Reaktions¬mechanismus legen eine höhere Energiebarriere des Schlüsselschrittes der Umlagerungs¬reaktion für 131a als für 132a nahe, womit die Stabilität von 131a erklärbar ist. Ferner konnten beim Erhitzen von 131a für 16 Stunden auf 60 °C kurzlebige Intermediate in Form eines Oxoborans und Borylens, die im Laufe der Isomerisierungsreaktion der Dibora-β-Lactonen zu den 2,4 Diboraoxetan 3 onen auftreten, 11B NMR-spektroskopisch nachgewiesen werden. Hierdurch wurde ein weiteres Indiz gewonnen, dass die Richtigkeit des postulierten Reaktionsmechanimus verdeutlicht.
Die reduzierende Wirkung der Diborene konnte mit der Darstellung von Radikalkationen demonstriert werden. Hierbei erfolgte die Umsetzung der Diborene 21, 123–126 und 128 mit [C7H7][BArF4] zu 138–143 in guten bis sehr guten Ausbeuten. Die gebildeten Radikale konnten vollständig charakterisiert werden und sind wegen ihrer Eigen¬schaften gut mit bereits literaturbekannten Vertretern dieser Substanzklasse vergleichbar.
Versuche die Radikalkationen durch Umsetzung der Diborene mit [C7H7][BF4] darzustellen scheiterten an der Zersetzung während der Aufarbeitung, wodurch die Wichtigkeit des schwach koordinierenden Anions verdeutlich wird. Entgegen der Erwartungen wurden beim Vergleich der ESR-Spektren der dargestellten Radikalkationen mit bekannten Analoga deutlich unterschiedliche giso-Werte ermittelt, die auf den starken Einfluss der Bromatome zurückzuführen sind. Des Weiteren war es möglich, eine Korrelation zwischen den Strukturparametern in der Festphase und den UV/Vis-Absorptionsmaxima in Lösung nachzuweisen, wonach für diejenigen Radikale die stärkste Blauverschiebung beobachtet wurde, die den größten Diederwinkel α, zwischen den B2Br2-Ebenen und den CN2C2-Carben-ebenen, aufwiesen.
In weiteren Studien wurden die Redoxeigenschaften der Diborene durch Umsetzung von
21 und 123–125 mit elementaren Chalkogenen unter milden Reaktionsbedingungen untersucht. So konnten durch Umsetzung der Diborene mit elementarem Schwefel die Diborathiirane
144–147 in moderaten bis guten Ausbeuten erhalten werden. Trotz eines großen Überschusses an Schwefel wurde aber keine vollständige BB-Bindungsspaltung beobachtet. Auf analoge Weise wurden die Diboraselenirane 148, 150 und 151 durch Umsetzung mit rotem Selen in moderaten bis guten Ausbeuten synthetisiert. Deutliche Unterschiede zeigten sich aber beim IDep-stabilisierten Diboren 123, das ein radikalisches Seleniran ausbildete. Überschüs¬siges Selen begünstigt vermutlich eine Folgeoxidation des in situ gebildeten Diboraselenirans, die jedoch für die anderen Verbindungen dieser Substanzklasse nicht beobachtbar war. Interessanterweise wurde bei allen Dipp-substituierten Verbindungen (Diborathiirane 144 und 146 sowie Dibora¬selenirane 148 und 151) das Fehlen einer Dipp-Gruppe der stabilisierten NHC-Basen im 1H NMR-Spektrum nachgewiesen. Dieser Umstand konnte durch eine eingeschränkte Rotation um die BC-Bindungsachse mittels 1H-VT-NMR-Spektrum aufgeklärt werden, wobei die Rotationsbarriere exemplarisch für 144 13.9 ± 1 kcal/mol beträgt.
Eine bemerkenswerte Reaktivität der 1,2-Dibromdiborene 21 und 123–126 wurde gegenüber hetero¬aroma¬tischer Stickstoffbasen beobachtet. Mit einem großen Überschuss an Pyridin konnte ein Bromidanion aus den Diborenen verdrängt werden, wodurch die Diborenkationen 154–158 in moderaten bis guten Ausbeuten erhalten wurden. Die Abtrennung der dabei unvermeidlich gebildeten NHC-Salze gestaltete sich als schwierig, allerdings gelang es, nach einer in situ Deprotonierung mit NaHMDS die freien NHCs zu entfernen. Versuche der Deri-vatisierung mit anderen aromatischen Basen wie 2- bzw. 4-Picolin, Chinolin oder 2,2’-und 4,4’-Bipyridin scheiterten. Erfolgreich konnte DMAP eingesetzt werden, wodurch es möglich war, die Diborenkationen 160–162 in guten bis sehr guten Ausbeuten zu erhalten. Interessanterweise zeigen 154–158 teils deutliche solvatochrome Absorptions¬eigenschaften in den UV/Vis-Spektren. Im Laufe der Umsetzung von 125 mit Pyridin konnte durch angepasste Reaktions¬bedingungen das Dikation 159 in moderaten Ausbeuten isoliert werden. Dessen bemerkenswerte Stabilität zeigte sich durch eine ausgeprägte Widerstands¬fähigkeit gegenüber Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit über mehrere Wochen. Weiterführende Unter¬suchungen der Festkörperstruktur von 159 zeigen Bindungsparameter, die trotz der ionischen Natur der Verbindung, nur geringfügig von denen des neutralen Diborens 125 abweichen. Mittels Raman-Spektroskopie konnten des Weiteren die BB-Bindungsstärke in 159 näher bestimmt werden, die mit einer Kraftkonstante von 470 N/m nahezu identisch zu der des neutralen Dibores (465 N/m) ist, was Rückschlüsse auf die Lokalisierung der positiven Ladungen auf den Pyridinringen zulässt. Aus diesem Grund kann Verbindung 159 als bis dato einziges Beispiel eines luft- und feuchtigkeitsstabilen Diborens bezeichnet werden.
A series of methylene-bridged bis(triarylboranes) has been synthesized via two complementary routes using metal-free catalytic Si/B exchange condensation under mild conditions. The title compounds comprise two borane moieties that show effective internal π-conjugation involving the respective boron centers and the adjacent hetaryl groups. Conjugation between both borane units, however, is disrupted by the aliphatic linker. Cyclic voltammetry revealed minimal electronic communication between the boron centers, as evidenced by two closely spaced reduction processes. The UV-vis spectra showed bathochromic shifted absorption bands compared to related monoboranes, which is attributed to the methylene bridge. A further red-shift results upon introduction of methyl or SiMe\(_3\) groups at the terminal thiophene rings.
A General Synthetic Route to NHC‐Phosphinidenes: NHC‐mediated Dehydrogenation of Primary Phosphines
(2021)
The dehydrocoupling of primary phosphines with N-heterocyclic carbenes (NHCs) to yield NHC-phosphinidenes is reported. The reaction of two equivalents of the NHCs Me\(_2\)Im (1,3-dimethylimidazolin-2-ylidene), Me\(_4\)Im (1,3,4,5-tetramethylimidazolin-2-ylidene), iPr\(_2\)Im (1,3-di-iso-propylimidazolin-2-ylidene) and Mes\(_2\)Im (2,4,6-trimethylphenylimidazolin-2-ylidene) with PhPH\(_2\) and MesPH\(_2\) led to the NHC stabilized phosphinidenes (NHC)PAr: (iPr\(_2\)Im)PPh (1), (Mes\(_2\)Im)PPh (2), (Me\(_4\)Im)PPh (3), (Mes\(_2\)Im)PMes (4), (Me\(_2\)Im)PMes (5), (Me\(_4\)Im)PMes (6) and (iPr\(_2\)Im)PMes (7). The reaction of tBuPH\(_2\) with two equivalents of the NHCs afforded the corresponding NHC stabilized parent phosphinidenes (NHC)PH: (iPr\(_2\)Im)PH (8), (Mes\(_2\)Im)PH (9) and (Me\(_4\)Im)PH (10). Reaction of 1 with oxygen and sulfur led to isolation of iPr\(_2\)Im-P(O)\(_2\)Ph (11) and iPr\(_2\)Im-P(S)\(_2\)Ph (12), whereas the reaction with elemental selenium and tellurium gave (NHC)PPh cleavage with formation of (iPr\(_2\)Im)Se (13), iPr\(_2\)ImTe (14) and different cyclo-oligophosphines. Furthermore, the complexes [{(iPr\(_2\)Im)PPh}W(CO)\(_5\)] (15), [Co(CO)\(_2\)(NO){(iPr\(_2\)Im)PPh}] (16) and [(η\(^5\)-C\(_5\)Me\(_2\))Co(η\(^2\)-C\(_2\)H\(_4\)){(iPr\(_2\)Im)PPh}] (17) have been prepared starting from 1 and a suitable transition metal complex precursor. The complexes 16 and 17 decompose in solution upon heating to ca. 80 °C to yield the NHC complexes [Co(iPr\(_2\)Im)(CO)\(_2\)(NO)] and [(η\(^5\)-C\(_5\)Me\(_5\))Co(iPr\(_2\)Im)(η\(^2\)-C\(_2\)H\(_4\))] with formation of cyclo-oligophosphines. The reaction of 1 with [Ni(COD)\(_2\)] afforded the diphosphene complex [Ni(iPr\(_2\)Im)\(_2\)(trans-PhP=PPh)] 18.
Innerhalb der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, durch das Einführen von Cymantrenylresten neue Diborene darzustellen, welche Halbsandwich-Substituenten tragen und somit das Substitutionsmuster von basenstabilisierten Diborenen um eine weitere Verbindungsklasse zu erweitern. Neben Cymantrenylresten gelang es auch, Ferrocenylreste als weitere Substituenten in entsprechende Diborensysteme einzuführen. Über die Darstellung neuer Diborensysteme hinaus, waren Reaktivitätsstudien am Diboraferrocenophan 29 ebenso ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Arbeit. Es konnte gezeigt werden, dass 29 mit kleinen Lewis-Basen, Element-Wasserstoff-Verbindungen und Hydrierungsreagenzien zur Reaktion gebracht werden kann.
Antimicrobial resistance is a growing global concern in human and veterinary medicine, with an ever-increasing void in the arsenal of clinicians. Novel classes of compounds including carbon monoxoide-releasing molecules (CORMs), for example the light-activated metal complex [Mn(CO)\(_3\)(tpa-\(\kappa^{3}N\))]Br, could be used as alternatives/to supplement traditional antibacterials. Avian pathogenic \(Escherichia\) \(coli\) (APEC) represent a large reservoir of antibiotic resistance and can cause serious clinical disease in poultry, with potential as zoonotic pathogens, due to shared serotypes and virulence factors with human pathogenic \(E.\) \(coli\). The \(in\) \(vitro\) activity of [Mn(CO)\(_3\)(tpa-\(\kappa^{3}N\))]Br against multidrug-resistant APECs was assessed via broth microtitre dilution assays and synergy testing with colistin performed using checkerboard and time-kill assays. \(In\) \(vivo\) antibacterial activity of [Mn(CO)\(_3\)(tpa-\(\kappa^{3}N\))]Br alone and in combination with colistin was determined using the \(Galleria\) \(mellonella\) wax moth larvae model. Animals were monitored for life/death, melanisation and bacterial numbers enumerated from larval haemolymph. \(In\) \(vitro\) testing produced relatively high [Mn(CO)\(_3\)(tpa-\(\kappa^{3}N\))]Br minimum inhibitory concentrations (MICs) of 1024 mg/L. However, its activity was significantly increased with the addition of colistin, bringing MICs down to \(\geq\)32 mg/L. This synergy was confirmed in time-kill assays. \(In\) \(vivo\) assays showed that the combination of [Mn(CO)\(_3\)(tpa-\(\kappa^{3}N\))]Br with colistin produced superior bacterial killing and significantly increased larval survival. In both \(in\) \(vitro\) and \(in\) \(vivo\) assays light activation was not required for antibacterial activity. This data supports further evaluation of [Mn(CO)\(_3\)(tpa-\(\kappa^{3}N\))]Br as a potential agent for treatment of systemic infections in humans and animals, when used with permeabilising agents such as colistin.
Um Kompetenzen von angehenden Lehrkräften zu fördern, werden Praxisphasen in das Lehramtsstudium integriert. Damit diese Phasen möglichst effektiv sein können, müssen sie Studierenden die Möglichkeit bieten, Unterrichtsinhalte zu reflektieren. Dabei könnten Lehr-Lern-Labor-Seminare eine Möglichkeit sein, durch Praxisnähe und der komplexitätsreduzierten Lehr-Lern-Umgebung, die systematische Reflexion konkreter unterrichtlicher Inhalte zu fördern. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb dargestellt, inwiefern solche Seminare zur Vermittlung eines Reflexionsschemas eingesetzt werden können. Mit Hilfe einer strukturierenden Inhaltsanalyse wird untersucht, welche Komponenten der didaktischen Rekonstruktion von den Studierenden wahrgenommen werden und inwiefern sie in der Lage sind, ein Reflexionsschema in diesen Bereichen einzusetzen. Da das Handeln im Unterricht stark durch Persönlichkeitsmerkmale beeinflusst wird, wird ebenfalls überprüft, ob Überzeugungen, Kognitionsbedürfnis und Praxiserfahrung die Anwendung eines Reflexionsschemas beeinflussen. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit war es möglich, ein Reflexionsschema zu validieren, dass es Studierenden ermöglicht, selbstständig und fachunabhängig Unterrichtsinhalte zu reflektieren.
The diorgano(bismuth)alcoholate [Bi((C\(_{6}\)H\(_{4}\)CH\(_{2}\))\(_{2}\)S)OPh] (1-OPh) has been synthesized and fully characterized. Stoichiometric reactions, UV/Vis spectroscopy, and (TD-)DFT calculations suggest its susceptibility to homolytic and heterolytic Bi−O bond cleavage under given reaction conditions. Using the dehydrocoupling of silanes with either TEMPO or phenol as model reactions, the catalytic competency of 1-OPh has been investigated (TEMPO=(tetramethyl-piperidin-1-yl)-oxyl). Different reaction pathways can deliberately be addressed by applying photochemical or thermal reaction conditions and by choosing radical or closed-shell substrates (TEMPO vs. phenol). Applied analytical techniques include NMR, UV/Vis, and EPR spectroscopy, mass spectrometry, single-crystal X-ray diffraction analysis, and (TD)-DFT calculations.
A systematic study on Lewis-acid/base adducts of N-heterocyclic carbenes (NHCs) and the cyclic (alkyl)(amino)carbene cAAC\(^{Me}\) (1-(2,6-di-iso-propylphenyl)-3,3,5,5-tetramethyl-pyrrolidin-2-ylidene) with antimony(III) chlorides of the general formula SbCl\(_{2}\)R (R=Cl, Ph, Mes) is presented. The reaction of the NHCs Me\(_{2}\)Im\(^{Me}\) (1,3,4,5-tetra-methyl-imidazolin-2-ylidene), iPr\(_{2}\)Im\(^{Me}\) (1,3-di-isopropyl-4,5-dimethyl-imidazolin-2-ylidene), Mes\(_{2}\)Im, Dipp\(_{2}\)Im (R\(_{2}\)Im=1,3-di-organyl-imidazolin-2-ylidene; Mes=2,4,6-trimethylphenyl, Dipp=2,6-di-isopropylphenyl) and cAAC\(^{Me}\) with antimony(III) compounds SbCl\(_{2}\)R (R=Cl (1), Ph (2) and Mes (3)) yields the adducts NHC ⋅ SbCl\(_{2}\)R (R=Cl (4), Ph (5) and Mes (6); NHC=Me\(_{2}\)Im\(^{Me}\) (a), iPr\(_{2}\)Im\(^{Me}\) (b), Dipp\(_{2}\)Im (c) and Mes\(_{2}\)Im (d)) and cAAC\(^{Me}\) ⋅ SbCl\(_{2}\)R (R=Cl (4 e) and Ph (5 e)). Thermal treatment of (Dipp\(_{2}\)Im) ⋅ SbCl\(_{2}\)Ar (Ar=Ph (5 c) and Mes (6 c)) in benzene leads to isomerization to the backbone coordinated \(^{a}\)NHC-adduct \(^{a}\)Dipp\(_{2}\)Im ⋅ SbCl\(_{2}\)Ar (Ar=Mes (7) and Ph (8)) (\(^{"a"}\) denotes “abnormal” coordination mode of the NHC) in high yields. One of the chloride substituents at antimony of 7 can be abstracted by GaCl3 or Ag[BF\(_{4}\)] to obtain the imidazolium salts [\(^{a}\)Dipp\(_{2}\)Im ⋅ SbClMes][BF\(_{4}\)] (9) and [\(^{a}\)Dipp\(_{2}\)Im ⋅ SbClMes][GaCl\(_{4}\)] (10).
The reactions of carbodiimides with the iron arylborylene complex [Fe=BDur(CO)\(_{3}\)(PMe\(_{3}\))] (Dur=2,3,5,6-Me\(_{4}\)C\(_{6}\)H) and the iron bis(borylene) complex [Fe{=BDur}{=BN(SiMe\(_{3}\))\(_{2}\)}(CO)\(_{3}\)] yield a wide variety of temperature-dependent products, including known FeBNC and novel FeBNB metallacycles, complexes of N-heterocyclic boracarbene and spiro-boracarbene ligands and a unique 1,3,2,4-diazadiborolyl pianostool complex, characterized by NMR spectroscopy and X-ray crystallography. The product distributions can be rationalized by considering sequences of cycloaddition, metathesis, insertion, and C−H activation pathways mainly governed by sterics.
The synthesis and characterization of Lewis acid/base adducts between tris(pentafluoroethyl)difluorophosphorane PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\) and selected N-heterocyclic carbenes (NHCs) R\(_{2}\)Im (1,3-di-organyl-imidazolin-2-ylidene) and phosphines are reported. For NHCs with small alkyl substituents at nitrogen (R=Me, nPr, iPr) the adducts NHC ⋅ PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\) (2 a–h) were isolated. The reaction with the sterically more demanding NHCs Dipp\(_{2}\)Im (1,3-bis-(2,6-di-iso-propylphenyl)-imidazolin-2-ylidene) (1 i) and tBu\(_{2}\)Im (1,3-di-tert-butyl-imidazolin-2-ylidene) (1 j) afforded the aNHC adducts 3 i and 3 j (a denotes “abnormal” NHC coordination via a backbone carbon atom). The use of tBuMeIm (1-tert-butyl-3-methyl-imidazolin-2-ylidene) (1 m) led to partial decomposition of the NHC and formation of the salt [tBuMeIm−H][MeIm ⋅ PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\)] (4 m). The phosphorane PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\) forms adducts with PMe\(_{3}\) but does not react with PPh\(_{3}\) or PCy\(_{3}\). The mer-cis isomer of literature-known Me\(_{3}\)P ⋅ PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\) (5 a) was structurally characterized. Mixtures of the phosphorane PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\) and the sterically encumbered NHCs tBu\(_{2}\)Im, Dipp\(_{2}\)Im, and Dipp\(_{2}\)Im\(^{H2}\) (1,3-bis-(2,6-di-iso-propylphenyl)-imidazolidin-2-ylidene) (1 k) showed properties of FLPs (Frustrated Lewis Pairs) as these mixtures were able to open the ring of THF (tetrahydrofuran) to yield NHC−(CH\(_{2}\))\(_{4}\)O−PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\) 6 i–k. Furthermore, the deprotonation of the weak C−H acids CH\(_{3}\)CN, acetone, and ethyl acetate was achieved, which led to the formation of the corresponding imidazolium salts and the phosphates [PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\)(CH\(_{2}\)CN)]\(^{-}\) (7), [PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\)(OC(=CH\(_{2}\))CH\(_{3}\))]\(^{-}\) (8) and [PF\(_{2}\)(C\(_{2}\)F\(_{5}\))\(_{3}\)(CH\(_{2}\)CO\(_{2}\)Et)]\(^{-}\) (9).
Persistent room temperature phosphorescent (RTP) luminophores have gained remarkable interest recently for a number of applications in security printing, OLEDs, optical storage, time-gated biological imaging and oxygen sensors. We report the first persistent RTP with lifetimes up to 0.5 s from simple triarylboranes which have no lone pairs. We also have prepared 3 isomeric (o, m, p-bromophenyl)-bis(2,6-dimethylphenyl)boranes. Among the 3 isomers (o-, m- and p-BrTAB) synthesized, the ortho-one is the only one which shows dual phosphorescence, with a short lifetime of 0.8 ms and a long lifetime of 234 ms in the crystalline state at room temperature. At last, we checked the RTP properties from the boric acid. We found that the pure boric acid does not show RTP in the solid state.
A practical and direct method was developed for the production of versatile alkyl boronate esters via transition metal-free borylation of primary and secondary alkyl sulfones. The key to the success of the strategy is the use of bis(neopentyl glycolato) diboron (B\(_{2}\)neop\(_{2}\)), with a stoichiometric amount of base as a promoter. The practicality and industrial potential of this protocol are highlighted by its wide functional group tolerance, the late-stage modification of complex compounds, no need for further transesterification, and operational simplicity. Radical clock, radical trap experiments, and EPR studies were conducted which show that the borylation process involves radical intermediates.
A number of novel alkynyl-functionalized diarylbis(dimethylamino)diboranes(4) are prepared by salt metathesis, and the appended alkynyl groups are subjected to hydroboration. Their reactions with monohydroboranes lead to discrete boryl-appended diborane(4) species, while dihydroboranes induce their catenation to oligomeric species, the first known examples of well-characterized macromolecular species with B−B bonds. The oligomeric species were found to comprise up to ten repeat units and are soluble in common organic solvents. Some of the oligomeric species have good air stability and all were characterized by NMR and vibrational spectroscopy and size-exclusion chromatography techniques.
The parent borylene (CAAC)(Me\(_{3}\)P)BH, 1 (CAAC=cyclic alkyl(amino)carbene), acts both as a Lewis base and one-electron reducing agent towards group 13 trichlorides (ECl\(_{3}\), E=B, Al, Ga, In), yielding the adducts 1-ECl\(_{3}\) and increasing proportions of the radical cation [1]\(^{•+}\) for the heavier group 13 analogues. With boron trihalides (BX\(_{3}\), X=F, Cl, Br, I) 1 undergoes sequential adduct formation and halide abstraction reactions to yield borylboronium cations and shows an increasing tendency towards redox processes for the heavier halides. Calculations confirm that 1 acts as a strong Lewis base towards EX3 and show a marked increase in the B−E bond dissociation energies down both group 13 and the halide group.
A case study on the effect of the employment of two different NHC ligands in complexes [Ni(NHC)\(_{2}\)] (NHC=\(^{i}\)Pr\(_{2}\)Im\(^{Me}\) 1\(^{Me}\), Mes\(_{2}\)Im 2) and their behavior towards alkynes is reported. The reaction of a mixture of [Ni\(_{2}\)(\(^{i}\)Pr\(_{2}\)Im\(^{Me}\))\(_{4}\)(μ-(η\(^{2}\) : η\(^{2}\))-COD)] B/ [Ni(\(^{i}\)Pr\(_{2}\)Im\(^{Me}\))\(_{2}\)(η\(^{4}\)-COD)] B’ or [Ni(Mes\(_{2}\)Im)\(_{2}\)] 2, respectively, with alkynes afforded complexes [Ni(NHC)\(_{2}\)(η\(^{2}\)-alkyne)] (NHC=\(^{i}\)Pr\(_{2}\)Im\(^{Me}\): alkyne=MeC≡CMe 3, H\(_{7}\)C\(_{3}\)C≡CC\(_{3}\)H\(_{7}\) 4, PhC≡CPh 5, MeOOCC≡CCOOMe 6, Me\(_{3}\)SiC≡CSiMe\(_{3}\) 7, PhC≡CMe 8, HC≡CC\(_{3}\)H\(_{7}\) 9, HC≡CPh 10, HC≡C(p-Tol) 11, HC≡C(4-\(^{t}\)Bu-C\(_{6}\)H\(_{4}\)) 12, HC≡CCOOMe 13; NHC=Mes\(_{2}\)Im: alkyne=MeC≡CMe 14, MeOOCC≡CCOOMe 15, PhC≡CMe 16, HC≡C(4-\(^{t}\)Bu-C\(_{6}\)H\(_{4}\)) 17, HC≡CCOOMe 18). Unusual rearrangement products 11 a and 12 a were identified for the complexes of the terminal alkynes HC≡C(p-Tol) and HC≡C(4-\(^{t}\)Bu-C\(_{6}\)H\(_{4}\)), 11 and 12, which were formed by addition of a C−H bond of one of the NHC N-\(^{i}\)Pr methyl groups to the C≡C triple bond of the coordinated alkyne. Complex 2 catalyzes the cyclotrimerization of 2-butyne, 4-octyne, diphenylacetylene, dimethyl acetylendicarboxylate, 1-pentyne, phenylacetylene and methyl propiolate at ambient conditions, whereas 1\(^{Me}\) is not a good catalyst. The reaction of 2 with 2-butyne was monitored in some detail, which led to a mechanistic proposal for the cyclotrimerization at [Ni(NHC)\(_{2}\)]. DFT calculations reveal that the differences between 1\(^{Me}\) and 2 for alkyne cyclotrimerization lie in the energy profile of the initiation steps, which is very shallow for 2, and each step is associated with only a moderate energy change. The higher stability of 3 compared to 14 is attributed to a better electron transfer from the NHC to the metal to the alkyne ligand for the N-alkyl substituted NHC, to enhanced Ni-alkyne backbonding due to a smaller C\(_{NHC}\)−Ni−C\(_{NHC}\) bite angle, and to less steric repulsion of the smaller NHC \(^{i}\)Pr\(_{2}\)Im\(^{Me}\).
A 1,8-naphthyridine diphosphine (NDP) reacts with boron-containing Lewis acids to generate complexes featuring a number of different naphthyridine bonding modes. When exposed to diborane B\(_{2}\)Br\(_{4}\), NDP underwent self-deprotonation to afford [NDP-B\(_{2}\)Br\(_{3}\)]Br, an unsymmetrical diborane comprised of four fused rings. The reaction of two equivalents of monoborane BBr\(_{3}\) and NDP in a non-polar solvent provided the simple phosphine-borane adduct [NDP(BBr\(_{3}\))\(_{2}\)], which then underwent intramolecular halide abstraction to furnish the salt [NDP-BBr\(_{2}\)][BBr\(_{4}\)], featuring a different coordination mode from that of [NDP-B\(_{2}\)Br\(_{3}\)]Br. Direct deprotonation of NDP by KHMDS or PhCH2K generates mono- and dipotassium reagents, respectively. The monopotassium reagent reacts with one or half an equivalent of B\(_{2}\)(NMe\(_{2}\))\(_{2}\)Cl\(_{2}\) to afford NDP-based diboranes with three or four amino substituents.
Aminotroponiminate (ATI) ligands are a versatile class of redox-active and potentially cooperative ligands with a rich coordination chemistry that have consequently found a wide range of applications in synthesis and catalysis. While backbone substitution of these ligands has been investigated in some detail, the impact of electron-withdrawing groups on the coordination chemistry and reactivity of ATIs has been little investigated. We report here Li, Na, and K salts of an ATI ligand with a nitro-substituent in the backbone. It is demonstrated that the NO2 group actively contributes to the coordination chemistry of these complexes, effectively competing with the N,N-binding pocket as a coordination site. This results in an unprecedented E/Z isomerisation of an ATI imino group and culminates in the isolation of the first “naked” (i. e., without directional bonding to a metal atom) ATI anion. Reactions of sodium ATIs with silver(I) and tritylium salts gave the first N,N-coordinated silver ATI complexes and unprecedented backbone substitution reactions. Analytical techniques applied in this work include multinuclear (VT-)NMR spectroscopy, single-crystal X-ray diffraction analysis, and DFT calculations.
The synthesis, photophysical, and electrochemical properties of selectively mono-, bis- and tris-dimethylamino- and trimethylammonium-substituted bis-triarylborane bithiophene chromophores are presented along with the water solubility and singlet oxygen sensitizing efficiency of the cationic compounds Cat\(^{1+}\), Cat\(^{2+}\), Cat(i)\(^{2+}\), and Cat\(^{3+}\). Comparison with the mono-triarylboranes reveals the large influence of the bridging unit on the properties of the bis-triarylboranes, especially those of the cationic compounds. Based on these preliminary investigations, the interactions of Cat\(^{1+}\), Cat\(^{2+}\), Cat(i)\(^{2+}\), and Cat\(^{3+}\) with DNA, RNA, and DNApore were investigated in buffered solutions. The same compounds were investigated for their ability to enter and localize within organelles of human lung carcinoma (A549) and normal lung (WI38) cells showing that not only the number of charges but also their distribution over the chromophore influences interactions and staining properties.
Fluorinated groups are essential for drug design, agrochemicals, and materials science. The bis(trifluoromethyl)amino group is an example of a stable group that has a high potential. While the number of molecules containing perfluoroalkyl, perfluoroalkoxy, and other fluorinated groups is steadily increasing, examples with the N(CF\(_{3}\))\(_{2}\) group are rare. One reason is that transfer reagents are scarce and metal-based storable reagents are unknown. Herein, a set of Cu\(^{I}\) and Ag\(^{I}\) bis(trifluoromethyl)amido complexes stabilized by N- and P-donor ligands with unprecedented stability are presented. The complexes are stable solids that can even be manipulated in air for a short time. They are bis(trifluoromethyl)amination reagents as shown by nucleophilic substitution and Sandmeyer reactions. In addition to a series of benzylbis(trifluoromethyl)amines, 2-bis(trifluoromethyl)amino acetate was obtained, which, upon hydrolysis, gives the fluorinated amino acid N,N-bis(trifluoromethyl)glycine.
Boroles are attracting broad interest for their myriad and diverse applications, including in synthesis, small molecule activation and functional materials. Their properties and reactivity are closely linked to the cyclic conjugated diene system, which has been shown to participate in cycloaddition reactions, such as the Diels-Alder reaction with alkynes. The reaction steps leading to boranorbornadienes, borepins and tricyclic boracyclohexenes from the thermal reaction of boroles with alkynes are seemingly well understood as judged from the literature. Herein, we question the long-established mechanistic picture of pericyclic rearrangements by demonstrating that seven-membered borepins (i. e., heptaphenylborepin and two derivatives substituted with a thienyl and chloride substituent on boron) exist in a dynamic equilibrium with the corresponding bicyclic boranorbornadienes, the direct Diels-Alder products, but are not isolable products from the reactions. Heating gradually converts the isomeric mixtures into fluorescent tricyclic boracyclohexenes, the most stable isomers in the series. Results from mechanistic DFT calculations reveal that the tricyclic compounds derive from the boranorbornadienes and not the borepins, which were previously believed to be intermediates in purely pericyclic processes.
The development of complexes featuring low-valent, multiply bonded metal centers is an exciting field with several potential applications. In this work, we describe the design principles and extensive computational investigation of new organometallic platforms featuring the elusive manganese-manganese bond stabilized by experimentally realized N-heterocyclic carbenes (NHCs). By using DFT computations benchmarked against multireference calculations, as well as MO- and VB-based bonding analyses, we could disentangle the various electronic and structural effects contributing to the thermodynamic and kinetic stability, as well as the experimental feasibility, of the systems. In particular, we explored the nature of the metal-carbene interaction and the role of the ancillary η\(^{6}\) coordination to the generation of Mn\(_{2}\) systems featuring ultrashort metal-metal bonds, closed-shell singlet multiplicities, and positive adiabatic singlet-triplet gaps. Our analysis identifies two distinct classes of viable synthetic targets, whose electrostructural properties are thoroughly investigated.
Cyclic alkyl(amino)carbene-stabilized (cyano)hydroboryl anions were synthesized by deprotonation of (cyano)dihydroborane precursors. While they display boron-centered nucleophilic reactivity towards organohalides, generating fully unsymmetrically substituted cyano(hydro)organoboranes, they show cyano-nitrogen-centered nucleophilic reactivity towards haloboranes, resulting in the formation of hitherto unknown linear 2-aza-1,4-diborabutatrienes.
Bis(1-(4-tolyl)-carboran-2-yl)-(4-tolyl)-borane [(1-(4-MeC\(_{6}\)H\(_{4}\))-closo-1,2-C\(_{2}\)B\(_{10}\)H\(_{10}\)-2-)\(_{2}\)(4-MeC\(_{6}\)H\(_{4}\))B] (1), a new bis(o-carboranyl)-(R)-borane was synthesised by lithiation of the o-carboranyl precursor and subsequent salt metathesis reaction with (4-tolyl)BBr\(_{2}\). Cyclic voltammetry experiments on 1 show multiple distinct reduction events with a one-electron first reduction. In a selective reduction experiment the corresponding paramagnetic radical anion 1\(^{.−}\) was isolated and characterized. Single-crystal structure analyses allow an in-depth comparison of 1, 1\(^{.−}\), their calculated geometries, and the S\(_{1}\) excited state of 1. Photophysical studies of 1 show a charge transfer (CT) emission with low quantum yield in solution but a strong increase in the solid state. TD-DFT calculations were used to identify transition-relevant orbitals.
A series of highly substituted 1,2-azaborinines, including a phenylene-bridged bis-1,2-azaborinine, was synthesized from the reaction of 1,2-azaborete rhodium complexes with variously substituted alkynes. 1-Rhoda-3,2-azaborole complexes, which are accessible by phosphine addition to the corresponding 1,2-azaborete complexes, were also found to be suitable precursors for the synthesis of 1,2-azaborinines and readily reacted with alkynyl-substituted 1,2-azaborinines to generate new regioisomers of bi-1,2-azaborinines, which feature directly connected aromatic rings. Their molecular structures, which can be viewed as boron-nitrogen isosteres of biphenyls, show nearly perpendicular 1,2-azaborinine rings. The new method using rhodacycles instead of 1,2-azaborete complexes as precursors is shown to be more effective, allowing the synthesis of a wider range of 1,2-azaborinines.
A novel and convenient methodology for the one-pot synthesis of sterically congested triarylboranes by using bench-stable aryltrifluoroborates as the boron source is reported. This procedure gives systematic access to symmetrically and unsymmetrically substituted triarylboranes of the types BAr\(_{2}\)Ar’ and BArAr'Ar’’, respectively. Three unsymmetrically substituted triarylboranes as well as their iridium-catalyzed C−H borylation products are reported. These borylated triarylboranes contain one to three positions that can subsequently be orthogonally functionalized in follow-up reactions, such as Suzuki-Miyaura cross-couplings or Sonogashira couplings.
A nickel/N-heterocyclic carbene (NHC) catalytic system has been developed for the borylation of aryl sulfoxides with B\(_{2}\)(neop)\(_{2}\) (neop=neopentyl glycolato). A wide range of aryl sulfoxides with different electronic and steric properties were converted into the corresponding arylboronic esters in good yields. The regioselective borylation of unsymmetric diaryl sulfoxides was also feasible leading to borylation of the sterically less encumbered aryl substituent. Competition experiments demonstrated that an electron-deficient aryl moiety reacts preferentially. The origin of the selectivity in the Ni-catalyzed borylation of electronically biased unsymmetrical diaryl sulfoxide lies in the oxidative addition step of the catalytic cycle, as oxidative addition of methoxyphenyl 4-(trifluoromethyl)phenyl sulfoxide to the Ni(0) complex occurs selectively to give the structurally characterized complex trans-[Ni(ICy)\(_{2}\)(4-CF\(_{3}\)-C\(_{6}\)H\(_{4}\)){(SO)-4-MeO-C\(_{6}\)H\(_{4}\)}] 4. For complex 5, the isomer trans-[Ni(ICy)\(_{2}\)(C\(_{6}\)H\(_{5}\))(OSC\(_{6}\)H\(_{5}\))] 5-I was structurally characterized in which the phenyl sulfinyl ligand is bound via the oxygen atom to nickel. In solution, the complex trans-[Ni(ICy)\(_{2}\)(C\(_{6}\)H\(_{5}\))(OSC\(_{6}\)H\(_{5}\))] 5-I is in equilibrium with the S-bonded isomer trans-[Ni(ICy)\(_{2}\)(C\(_{6}\)H\(_{5}\))(SOC\(_{6}\)H\(_{5}\))] 5, as shown by NMR spectroscopy. DFT calculations reveal that these isomers are separated by a mere 0.3 kJ/mol (M06/def2-TZVP-level of theory) and connected via a transition state trans-[Ni(ICy)\(_{2}\)(C\(_{6}\)H\(_{5}\))(η\(^{2}\)-{SO}-C\(_{6}\)H\(_{5}\))], which lies only 10.8 kcal/mol above 5.
A series of 9-borafluorene derivatives, functionalised with electron-donating groups, have been prepared. Some of these 9-borafluorene compounds exhibit strong yellowish emission in solution and in the solid state with relatively high quantum yields (up to 73.6 % for FMesB-Cz as a neat film). The results suggest that the highly twisted donor groups suppress charge transfer, but the intrinsic photophysical properties of the 9-borafluorene systems remain. The new compounds showed enhanced stability towards the atmosphere, and exhibited excellent thermal stability, revealing their potential for application in materials science. Organic light-emitting diode (OLED) devices were fabricated with two of the highly emissive compounds, and they exhibited strong yellow-greenish electroluminescence, with a maximum luminance intensity of >22 000 cd m\(^{-2}\). These are the first two examples of 9-borafluorene derivatives being used as light-emitting materials in OLED devices, and they have enabled us to achieve a balance between maintaining their intrinsic properties while improving their stability.
We report four new luminescent tetracationic bis-triarylborane DNA and RNA sensors that show high binding affinities, in several cases even in the nanomolar range. Three of the compounds contain substituted, highly emissive and structurally flexible bis(2,6-dimethylphenyl-4-ethynyl)arene linkers (3: arene=5,5′-2,2′-bithiophene; 4: arene=1,4-benzene; 5: arene=9,10-anthracene) between the two boryl moieties and serve as efficient dual Raman and fluorescence chromophores. The shorter analogue 6 employs 9,10-anthracene as the linker and demonstrates the importance of an adequate linker length with a certain level of flexibility by exhibiting generally lower binding affinities than 3–5. Pronounced aggregation–deaggregation processes are observed in fluorimetric titration experiments with DNA for compounds 3 and 5. Molecular modelling of complexes of 5 with AT-DNA, suggest the minor groove as the dominant binding site for monomeric 5, but demonstrate that dimers of 5 can also be accommodated. Strong SERS responses for 3–5 versus a very weak response for 6, particularly the strong signals from anthracene itself observed for 5 but not for 6, demonstrate the importance of triple bonds for strong Raman activity in molecules of this compound class. The energy of the characteristic stretching vibration of the C≡C bonds is significantly dependent on the aromatic moiety between the triple bonds. The insertion of aromatic moieties between two C≡C bonds thus offers an alternative design for dual Raman and fluorescence chromophores, applicable in multiplex biological Raman imaging.
Alkylboronates play an important role in synthetic chemistry, materials science and drug discovery. They are easy to handle due to their good air and moisture stability, and can be readily employed to form carbon–carbon and carbon–heteroatom bonds and can be converted to various functional groups under mild reaction conditions. Compared with conventional groups, such as aryl (pseudo)halides or alcohols, organosulfur compounds represent an alternative and complimentary substitute in coupling reactions. The construction of C–B bond from C–SO bond of aryl sulfoxide is presented in Chapter 2. The selective cleavage of either alkyl(C)-sulfonyl or aryl(C)-sulfonyl bonds of an aryl alkyl sulfone via Cu-free or Cu-mediated processes generates the corresponding boronate esters, which are presented in Chapter 3 and Chapter 4. 1,2-Bis(boronate esters) are emerging as important synthetic intermediates for preparing 1,2-difunctional compounds. In addition, the boryl moieties in different environments in a 1,2-bis(boronate ester) can be differentiated and converted selectively, allowing the synthesis of a wide variety of complex molecules. A direct and selective diboration of C–X and C–O bonds for the preparation of 1,2-bis(boronate esters) is presented in Chapter 5.
Two N-methylpyridinium compounds and analogous N-protonated salts of 2- and 2,7-substituted 4-pyridyl-pyrene compounds were synthesised and their crystal structures, photophysical properties both in solution and in the solid state, electrochemical and spectroelectrochemical properties were studied. Upon methylation or protonation, the emission maxima are significantly bathochromically shifted compared to the neutral compounds, although the absorption maxima remain almost unchanged. As a result, the cationic compounds show very large apparent Stokes shifts of up to 7200 cm\(^{-1}\). The N-methylpyridinium compounds have a single reduction at ca. −1.5 V vs. Fc/Fc\(^+\) in MeCN. While the reduction process was reversible for the 2,7-disubstituted compound, it was irreversible for the mono-substituted one. Experimental findings are complemented by DFT and TD-DFT calculations. Furthermore, the N-methylpyridinium compounds show strong interactions with calf thymus (ct)-DNA, presumably by intercalation, which paves the way for further applications of these multi-functional compounds as potential DNA-bioactive agents.
A one-pot synthesis of a CAAC-stabilized, unsymmetrical, cyclic diborene was achieved via consecutive two-electron reduction steps from an adduct of CAAC and B\(_2\)Br\(_4\)(SMe\(_2\))\(_2\). Theoretical studies revealed that this diborene has a considerably smaller HOMO–LUMO gap than those of reported NHC- and phosphine-supported diborenes. Complexation of the diborene with [AuCl(PCy\(_3\))] afforded two diborene–Au\(^I\) π complexes, while reaction with DurBH\(_2\), P\(_4\) and a terminal acetylene led to the cleavage of B−H, P−P, and C−C π bonds, respectively. Thermal rearrangement of the diborene gave an electron-rich cyclic alkylideneborane, which readily coordinated to Ag\(^I\) via its B=C double bond.
The NHC-stabilised diboryne (B\(_2\)(SIDep)\(_2\); SIDep=1,3-bis(2,6-diethylphenyl)imidazolin-2-ylidene) undergoes a high-yielding P−P bond activation with tetraethyldiphosphine at room temperature to form a B\(_2\)P\(_2\) heterocycle via a diphosphoryldiborene by 1,2-diphosphination. The heterocycle can be oxidised to a radical cation and a dication, respectively, depending on the oxidant used and its counterion. Starting from the planar, neutral 1,3-bis(alkylidene)-1,3-diborata-2,4-diphosphoniocyclobutane, each oxidation step leads to decreased B−B distances and loss of planarity by cationisation. X-ray analyses in conjunction with DFT and CASSCF/NEVPT2 calculations reveal closed-shell singlet, butterfly-shaped structures for the NHC-stabilised dicationic B\(_2\)P\(_2\) rings, with their diradicaloid, planar-ring isomers lying close in energy.
Adducts of the parent boraphosphaketene H\(_2\)BPCO and their decarbonylative insertion chemistry
(2021)
The first examples of Lewis base adducts of the parent boraphosphaketene (H\(_2\)B-PCO) and their cyclodimers are prepared. One of these adducts is shown to undergo mild decarbonylation and phosphinidene insertion into a B−C bond of a borole, forming very rare examples of 1,2-phosphaborinines, B/P isosteres of benzene. The strong donor properties of these 1,2-phosphaborinines are confirmed by the synthesis of their π complexes with the Group 6 metals.
The dimethylbismuth cation: entry into dative Bi-Bi bonding and unconventional methyl exchange
(2021)
The dimethyl bismuth cation, [BiMe\(_2\)(SbF\(_6\))], has been isolated and characterized. Reaction with BiMe\(_3\) allows access to the first compound featuring Bi→Bi donor–acceptor bonding. In solution, dynamic behavior with methyl exchange via an unusual S\(_E\)2 mechanism is observed, underlining the unique properties of bismuth species as soft Lewis acids with the ability to undergo reversible Bi−C bond cleavage.
The reduction of a cyclic alkyl(amino)carbene (CAAC)-stabilized organoberyllium chloride yields the first neutral beryllium radical, which was characterized by EPR, IR, UV/Vis spectroscopy and X-ray crystallography. DFT calculations show significant spin density at beryllium and confirm donor–acceptor bonding between an alkylberyllium radical fragment and a neutral CAAC ligand.
The 1,3-bis(tricyanoborane)imidazolate anion 1 was obtained in high yield from lithium imidazolate and B(CN)\(_3\)−pyridine adduct. Anion 1 is chemically very robust and thus allowed the isolation of the corresponding H\(_5\)O\(_2\)\(^+\) salt. Furthermore, monoanion 1 served as starting species for the novel dianionic N-heterocyclic carbene (NHC), 1,3-bis(tricyanoborane)imidazoline-2-ylidenate anion 3 that acts as ditopic ligand via the carbene center and the cyano groups at boron. First reactions of this new NHC 3 with methyl iodide, elemental selenium, and [Ni(CO)\(_4\)] led to the methylated imidazolate ion 4, the dianionic selenium adduct 5, and the dianionic nickel tricarbonyl complex 6. These NHC derivatives provide a first insight into the electronic and steric properties of the dianionic NHC 3. Especially the combination of properties, such as double negative charge, different coordination sites, large buried volume and good σ-donor and π-acceptor ability, make NHC 3 a unique and promising ligand and building block.
Phenylpyridyl-fused boroles [TipPBB1]\(_4\) and TipPBB2 were synthesized and their properties investigated. [TipPBB1]\(_4\) forms a tetramer in both the solid state and solution. TipPBB2 contains a 4-coordinate boron atom in the solid state but dissociates to give a 3-coordinate boron species in solution. TipPBB2 shows interesting temperature-dependent dual fluorescence in solution because of the equilibrium between 3- and 4-coordinate boron species due to weak N⋅⋅⋅B intermolecular coordination.
A novel protocol for the transition metal-free 1,2-addition of polyfluoroaryl boronate esters to aldehydes and ketones is reported, which provides secondary alcohols, tertiary alcohols, and ketones. Control experiments and DFT calculations indicate that both the ortho-F substituents on the polyfluorophenyl boronates and the counterion K\(^+\) in the carbonate base are critical. The distinguishing features of this procedure include the employment of commercially available starting materials and the broad scope of the reaction with a wide variety of carbonyl compounds giving moderate to excellent yields. Intriguing structural features involving O−H⋅⋅⋅O and O−H⋅⋅⋅N hydrogen bonding, as well as arene-perfluoroarene interactions, in this series of racemic polyfluoroaryl carbinols have also been addressed.
Reduction of (CAAC)BBr\(_2\)(NCS) (CAAC=cyclic alkyl(amino)carbene) in the presence of a Lewis base L yields tricoordinate (CAAC)LB(NCS) borylenes which undergo reversible E/Z-isomerization. The same reduction in the absence of L yields deep blue, bis(CAAC)-stabilized, boron-doped, aromatic thiazolothiazoles resulting from the dimerization of dicoordinate (CAAC)B(NCS) borylene intermediates.
Persistent room-temperature phosphorence from purely organic molecules and multi-component systems
(2021)
Recently, luminophores showing efficient room-temperature phosphorescence (RTP) have gained tremendous interest due to their numerous applications. However, most phosphors are derived from transition metal complexes because of their intrinsic fast intersystem crossing (ISC) induced by strong spin–orbit coupling (SOC) constants of the heavy metal.
Metal-free RTP materials are rare and have become a promising field because they are inexpensive and environmentally friendly. This review summarizes organic molecular materials with long triplet lifetimes at room temperature from the perspective of whether they stem from a molecular or multi-component system. Among purely organic phosphors, heteroatoms are usually introduced into the backbone in order to boost the singlet–triplet ISC rate constant.
In multi-component systems, useful strategies such as host–guest, polymer matrix, copolymerization, and supramolecular assembly provide a rigid matrix to restrict nonradiative pathways thus realizing ultralong RTP.
Im Rahmen dieser Arbeit war es möglich, diverse dinukleare Platinphosphankomplexe darzustellen, wodurch unteranderem neuartige unsymmetrische (N- Aminoboryl)aminoboryl Pt-Komplexe, Borandiyl- und Diboran-1,2-diyl-verbrückte Diplatin-A-Frame Komplexe synthetisiert und charakterisiert werden konnten. Der abschließende Teil dieser Arbeit befasst sich mit den ersten Versuchen zur Darstellung von Polyboranen durch eine Palladium-vermittelte Kreuzkupplungsreaktion.
We report the generation, spectroscopic characterization, and computational analysis of the first free (non-stabilized) organometallic bismuthinidene, BiMe. The title compound was generated in situ from BiMe\(_3\) by controlled homolytic Bi–C bond cleavage in the gas phase. Its electronic structure was characterized by a combination of photoion mass-selected threshold photoelectron spectroscopy and DFT as well as multi-reference computations. A triplet ground state was identified and an ionization energy (IE) of 7.88 eV was experimentally determined. Methyl abstraction from BiMe\(_3\) to give [BiMe(_2\)]• is a key step in the generation of BiMe. We reaveal a bond dissociation energy of 210 ± 7 kJ mol\(^{−1}\), which is substantially higher than the previously accepted value. Nevertheless, the homolytic cleavage of Me–BiMe\(_2\) bonds could be achieved at moderate temperatures (60–120 °C) in the condensed phase, suggesting that [BiMe\(_2\)]• and BiMe are accessible as reactive intermediates under these conditions.
Investigations concerning the reactivity of the N‐heterocyclic silylene Dipp\(_{2}\)NHSi (1, 1,3‐bis(2,6‐diisopropylphenyl)‐1,3‐diaza‐2‐silacyclopent‐4‐en‐2‐ylidene) towards selected alanes and boranes, elemental halides X\(_{2}\) (X=Br, I), selected halide containing substrates such as tin chlorides and halocarbons, as well as organoazides are presented. The NHSi adducts Dipp\(_{2}\)NHSi⋅AlI\(_{3}\) (2), Dipp\(_{2}\)NHSi⋅Al(C\(_{6}\)F\(_{5}\))\(_{3}\) (3), and Dipp\(_{2}\)NHSi⋅B(C\(_{6}\)F\(_{5}\))\(_{3}\) (4) were formed by the reaction of Dipp\(_{2}\)NHSi with the corresponding Lewis acids AlI\(_{3}\), Al(C\(_{6}\)F\(_{6}\))\(_{3}\) and B(C\(_{6}\)F\(_{5}\))\(_{3}\). Adducts 3 and 4 were tested with respect to their ability to activate small organic molecules, but no frustrated Lewis pair reactivity was observed. Reactions of Dipp\(_{2}\)NHSi with Br\(_{2}\), I\(_{2}\), Ph\(_{2}\)SnCl\(_{2}\) and Me\(_{3}\)SnCl led to formation of Dipp\(_{2}\)NHSiBr\(_{2}\) (5), Dipp\(_{2}\)NHSiI\(_{2}\) (6), Dipp\(_{2}\)NHSiCl\(_{2}\) (7) and {(Me\(_{3}\)Sn)N(Dipp)CH}\(_{2}\) (8), respectively. The reaction with the halocarbons methyl iodide, benzyl chloride, and benzyl bromide afforded the insertion products Dipp\(_{2}\)NHSi(I)(CH\(_{3}\)) (9), Dipp\(_{2}\)NHSi(Cl)(CH\(_{2}\)Ph) (10) and Dipp\(_{2}\)NHSi(Br)(CH\(_{2}\)Ph) (11). Reaction of Dipp\(_{2}\)NHSi with the organoazides Ad‐N\(_{3}\) (Ad=adamantyl) and TMS‐N\(_{3}\) (TMS=trimethylsilyl) led to the formation of 1‐Dipp\(_{2}\)NHSi‐2,5‐bis(adamantyl)‐tetrazoline (12) and bis(trimethylsilyl)amido azido silane (13), respectively. For 2,6‐(diphenyl)phenyl‐N\(_{3}\) C−H activation occurs and a cyclosilamine 14 was isolated.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese, Funktionalisierung und Reaktivität von 1,4,2,3-Diazadiborininen untersucht. Zu Beginn sollten Bis(dimethylamino)-substituierte Diazadiborinine mit unterschiedlichen Resten an den Stickstoffatomen dargestellt werden, deren weitere Funktionalisierung später im Fokus stand. Die Synthese erfolgte durch Reduktion von 1,4-Diazabutadienen mit elementarem Lithium und anschließender Salzeliminierungsreaktion mit B2(NMe2)2Cl2. Dadurch ließen sich die monocyclischen vier N,N’-Diaryl-substituierten Diazadiborinine sowie ein Alkyl-substituiertes Diazadiborinin darstellen. Durch etablierte Methoden der Diboran(4)-Chemie wurden diese in ihre Halogenderivate (Cl, Br, I) überführt. Aus diesen konnten drei 2,3-Diazido-1,4,2,3-diazadiborinine durch Umsetzung mit TMSN3 aus den Dihalogenderivaten dargestellt werden. Diese stellen hierbei die ersten isolierten Diboran(4)azidverbindugen dar. Ebenso gelang die Synthese eines bicyclischen Naphthalinisosters, welches erneut erfolgreich in seine Halogenderivate sowie das Diazdidoderivat überführt werden konnte. Einen Einblick in den Mechanismus der 1,4,2,3-Diazadiborininbildung ermöglichte die Isolierung eines Diazadiboretidinintermediats, welches durch doppelte Salzeliminierung entsteht. Dieses erwies sich jedoch als metastabil und lagerte zum Sechsring Diazadiborinin um. Quantenchemische Berechnungen unterstutzten die experimentellen Befunde. Über Kommutierungsreaktionen konnte eine Vielzahl an B,B‘-unsymmetrisch substituierten Diazadiborininen dargestellt und isoliert werden, wobei je nach verwendeten Startmaterialien entweder Gleichgewichtsreaktionen oder quantitative Umsetzungen beobachtet wurden.
Ebenso wurde die Reaktivität der neuartigen Diazidodiborane(4) gegenüber Lewis-Basen untersucht. Sowohl das monocyclische Diazadiborinin, als auch das Benzodiazadiborinin konnten mit NHC-Basen zu den fünf verschiedenen Addukten umgesetzt werden. Unter thermischer Belastung wurde bei den monocyclischen Addukten eine Staudinger-artige Reaktion beobachtet, die unter Freisetzung von N2 zur Bildung von Guanadin-substituierten Diborane(4) führte. Die Benzodiazadiborininaddukte zeigten jedoch eine gänzlich andere Reaktivität. Hier fand eine Ringverkleinerungsreaktion unter Bildung von Diazaborolen statt, welche unter Wanderung einer Azidfunktion auf das NHC-stabilisierte Boratom gebildet wurden. Auf diese Weise konnten drei 1,1-Diamino-2,2-diazidodiborane(5) isoliert werden. Während bei der Umsetzung des Naphtalenderivats mit cAAC keine selektive Reaktion beobachtet wurde, reagierte das monocyclische Diazadiborinin mit zwei Äquivalenten cAAC. Hier bedingte das erste Carbon eine Staudinger-artige Reaktion, die unter Distickstofffreisetzung zu einem Formamidin führte. Die zweite Azidgruppe wurde am $\gamma$-Stickstoffatom von einem weiteren Äquivalent cAAC koordiniert.
In weiteren Reaktivitätsstudien wurde die Generierung von transienten Iminoboranen aus Diazidodiazadiborininen untersucht. Die Diazide zeigten bei Temperaturen von über 150 °C ein sehr selektives Reaktionsverhalten und gingen unter Freisetzung von Distickstoff zu 1,3,2,4-Diazadiboretidin über, wobei dies über die Dimerisierung eines intermediär gebildeten siebengliedrigen, endocyclischen Iminoborans verlief. Der Mechanismus zur Bildung der transienten Iminoborane wurde anhand zweier möglicher Bildungswege mit quantenchemischen Methoden untersucht.
Im letzten Kapitel wurde die Reaktivität des Dihydrodiazadiborinins gegenüber
NHC- und cAAC-Lewis-Basen untersucht. Die Umsetzung mit cAAC führte zu einer B–H-Bindungsaktivierung durch das Carbenkohlenstoffatom, die vermutlich über eine Adduktspezies verläuft. Mit dem gesättigten NHC SIMes wurde ebenfalls keine Adduktbildung beobachtet, auch wenn ein derartiges Intermediat vermutlich durchlaufen wird. Als Produkt der Umsetzung wurde indes ein bicyclisches Molekül identifiziert, welches durch doppelte Ringerweiterung gebildet wurde. Mit ungesättigten NHCs wurden drei Addukte isoliert, welche jedoch nur metastabil waren und beim Erwärmen in bicyclische Verbindungen umlagerten. Die Umlagerungsprodukte konnten weiterhin durch Koordination eines weiteren Äquivalents IMe an die B–H-Funktionalität erneut zu Addukten umgesetzt werden.
Die Bildung der zweier bicyclischer Verbindungen wurde ebenfalls mit quantenchemischen Methoden untersucht, wobei ein vierstufiger Prozess durchlaufen wird. Nach der Bildung des NHC-Addukts erfolgt die Übertragung eines Hydrids auf das Carbenkohlenstoffatom. Durch Insertion eines Boratoms in die NC-Bindung des Carbenrings wird eine Spiroverbindung gebildet und im letzten Schritt folgt die Spaltung der BB-Bindung durch Insertion des ehemaligen Carbenkohlenstoffatoms, was zur Bildung der Bicyclen führt.
This thesis investigates different ligand designs for Ru(II) complexes and the activity of the complexes as photosensitizer (PS) in photocatalytic hydrogen evolution. The catalytic system typically contains a catalyst, a sacrificial electron donor (SED) and a PS, which needs to exhibit strong absorption and luminescence, as well as reversible redox behavior. Electron-withdrawing pyridine substituents on the terpyridine metal ion receptor result in an increase of excited-state lifetime and quantum yield (Φ = 74*10-5; τ = 3.8 ns) and lead to complex III-C1 exhibiting activity as PS. While the turn-over frequency (TOFmax) and turn-over number (TON) are relatively low (TOFmax = 57 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(44 h) = 134 mmolH2 molPS-1), the catalytic system is long-lived, losing only 20% of its activity over the course of 12 days. Interestingly, the heteroleptic design in III-C1 proves to be beneficial for the performance as PS, despite III-C1 having comparable photophysical and electrochemical properties as the homoleptic complex IV-C2 (TOFmax = 35 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(24 h) = 14 mmolH2 molPS-1). Reductive quenching of the excited PS by the SED is identified as rate-limiting step in both cases.
Hence, the ligands are designed to be more electron-accepting either via N-methylation of the peripheral pyridine substituents or introduction of a pyrimidine ring in the metal ion receptor, leading to increased excited-state lifetimes (τ = 9–40 ns) and luminescence quantum yields (Φ = 40–400*10-5). However, the more electron-accepting character of the ligands also results in anodically shifted reduction potentials, leading to a lack of driving force for the electron transfer from the reduced PS to the catalyst. Hence, this electron transfer step is found to be a limiting factor to the overall performance of the PS. While higher TOFmax in hydrogen evolution experiments are observed for pyrimidine-containing PS (TOFmax = 300–715 mmolH2 molPS-1 min-1), the longevity for these systems is reduced with half-life times of 2–6 h.
Expansion of the pyrimidine-containing ligands to dinuclear complexes yields a stronger absorptivity (ε = 100–135*103 L mol-1 cm-1), increased luminescence (τ = 90–125 ns, Φ = 210–350*10-5) and can also result in higher TOFmax given sufficient driving force for electron transfer to the catalyst (TOFmax = 1500 mmolH2 molPS-1 min-1). When comparing complexes with similar driving forces, stronger luminescence is reflected in a higher TOFmax. Besides thermodynamic considerations, kinetic effects and electron transfer efficiency are assumed to impact the observed activity in hydrogen evolution. In summary, this work shows that targeted ligand design can make the previously disregarded group of Ru(II) complexes with tridentate ligands attractive candidates for use as PS in photocatalytic hydrogen evolution.