金属有机化学基础-过渡金属卡宾和卡拜配合物及催化应用.ppt

1 金属有机化学基础 第9章过渡金属卡宾和卡拜配合物及催化应用 2 9 1定义 过渡金属卡宾配合物 以双键与过渡金属键合的配合物 过渡金属卡拜配合物 以叁键与过渡金属键合的配合物 9 2过渡金属卡宾配合物的类型和结构特点 Fischer卡宾Schrock卡宾 3 9 2 1Fischer卡宾 1964年 Fischer小组制备了第一个过渡金属M C双键化合物 并以非常活泼的有机卡宾CR2的名字将其命名为卡宾 ErnstO FischerTechnicalUniversityofMunich Germany Cr CO 6与Li N iPr2 反应 用Et3O 处理得结构类似的卡宾 其晶体结构数据如下 结构数据表明卡宾的电子结构更像是以下共振式的杂化 这些共振式都使Cr金属中心带有负电荷 其余5个羰基作为好的p 受体 可以接受金属的p 反馈键 因而可以很好 消化 这一负电荷 使结构得以稳定 Fischer卡宾通常被看作是中性2e 给体 与金属的键更接近常规的单键 虽然我们经常将之表示为双键 卡宾碳可认为是sp2杂化 提供一对孤对电子与金属形成单键 其剩余的空轨道 纯p轨道 与其邻位杂原子的孤对电子作用 当然金属的p 反馈键也会与之竞争 杂原子竞争能力有如下顺序N S O 当金属缺电子时 如连接有多个好的p 受体 如CO 这时不能很好地进行p 反馈 从而我们得到更接近M C单键 我们还是画成双键 而C N键之间存在部分双键性 大多数Fischer卡宾为d6构型 将卡宾看作为中性2e配体 但也存在d4和d8构型 单线态卡宾 从前述分析 我们可以看出Fischer卡宾中 M C键的强度受以下几个方面的影响 对以下几个金属卡宾配合物的M C键强度进行排序 1 卡宾碳上是有相邻的可以提供p 键作用的基团 数目情况 a 卡宾碳相邻一个杂原子 b 相邻Ph c 相邻两个杂原子2 金属中心的电子数情况 电子密度情况如何 金属中心均为d6a 结构中含一个CO 好的p 受体 P OMe 3不是好的s 给体 相对好的p 受体 b 结构中三个PMe3是好的s 给体c 结构中含四个CO 好的p 受体 所以b 结构中金属中心的电子密度最大 结论 b a c结构b 金属中心有较多的电子密度可用于p 反馈给卡宾碳空p轨道 且b 中卡宾碳从相邻杂原子所获得的p 作用最小 a 的情况次之 c 中金属中心有少的电子密度可用于p 反馈给卡宾碳空p轨道 卡宾碳空p轨道接受更多其邻位氧原子的p 键作用 Fischer卡宾中 卡宾的s 给予性质强于p 反馈 因此卡宾碳带有正电性 易受亲核试剂进攻 故又称为亲电性卡宾 而金属表现为一定的负电性 易受亲电试剂进攻 大多数的Fischer卡宾都属于弱成键的 其结构特点为金属中心为d6构型 中 后过渡金属 含有CO配体 卡宾部分相邻有强的p 给电子体 亲核进攻 亲电进攻 9 9 2 2Schrock卡宾 Schrockalkylidenes RichardSchrockMIT 1973年 RichardSchrock制备了第一个前过渡金属M C双键化合物 但由于其反应性质与Fischer卡宾迥然不同 因此他将之命名为alkylidene 与大多数Fischer卡宾不同的是 这一类型的过渡金属配合物具有非常明显的M C双键性 RichardSchrock将之命名为alkylidene 不仅是因为M C明显的双键性 也因为其与Fischer卡宾相比具有几乎相反的反应性 Schrock卡宾通常被看作是二阴离子的4e 给体 卡宾部分是叁线态卡宾 一个sp2杂化轨道和剩余的p轨道各有一个电子 与同样是叁线态的含有两个自旋不成对d电子的金属中心作用成键 卡宾碳上供电子的烷基取代使其具有负电性 因而可接受亲电试剂进攻 是亲核性卡宾 Schrock卡宾结构中的金属中心通常为12 16e 常为14e 这说明金属上仍具有多个空轨道 可以接受亲核试剂的进攻 叁线态卡宾 Fischer卡宾和Schrock卡宾成键方式的比较 9 2 3两种卡宾的对比 Fischer卡宾和Schrock卡宾结构和反应性的对比 14 9 2 4怎样计算两种金属卡宾的价电子数 1 将两者都看作是中性的2e 给体 虽然我们仍表示为M C 2 将两者都看作是二价阴离子4e 给体 3 将Fischercarbene看作是中性2e 给体 具有d6或d8电子的中 后过渡金属 4 将Schrockalkylidene看作是二价阴离子4e 给体 具有d0 d2电子的第4 5族金属 以及高氧化态的后过渡金属 怎样计算Fischercarbenes和Schrockalkylidenes的价电子数 建议大家一致 一贯采用第二种方法 当总体考虑金属的外层价电子数时 几种方法均会给出相同的结果 Schrock卡宾 Fischer卡宾 16 9 3过渡金属卡宾的合成方法 卡宾的合成 由过渡金属 碳单键转化法卡宾前体法过渡金属卡宾转化法 9 3 1由过渡金属 碳单键转化法 1 从过渡金属羰基配合物及类似物出发 Fischer卡宾 利用亲核试剂对电正性的羰基碳进攻 17 由Mo CO 6 Cr CO 6 Mn2 CO 10 Re2 CO 10 Fe CO 5 Ni CO 4等过渡金属羰基化合物为原料 用此法都可以制得相应的卡宾配合物 以烷基锂为亲核试剂 18 以含杂原子的锂为亲核试剂进攻羰基碳 得到含两个杂原子的Fischer卡宾 以含杂原子的锂为亲核试剂 19 2 a 消除反应 Schrock卡宾 20 Fischer卡宾阳离子 Schrock卡宾阳离子 21 9 3 2卡宾前体法 含有卡宾结构单元的化合物 如重氮化合物 咪唑盐 氮杂环烯烃 二氯甲烷衍生物等与过渡金属有机配合物通过氧化加成 配体置换等反应 得到过渡金属卡宾配合物 配位不饱和的过渡金属配合物 主要是7 9族和重氮化合物反应 合成Schrock卡宾的常用方法 咪唑盐在碱性条件下原位生成的氮杂环卡宾立即与羰基铁反应 置换掉一分子CO配体 生成铁卡宾配合物 富电子的四胺基乙烯与过渡金属羰基配合物反应 双键断裂生成过渡金属卡宾配合物 1 二氯 2 3 二苯基环丙烯分子中的氯很活泼 能与五羰基铬合二钠反应 脱掉两分子氯化钠得到三元碳环结构的铬卡宾配合物 亚胺 膦叶立德等化合物与过渡金属羰基配合物反应 提供一个亚烃基生成Schrock卡宾配合物 23 9 3 3过渡金属卡宾转化法 通过配体置换反应 使一个过渡金属卡宾配合物上的卡宾配体置换另一个过渡金属有机配合物分子中的一个配体 9 4过渡金属卡宾配合物的化学性质 过渡金属Fischer和Schrock卡宾配合物在结构上存在许多差别 使它们的化学性质也相差很大 亲核进攻 1 卡宾碳具有电正性 易受亲核进攻 2 卡宾碳的a 氢有酸性 与碱反应 3 亲电试剂可以进攻卡宾碳相邻杂原子4 羰基配体可发生配体置换 亲电进攻 碱 配体置换 Fischer卡宾 Schrock卡宾 1 卡宾碳具有电负性 易受亲电进攻 2 卡宾碳氢有酸性 与碱反应 3 烷基配体可发生配体置换 碱 亲电进攻 配体置换 9 4 1Fischer卡宾的化学性质 1 卡宾碳上亲核取代反应 在氢质子催化下 一些含氮 硫的有机化合物可对卡宾碳进行亲核进攻 取代该碳原子上的烷氧基 得到含这些杂原子取代的Fischer卡宾配合物 2 过渡金属卡宾阴离子的反应 卡宾基上的a 氢是活泼的与丁基锂反应放出丁烷 生成卡宾阴离子 BuLi PhCHO 3 亲电试剂与卡宾碳上杂原子反应 Fischer卡宾配合物中的杂原子有一孤对电子 它易受亲电试剂进攻 生成物再发生消除反应 得到过渡金属卡拜配合物 X 9 4 2Schrock卡宾的化学性质 1 与亲电试剂反应 2 碱与卡宾碳上氢的反应 Schrock卡宾配合物卡宾碳上的氢有酸性 丁基锂可夺去它 生成过渡金属卡拜配合物 3 配体置换反应 典型的Schrock钽卡宾配合物 与两分子叔膦反应后钽周围就更拥挤了 只能发生a 消除反应 生成双卡宾配合物 也可以发生新戊基配体与卡宾碳上的氢的消除反应 得到钽卡拜配合物 30 9 5过渡金属卡拜配合物 1973年 Fischer偶然获得了第一个过渡金属M C叁键化合物 并根据炔 alkyne 将之命名为carbyne 卡拜 9 5 1结构特点 31 1978年 Schrock获得了前过渡金属的类似配合物 他称之为alkylidynes 卡拜 Fischercarbyne和Schrockalkylidyne在结构上尽管有些许不同 但主要方面是一致的 因此可将两者同等对待 均看作是三价阴离子的6e 给体 作为碱帮助消除HCl 卡拜部分是强的给电子体 电负性不高的碳上带有 3电荷 以下结构进一步说明卡拜的强供电子作用 金属卡拜的叁键性可以从一个典型金属络合物的X ray晶体结构数据说明 9 5 2过渡金属卡拜的合成方法 用Fischer卡宾制备利用亲电试剂进攻卡宾碳相连的杂原子 2 用Schrock卡宾制备利用卡宾碳的酸性或可消除中性分子 35 9 6Schrock卡宾的应用 9 6 1烯烃的交互置换 移位 易位 复分解 反应 烯烃交互置换反应 是在过渡金属Schrock卡宾配合物催化下两分子烯烃的碳 碳双键重新组合的反应 由丙烯经交互置换反应得到乙烯和2 丁烯 称三烯过程 这是最早工业化的实例 9 6 1 1金属卡宾催化的烯烃移位反应类型 交叉移位 关环移位 开环移位聚合 非环二烯移位聚合 开环交叉移位反应 不对称关环移位反应 开环移位聚合 E O Fischer 9 6 1 2烯烃交互置换反应催化剂的发展 1 Tebbe Petasis试剂 Tebbe试剂 作为亚甲基化试剂 作为ROMP催化剂 Cp2TiMe2Petasis试剂 更稳定 易于保存 2 Schrock移位催化剂 3 Grub