Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

Reactivity of Cationic Terminal Borylene Complexes: Novel Mechanisms for Insertion and Metathesis Chemistry Involving Strongly Lewis Acidic Ligand Systems

The reactions of terminal borylene complexes of the type [CpFe(CO)(2)(BNR2)](+) (R = `Pr, Cy) with heteroallenes have been investigated by quantum-chemical methods, in an attempt to explain the experimentally observed product distributions. Reaction with dicyclohexylcarbodiimide (CyNCNCy) gives a bis-insertion product, in which 1 equiv of carbodiimide is assimilated into each of the Fe=B and B=N double bonds to form a spirocyclic boronium system. In contrast, isocyanates (R'NCO, R' = Ph, 2,6-wXy1, CY; XYl = C6H3Me2) react to give isonitrile complexes of the type [CpFe(CO)(2)(CNR')]+, via a net oxygen abstraction (or formal metathesis) process. Both carbodiimide and socyanate substrates are shown to prefer initial attack at the Fe=B bond rather than the B=N bond of the borylene complex. Further mechanistic studies reveal that the carbodiimide reaction ultimately leads to the bis-insertion compounds [CpFe(CO)(2)C(NCy)(2)B(NCY)(2)CNR2](+), rather than to the isonitrile system [CpFe(CO)(2)(CNCy)](+), on the basis of both thermodynamic (product stability) and kinetic considerations (barrier heights). The mechanism of the initial carbodiimide insertion process is unusual in that it involves coordination of the substrate at the (borylene) ligand followed by migration of the metal fragment, rather than a more conventional process: i.e., coordination of the unsaturated substrate at the metal followed by ligand migration. In the case of isocyanate substrates, metathesis products are competitive with those from the insertion pathway. Direct, single-step metathesis reactivity to give products containing a coordinated isonitrile ligand (i.e. [CpFe(CO)(2)(CNR')](+)) is facile if initial coordination of the isocyanate at boron occurs via the oxygen donor (which is kinetically favored); insertion chemistry is feasible when the isocyanate attacks initially via the nitrogen atom. However, even in the latter case, further reaction of the monoinsertion product so formed with excess isocyanate offers a number of facile (low energetic barrier) routes which also generate ['CpFe(CO)(2)(CNR')](+), rather than the bis-insertion product [CpFe(CO)(2)C(NR')(O)B(NR')(O)CNR2](+) (i.e., the direct analogue of the observed products in the carbodiimide reaction).

Synthesis and characterization of novel neutral nickel complexes bearing fluorinated salicylaidiminato ligands and their catalytic behavior for vinylic polymerization of norbornene

A series of salicylaldimine-based neutral Ni(II) complexes (3a-j) [ArN = CH(C6H40)]Ni(PPh3)Ph [3a,Ar = C6H5; 3b,Ar = C6H4F(o); 3c, Ar = C6H4F(m); 3d, Ar = C6H4F(p); 3e, Ar = C6H3F2(2,4); 3f, Ar = C6H3F2(2,5); 3g, Ar = C6H3F2(2,6); 3h, Ar = C6H3F2(3,5); 3i, Ar = C6H2F3(3,4,5); 3j, Ar = C6H5] have been synthesized in good yield, and the structures of complexes 3a and 3i have been confirmed by X-ray crystallographic analysis. Using modified methylaluminoxane as a cocatalyst, these neutral Ni(II) complexes exhibited high catalytic activities for the vinylic polymerization of norbornene.

Synthesis, structure and norbornene polymerization behavior of nickel complexes bearing two beta-ketoiminato chelate ligands

A series of nickel(II) complexes bearing two nonsymmetric bidentate beta-ketoiminato chelate ligands have been prepared, and the structures of complexes [(2,6-Me2C6H3)NC(CH3)C(H)C(Ph)O](2)Ni (4a) and [(2,6-Me2C6H3)NC(CH3)C(H)C(CF3)O](2)Ni (4c) have been confirmed by X-ray crystallographic analysis. These nickel(II) complexes were investigated as catalysts for the vinylic polymerization of norbornene. Using modified methylaluminoxane (MMAO) as a cocatalyst, these complexes display very high activities and produce high molecular weight polymers. Catalytic activity of up to 1.16 x 10(4) kg/mol(Ni) .h and the viscosity-average molecular 9 weight of polymer of up to 870 kg/mol were observed. Catalyst activity, polymer yield, and polymer molecular weight could be controlled over a wide range by the variation of the reaction parameters such as Al/Ni molar ratio, norbornene/catalyst molar ratio, monomer concentration, polymerization reaction temperature and time.

Nickel complexes catalyzed Heck reaction of iodobenzene and methyl acrylate

Nickel appears the most promising for the replacement of palladium among the inexpensive transition metals for that it is active for Heck reaction and about 500 times cheaper than palladium. In this article, we describe our recent results in the area of nickel-catalyzed Heck vinylations. Main focus is on the influence of ligand concentration in different organic solvents and the effects of the addition of water. The conversion is high in NMP and increases with increasing of PPh3/Ni ratio; in ethanol and toluene the conversion presents a maximum value on Ni(PPh3)(2). The effect of the addition of water is sensitive to the concentration of PPh3 and the nature of solvent, it was well explained with the formation and transfer of the active species in the different solvent systems.

Cationic palladium(II) complexes as catalysts for the oxidation of terminal olefins to methyl ketones using hydrogen peroxide.

Ligated Pd(II) complexes have been studied for the catalytic oxidation of terminal olefins to their corresponding methyl ketones. The method uses aqueous hydrogen peroxide as the terminal oxidant; a sustainable and readily accessible oxidant. The choice of ligand, counterion and solvent all have a significant effect on catalytic performance and we were able to develop systems which perform well for these challenging oxidations.

Asymmetric hydrogenation of alkenes with cationic iridium(I) complexes of 2-phosphino-1-aminoferrocene ligands

Iridium complexes with bidentate P,N ligands represent a class of catalysts that significantly expand the application range of asymmetric hydrogenation. New substrate classes, for which there have previously been no suitable catalysts, can now be efficiently hydrogenated in high conversion and enantioselectivity. These substrates are often of synthetic importance, thus iridium catalysis represents a significant advance in the field of asymmetric catalysis. Planar chiral ferrocenyl aminophosphine ligands in which both heteroatoms were directly bound to the cyclopentadienyl ring were prepared by BF3-activated lithiationsubstitution in the presence of a chiral diamine in 49-59% yield and 75-85% enantiomeric excess. Some of these ligands were recrystallized to enantiomeric purity via ammonium fluoroborate salt formation of the phosphine sulfide. A crystal structure of one of these compounds was obtained and features an intramolecular hydrogen bond between the nitrogen, hydrogen, and sulfur atoms. Neutralization, followed by desulfurization, provided the free ligands in enantiomeric purity. Iridium complexes with these ligands were formed via reaction with [Ir(COD)Clh followed by anion exchange with NaBArF. These complexes were successfully applied in homogeneous hydrogenation of several prochiral substrates, providing products in up to 92% enantiomeric excess. Variation of the dimethyl amino group to a pyrrolidine group had a negative effect on the selectivity of hydrogenation. Variation of the substituents on phosphorus to bulkier ortho-tolyl groups had a positive effect, while variation to the more electron rich dicyclohexyl phosphine had a negative effect on selectivity.

The crucial importance of agostic interactions in intermediates formed in propylene polymerization using neutral salicyladiminato palladium(II) and nickel complexes as catalysts

The structures of intermediates formed in propylene polymerisation using neutral salicyladiminato palladium(II) and nickel(II) complexes as catalysts have been investigated using density functional theory. Calculations show that all low energy intermediates contain agostic interactions either between the metal and a hydrogen from the added propylene forming four- or five-membered chelate rings, or, when a phenyl ring is present, between the metal and an aromatic C-C bond. The agostic interactions with the metal are concomitant with changes in ligand dimensions and electronic properties. In particular when a metal to hydrogen bond is formed, there is a lengthening of the C-H bond. Significant differences are found for the agostic interactions with palladium and nickel in that for Pd there is a clear preference for specific intermediates but for Ni there are several different structures with similar energies which are likely to lead to a greater variety of products on further polymerisation. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Crystal structures of the copper and nickel complexes of RNase A: Metal-induced interprotein interactions and identification of a novel copper binding motif

We report the crystal structures of the copper and nickel complexes of RNase A. The overall topology of these two complexes is similar to that of other RNase A structures. However, there are significant differences in the mode of binding of copper and nickel. There are two copper ions per molecule of the protein, but there is only one nickel ion per molecule of the protein. Significant changes occur in the interprotein interactions as a result of differences in the coordinating groups at the common binding site around His-105. Consequently, the copper- and nickel-ion-bound dimers of RNase A act as nucleation sites for generating different crystal lattices for the two complexes. A second copper ion is present at an active site residue His-119 for which all the ligands are from one molecule of the protein. At this second site, His-119 adopts an inactive conformation (B) induced by the copper. We have identified a novel copper binding motif involving the α-amino group and the N-terminal residues.

Formation of stable cationic lipid/DNA complexes for gene transfer.

Stable cationic lipid/DNA complexes were formed by solubilizing cationic liposomes with 1% octylglucoside and complexing a DNA plasmid with the lipid in the presence of detergent. Removal of the detergent by dialysis yielded a lipid/DNA suspension that was able to transfect tissue culture cells up to 90 days after formation with no loss in activity. Similar levels of gene transfer were obtained by mixing the cationic lipid in a liposome form with DNA just prior to cell addition. However, expression was completely lost 24 hr after mixing. The transfection efficiency of the stable complex in 15% fetal calf serum was 30% of that obtained in the absence of serum, whereas the transient complex was completely inactivated with 2% fetal calf serum. A 90-day stability study comparing various storage conditions showed that the stable complex could be stored frozen or as a suspension at 4 degrees C with no loss in transfection efficiency. Centrifugation of the stable complex produced a pellet that contained approximately 90% of the DNA and 10% of the lipid. Transfection of cells with the resuspended pellet and the supernatant showed that the majority of the transfection activity was in the pellet and all the toxicity was in the supernatant. Formation of a stable cationic lipid/DNA complex has produced a transfection vehicle that can be stored indefinitely, can be concentrated with no loss in transfection efficiency, and the toxicity levels can be greatly reduced when the active complex is isolated from the uncomplexed lipid.

The syntheses and characterization of nickel complexes; investigation of Ni(dppp)2 and [NiX(dppp)n]x, potentially catalytically active nickel(0)/(I) species for cross-coupling reactions

This thesis describes an investigation in which we compare Ni(0), Ni(I) and Ni(II) complexes containing 1,3-bis(diphenylphosphino)propane (dppp) as a phosphine ligand for their abilities to effect three types of cross-coupling reactions: Buchwald-Hartwig Amination, Heck-Mizoroki, and Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions with different types of substrates. The Ni(0) complex Ni(dppp)2 is known and we have synthesized it via a new procedure involving zinc reduction of the known NiCl2(dppp) in the presence of an excess of dppp. The Ni(0) complex was characterized by NMR spectroscopy and X-ray crystallography. Since Ni(I) complexes of dppp seem unknown, we have synthesized what at this stage appear to be NiXdpppn/[NiX(dppp)n]x (X = Cl, Br, I; n = 1,2, x = 1, 2) by comproportionation of molar equivalents of Ni(dppp)2 and NiX2dppp, X= Cl, Br, I.

The syntheses and characterization of nickel complexes; investigation of Ni(dppp)2 and [NiX(dppp)n]x, potentially catalytically active nickel(0)/(I) species for cross-coupling reactions

This thesis describes an investigation in which we compare Ni(0), Ni(I) and Ni(II) complexes containing 1,3-bis(diphenylphosphino)propane (dppp) as a phosphine ligand for their abilities to effect three types of cross-coupling reactions: Buchwald-Hartwig Amination, Heck-Mizoroki, and Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions with different types of substrates. The Ni(0) complex Ni(dppp)2 is known and we have synthesized it via a new procedure involving zinc reduction of the known NiCl2(dppp) in the presence of an excess of dppp. The Ni(0) complex was characterized by NMR spectroscopy and X-ray crystallography. Since Ni(I) complexes of dppp seem unknown, we have synthesized what at this stage appear to be NiXdpppn/[NiX(dppp)n]x (X = Cl, Br, I; n = 1,2, x = 1, 2) by comproportionation of molar equivalents of Ni(dppp)2 and NiX2dppp, X= Cl, Br, I.

Complexes pinceurs de type POCOP de Nickel (II) : synthèse, caractérisation, réactivité et applications catalytiques

Ce mémoire décrit la synthèse, la caractérisation spectroscopique et l’étude de la réactivité catalytique d’une nouvelle série de complexes pinceurs de Ni(II) formés à partir du ligand POCOPPh (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H4), très peu étudié dans le cas du nickel. Les études décrites dans ce mémoire examinent l’effet des substituants des phosphines sur les propriétés spectroscopiques et électrochimiques ainsi que les activités catalytiques. La synthèse du ligand a été améliorée par rapport à la procédure connue dans la littérature en diminuant le temps de réaction à 30 min et la température jusqu'à température ambiante. Les composés pinceur (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H3)NiX ont été obtenus avec des rendements variant entre 60% et 88%. Le premier complexe a été synthétisé en faisant réagir le précurseur NiBr2(NCCH3)x avec le ligand POCOPPh pour donner (POCOPPh)NiBr. Ce dernier réagit par la suite avec les sels d’argent et de potassium pour donner 4 nouveaux complexes soient : (POCOPPh)NiCN, (POCOPPh)NiOTf, (POCOPPh)NiOAc et (POCOPPh)NiONO2 (OTf = triflate et OAc = acetate). Vu la réactivité limitée du dérivé bromure, le dérivé (POCOPPh)NiOTf a été utilisé pour la préparation du composé (POCOPPh)NiCCPh. Le dérivé Ni-OTf a été utilisé également pour la synthèse des complexes (POCOPPh)NiR qui ont été détectés par RMN. Ces complexes (POCOPPh)NiR ont montré une stabilité trop faible et donnent des nouveaux complexes de type (POCOPPh)NiX en échangeant l’halogène avec le Mg ou de type (POCOPPh)NiOH en s’hydrolysant. Les espèces cationiques [(POCOPPh)NiNCR][OTf] (R= Me, CHCH2, CHCHMe, C(Me)CH2, NCCH2CH2N(Ph)H) ont été obtenues facilement et avec des bon rendements à partir du (POCOPPh)NiOTf. Tous les composés obtenus ont été caractérisés par la spectroscopie RMN (1H, 13C{1H}, 31P{1H}, 19F{1H}), la spectroscopie IR et la spectroscopie UV-vis. L’analyse élémentaire et l’analyse par la diffraction des rayons X, dont le but est de résoudre la structure à l’état solide, ont été utilisées pour la plupart des complexes. Des études de voltampérométrie cyclique ont été menées pour déterminer la densité électronique des centres métalliques et l’effet des phosphines sur cette propriété électrochimique. Dans le but de déterminer l’effet des substituants des phosphines sur l’activité catalytique des complexes, nous avons évalué les réactivités catalytiques des deux complexes (POCOPPh)NiOTf et (POCOPi-Pr)NiOTf dans la réaction d’hydroamination des oléfines activés et plus spécifiquement l’acrylonitrile. Après optimisation des conditions expérimentales, on a constaté que la réactivité des deux composés sont similaires mais une grande différence apparaît après l’ajout des additifs. En effet, le complexe (POCOPi-Pr)NiOTf donne une bonne activité catalytique en présence de la triéthylamine, tandis que cette activité diminue considérablement en présence d’eau, contrairement au complexe (POCOPPh)NiOTf qui est plus actif en présence d’eau. Dans le cas du complexe (POCOPPh)NiOTf, on a pu montrer que la base se coordonne au nickel dans le produit formé après la réaction d’hydroamination, ce qui diminue l’activité de ce complexe dans certains cas. Également on a exploré la réaction de l’addition du lien O-H sur l’acrylonitrile, et étonnamment le complexe (POCOPPh)NiOTf est beaucoup plus actif que son homologue (POCOPi-Pr)NiOTf dans le cas des alcools aromatiques. Par contre, les alcools aliphatiques restent un défi majeur pour ce genre de complexe. Le mécanisme de cette réaction qui a été proposé montre que l’alcoolyse passe par les deux intermédiaires (POCOPPh)NiOAr et [(POCOPPh)NiOAr][HOAr] mais l’isolation de ces intermédiaires observés par RMN semble être difficile.

Complexes pinceurs de cobalt et de nickel : synthèse, caratérisation, réactivité

Plusieurs nouveaux complexes pinceurs de cobalt et de nickel ont été préparés avec le ligand pinceur de type POCOP : 2,6-(i-Pr2PO)2C6H4. Dans le cas du cobalt, une nouvelle voie de synthèse a été développée. Contrairement au cas du nickel, il s’agit ici de cobalt au degré d’oxydation +III. Les composés obtenus sont paramagnétiques. En outre, le dérivé bromé est instable à la lumière et se décompose en perdant un brome pour former le complexe pinceur de Co(II). La réactivité de ces complexes a été étudiée. Pour ce qui est du nickel, la catalyse de l’hydroamination a été élargie aux dérivés de l’acrylonitrile et aux amines aromatiques. En outre, la réaction d’hydroaryloxylation a été étudiée dans les mêmes conditions. Enfin, avec le 4-cyanostyrène et le cinnamonitrile, la formation d’amidines a été observée. Un complexe pinceur portant cette amidine a été isolé. Enfin, le cation réagit avec des anions fortement coordonnants tels le cyanure ou l’isocyanate. En outre, l’anion triflate peut être déplacé par l’eau, l’acrylonitrile et ses dérivés. Enfin, une réactivité particulière a été observée avec la morpholine, l’acétone et un mélange 1:1 aniline/triéthylamine.