STUDIES ON OLEFIN-COORDINATING TRANSITION-METAL CARBENE COMPLEXES .20. SYNTHESIS OF 1,3-CYCLOHEXADIENE(DICARBONYL) [ETHOXY(ARYL)-CARBENE]IRON COMPLEXES AND THEIR PHOSPHINE ADDUCTS - CRYSTAL-STRUCTURE OF C6H8(CO)2FEC(OC2H5)C6H4CH3-O

Reaction of 1,3-cyclohexadiene(tricarbonyl)iron (1) with ortho-substituted aryllithium reagents ArLi (Ar=o-CH3C6H4, o-CH3OC6H4, o-CF3C6H4) in ether at low temperature, and subsequent alkylation of the acylmetalates formed with Et3OBF4 in aqueous solution at 0-degrees-C or in CH2Cl2 at -60-degrees-C gave the 1,3-cyclohexadiene(dicarbonyl)[ethoxy(aryl)carbene]iron complexes (eta4-C6H8)(CO)2FeC(OC2H5)Ar (3, Ar = o-CH3C6H4; 4, Ar = o-CH3OC6H4), and the isomerized product (eta3-C6H8)(CO)2FeC(OC2H5)C6H4CF3-o (5), respectively, among which the structure of 3 has been established by an X-ray diffraction study. Complex 3 is monoclinic, space group P2(1) with a = 8.118(4), b = 7.367(4), c = 14.002(6) angstrom, beta = 104.09(3)-degrees, V = 812.2(6) angstrom3, Z = 2, D(c) = 1.39 g cm-3, R = 0.056, and R(w) = 0.062 for 976 observed reflections. Complexes 3 and 5 were converted into the chelated allyliron phosphine adducts(eta3-C6H8)(CO)2(PR31)FeC(OC2H5)Ar (6, Ar = o-CH3C6H4, R1 = Ph; 7, Ar = o-CH3C6H4, R1 = OPh; 9, Ar = o-CF3C6H4, R1 = Ph), by reaction with phosphines in petroleum ether at low temperatures.

N-Heterocyclic carbene complexes of silver, rhodium and iron: structures, dynamics and catalysis

The research performed in the framework of this Master Thesis has been directly inspired by the recent work of an organometallic research group led by Professor Maria Cristina Cassani on a topic related to the structures, dynamics and catalytic activity of N-heterocyclic carbene-amide rhodium(I) complexes1. A series of [BocNHCH2CH2ImR]X (R = Me, X = I, 1a’; R = Bz, X = Br, 1b’; R = trityl, X = Cl, 1c’) amide-functionalized imidazolium salts bearing increasingly bulky N-alkyl substituents were synthetized and characterized. Subsequently, these organic precursors were employed in the synthesis of silver(I) complexes as intermediate compounds on a way to rhodium(I) complexes [Rh(NBD)X(NHC)] (NHC = 1-(2-NHBoc-ethyl)-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl, R = Me (3a’), R = Bz (3b’), R = trityl (3c’); X = I, R = Me (4a’)). VT NMR studies of these complexes revealed a restricted rotation barriers about the metal-carbene bond. However, while the rotation barriers calculated for the complexes in which R = Me, Bz (3a’,b’ and 4a) matched the experimental values, this was not true in the trityl case 3c’, where the experimental value was very similar to that obtained for compound 3b’ and much smaller with respect to the calculated one. In addition, the energy barrier derived for 3c’ from line shape simulation showed a strong dependence on the temperature, while the barriers measured for 3a’,b’ did not show this effect. In view of these results and in order to establish the reasons for the previously found inconsistency between calculated and experimental thermodynamic data, the first objective of this master thesis was the preparation of a series of rhodium(I) complexes [Rh(NBD)X(NHC)] (NHC = 1-benzyl-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl, R = Me, Bz, trityl, tBu), containing the benzyl substituent as a chiral probe, followed by full characterization. The second objective of this work was to investigate the catalytic activity of the new rhodium compounds in the hydrosilylation of terminal alkynes for comparison purposes with the reported complexes. Another purpose of this work was to employ the prepared N-heterocyclic ligands in the synthesis of iron(II)-NHC complexes.

N-Heterocyclic carbene complexes of rhodium: structures, dynamics and catalysis

A series of imidazolium salts of the type [BocNHCH2CH2ImR]X (Boc = t-Bu carbamates; Im = imidazole) (R = Me, X = I, 1a; R = Bn, X = Br, 1b; R = Trityl, X = Cl, 1c) and [BnImR’]X (R’ = Me, X = Br, 1d; R’ = Bn, X = Br, 1e; R’ = Trityl, X = Cl, 1g; R’ = tBu, X = Br, 1h) bearing increasingly bulky substituents were synthetized and characterized. Subsequently, these precursors were employed in the synthesis of silver(I)-N-heterocyclic (NHC) complexes as transmetallating reagents for the preparation of rhodium(I) complexes [RhX(NBD)(NHC)] (NHC = 1-(2-NHBoc-ethyl)-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl; R = Me, 4a; R = Bn, 4b; R = Trityl, 4c; X = I, R = Me, 5a; NHC = 1-Bn-3-R’-imidazolin-2-ylidene; X = Cl; R’ = Me, 4d, R’ = Bn, 4e, R’ = Trityl, 4g; R’ = tBu, 4h). VT NMR studies of these complexes revealed a restricted rotation barriers about the metal-carbene bond. While the rotation barriers calculated for the complexes in which R = Me, Bn (4a,b,d,e and 5a) matched the experimental values, this was not true for the complexes 4c,g, bearing a trityl group for which the values are much smaller than the calculated ones. Energy barriers for 4c,g, derived from a line shape simulation, showed a strong dependence on the temperature while for 4h the rotational energy barrier is stopped at room temperature. The catalytic activity of the new rhodium compounds was investigated in the hydrosilylation of terminal alkynes and in the addition of phenylboronic acid to benzaldehyde. The imidazolium salts 1d,e were also employed in the synthesis of new iron(II)-NHC complexes. Finally, during a six-months stay at the University of York a new ligand derived from Norharman was prepared and employed in palladium-mediated cross-coupling.

Aqueous ring-opening metathesis polymerizations

Past workers in this group as well as in others have made considerable progress in the understanding and development of the ring-opening metathesis polymerization (ROMP) technique. Through these efforts, ROMP chemistry has become something of an organometallic success story. Extensive work was devoted to trying to identify the catalytically active species in classical reaction mixtures of early metal halides and alkyl aluminum compounds. Through this work, a mechanism involving the interconversion of metal carbenes and metallacyclobutanes was proposed. This preliminary work finally led to the isolation and characterization of stable metal carbene and metallacyclobutane complexes. As anticipated, these well-characterized complexes were shown to be active catalysts. In a select number of cases, these catalysts have been shown to catalyze the living polymerization of strained rings such as norbornene. The synthetic control offered by these living systems places them in a unique category of metal catalyzed reactions. To take full advantage of these new catalysts, two approaches should be explored. The first takes advantage of the unusual fact that all of the unsaturation present in the monomer is conserved in the polymer product. This makes ROMP techniques ideal for the synthesis of highly unsaturated, and fully conjugated polymers, which find uses in a variety of applications. This area is currently under intense investigation. The second aspect, which should lend itself to fruitful investigations, is expanding the utility of these catalysts through the living polymerization of monomers containing interesting functional groups. Polymer properties can be dramatically altered by the incorporation of functional groups. It is this latter aspect which will be addressed in this work.

After a general introduction to both the ring-opening metathesis reaction (Chapter 1) and the polymerization of fuctionalized monomers by transition metal catalysts (Chapter 2), the limits of the existing living ROMP catalysts with functionalized monomers are examined in Chapter 3. Because of the stringent limitations of these early metal catalysts, efforts were focused on catalysts based on ruthenium complexes. Although not living, and displaying unusually long induction periods, these catalysts show high promise for future investigations directed at the development of catalysts for the living polymerization of functionalized monomers. In an attempt to develop useful catalysts based on these ruthenium complexes, efforts to increase their initiation rates are presented in Chapter 4. This work eventually led to the discovery that these catalysts are highly active in aqueous solution, providing the opportunity to develop aqueous emulsion ROMP systems. Recycling the aqueous catalysts led to the discovery that the ruthenium complexes become more activated with use. Investigations of these recycled solutions uncovered new ruthenium-olefin complexes, which are implicated in the activation process. Although our original goal of developing living ROMP catalysts for the polymerization of fuctionalized monomers is yet to be realized, it is hoped that this work provides a foundation from which future investigations can be launched.

In the last chapter, the ionophoric properties of the poly(7-oxanobornene) materials is briefly discussed. Their limited use as acyclic host polymers led to investigations into the fabrication of ion-permeable membranes fashioned from these materials.

Sels de tétraarylphosphonium : synthèse et application à la synthèse de la (–)-coniine ; capacité trans-directrice du groupement amide en cyclopropanation d’oléfines

Le développement ainsi que l’amélioration des différentes techniques de purification sont des défis importants pour la chimie d’aujourd’hui. Certaines des méthodes actuelles, tel que le greffage d’un réactif sur un support solide permettant d’accéder à un produit pur par simple filtration du milieu, comportent toutefois certains inconvénients. En effet, les propriétés de solubilité de ces polymères rendent la mise en œuvre des réactions plus difficiles. C’est dans ce contexte que le groupe du Pr. Charette a rapporté l’utilisation de réactifs liés à un sel de tétraarylphosphonium (TAP). Ces sels peuvent être solubilisés dans un solvant tel que le dichlorométhane et aisément retirés du milieu réactionnel par précipitation à l’aide d’éther diéthylique (Chapitre 1). L’un des objectifs de cette thèse a donc été lié à la découverte de deux méthodes complémentaires qui, jusqu’à présent, sont considérées comme des méthodes de choix pour la synthèse des sels de TAP fonctionnalisés (Chapitre 2). L’une d’entre elles est utilisée par Soluphase inc., une entreprise qui commercialise ces sels de TAP. L’efficacité des sels en tant que support dans la synthèse de petites molécules a été démontrée lors de la synthèse d’un produit naturel, la (–)-coniine (Chapitre 3). L’isolement des intermédiaires synthétiques instables par simple précipitation à l’aide d’un support de TAP a permis de rendre cette synthèse plus efficace que celle déjà connue. Dans le deuxième volet de cette thèse, plusieurs problèmes reliés à la synthèse de dérivés cyclopropaniques 1,1-disubstitués ont été étudiés. Ces derniers font partie intégrale de plusieurs produits naturels et de médicaments. Cependant, leur formation par une réaction de cyclopropanation d’alcènes utilisant des réactifs diazoïques possédant deux groupements de type accepteur n’est pas tâche facile (Chapitre 4). En effet, cette réaction souffre d’un faible contrôle diastéréosélectif. Par le fait même, très peu de méthodologies de synthèse ont rapporté l’utilisation de ce type de réactifs diazoïques dans des réactions de cyclopropanation stéréosélectives. L’étude du mécanisme de la réaction de cyclopropanation catalysée au Rh(II) a proposé des indices favorisant un modèle ayant des précédents dans la littérature (Chapitre 5). Ces études nous ont mené à la découverte de la «capacité trans-directrice» du groupement amide lors des réactions de cyclopropanation d’oléfines. Nous avons donc utilisé cette propriété afin de résoudre plusieurs problèmes rencontrés dans la littérature. Nous avons montré qu’elle permet l’accès à des dérivés cyclopropaniques possédant deux groupements carboxyliques géminaux avec des sélectivités élevées (Chapitre 6). Ces produits étaient accessibles que par des séquences synthétiques nécessitant plusieurs étapes. De plus, nous avons démontrés que ces nouveaux dérivés cyclopropaniques sont des outils synthétiques fort utiles dans la synthèse de produits naturels d’intérêt biologique. Cette formidable «capacité trans-directrice» du groupement amide nous a permi de résoudre le problème de la synthèse asymétrique de dérivés carboxyliques α-cyano cyclopropaniques (Chapitre 7). De plus, ce projet nous a menées à la découverte de l’effet de divers additif achiraux permettant d’augmenter la sélectivité dans certaines réactions. Cette réaction possède une vaste étendue et l’utilité de ces nouveaux dérivés cyclopropaniques a été démontrée par plusieurs transformations de groupements fonctionnels.

Synthèse stéréosélective de dérivés cyclopropaniques di-accepteurs par catalyse avec des complexes de rhodium(II)

Les dérivés cyclopropaniques di-accepteurs représentent des intermédiaires synthétiques précieux dans l’élaboration de structures moléculaires complexes, ayant des applications dans plusieurs domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse de ces unités sous forme énantioenrichie en utilisant la cyclopropanation d’alcènes par catalyse avec des complexes de Rh(II) utilisant des composés diazoïques di-accepteurs comme substrats. Suite au développement initial d’une méthode de cyclopropanation d’alcènes catalytique asymétrique utilisant des nitro diazocétones, de multiples études expérimentales quant au mécanisme de stéréoinduction dans ce type de réaction ont été effectuées. Nous avons alors pu identifier le groupement p-méthoxyphénylcétone du substrat et le catalyseur Rh2(S-TCPTTL)4 comme étant une combinaison clé pour l’atteinte de diastéréosélectivités et d’excès énantiomères élevés. Ceci a mené au développement de deux autres méthodes de cyclopropanation stéréosélectives distinctes, utilisant soit une cyano diazocétone ou un céto diazoester. Nous avons démontré l’utilité des dérivés cyclopropaniques énantioenrichis obtenus par ces trois méthodes dans une panoplie de manipulations synthétiques, dont l’addition nucléophile d’amines et de cuprates, la cycloaddition formelle avec un aldéhyde, et la synthèse de dérivés cyclopropaniques importants en chimie médicinale. Une étude structurelle approfondie des complexes de Rh(II) chiraux nous a permis de déterminer les facteurs responsables de leur pouvoir d’énantioinduction dans notre système réactionnel, ce qui a d’énormes implications dans d’autres méthodologies utilisant ces mêmes catalyseurs. Le dévoilement d’une conformation inattendue dite ‘All-up’, ainsi que de la présence d’interactions stabilisantes régissant la rigidité de cet arrangement se sont avérés cruciaux dans notre compréhension du mécanisme. Dans le cadre de cette investigation, nous avons développé une méthode générale pour la synthèse de complexes de Rh(II) hétéroleptiques, multipliant ainsi le nombre de catalyseurs accessibles dans l’élaboration éventuelle de nouvelles réactions stéréosélectives, et nous permettant d’effectuer une étude structurelle plus détaillée. De plus, nous avons développé une méthode particulièrement efficace pour la synthèse d’un autre type de dérivé cyclopropanique di-accepteur par catalyse avec des complexes de Rh(II), les cyano-cyclopropylphosphonates. Les produits de cette transformation sont obtenus avec des énantiosélectivités élevées, et sont des substrats intéressants pour des réactions tandem d’ouverture de cycle par addition nucléophile / oléfination de composés carbonylés. De plus, ces composés sont des précurseurs de molécules utiles en chimie médicinale tels que les acides aminocyclopropylphosphoniques.

ROMP como um método versátil para a obtenção de materiais poliméricos diferenciados

Ring Opening Metathesis Polymerization (ROMP) of cyclic olefins is a powerful transition metal-catalyzed reaction for syntheses of polymers and copolymers. The key feature of this reaction is the [2+2]-cycloaddition mechanism, with retention of the olefinic unsaturation in the polymer chain and occurrence of living polymerization. With the development of metal-carbene type catalysts for this process, many addressed polymeric materials have been successfully prepared to be employed in several fields of the science and technology. This review summarizes recent examples of syntheses of polymers with amphiphilic features such as block, graft, brush or star copolymers; as well syntheses of biomaterials, dendronized architectures, photoactive polymers, cross-linked or self-healing materials, and polymers from renewed supplies.

Tridentate CCC-Pincer Bis(carbene)-Ligated Rare-Earth Metal Dibromides. Synthesis and Characterization

The first xylene-bridged bis(N-heterocyclic carbene) (bis(NHC))-ligated CCC-pincer rare-earth metal dibromides (PBNHC)LnBr(2)(THF) (PBNHC = 2,6-(2,4,6-Me3C6H2NCHCHNCCH2)(2)C6H3; 1: Ln = Sc; 2: Ln = Lu; 3: Lu = Sm) were prepared by in situ treatment of a THF suspension of 2,6-bis(1-mesitylimidazolium methyl)-1-bromobenzene dibromides ((PB-NHC-Br) center dot 2HBr) and lanthanide trichlorides (LnCl(3)) with dropwise addition of nBuLi at room temperature.

Highly 3,4-selective living polymerization of isoprene with rare earth metal fluorenyl N-heterocyclic carbene precursors

Fluorenyl modified N-heterocyclic carbene ligated rare earth metal bis(alkyl) complexes, (Flu-NHC)Ln(CH2SiMe3)2 (Flu-NHC = (C13H8CH2CH2(NCHCCHN)C6H2Me3-2,4,6); Ln = Sc (1a); Ln = Y (1b); Ln = Ho (1c); Ln = Lit (1d)), were synthesized and fully characterized by NMR and X-ray diffraction analyses. Complexes Ib-d with the activation of (AlBu3)-Bu-i and [Ph3C][B(C6F5)4] exhibited high activity, medium syndio-but remarkably high 3,4-regio-selectivity, and the unprecedented livingness for the polymerization of isoprene. Such distinguished catalytic performances could be maintained under various monomer-to-initiator ratios (500-5000) and broad polymerization temperatures (25-80 degrees C).

Copolymerization of ethylene with norbornene catalyzed by cationic rare earth metal fluorenyl functionalized N-heterocyclic carbene complexes

Rare earth metal bis(alkyl) complexes attached by fluorenyl modified N-heterocyclic carbene (NHC) (Flu-NHC)Ln(CH2SiMe3)(2) (Flu-NHC = (C13H8CH2CH2(NCHCCHN)C6H2Me3-2,4,6); Ln = Sc (2a); Y (2b); Ho (2c); Lu (2d)), ((tBu)Flu-NHC)Ln(CH2SiMe3)(2) ((tBu)Flu-NHC = 2,7-(Bu2C13H6CH2CH2)-Bu-t(NCHCCHN)C6H2Me3-2,4,6; Ln = Sc (1a); Lu (1d)) and attached by indenyl modified N-heterocyclic carbene (Ind-NHC)Ln(CH2SiMe3)(2) (Ind-NHC = C9H6CH2CH2(NCHCCHN)C6H2Me3-2,4,6; Ln = Sc (3a); Lu (3d)), under the activation of (AlBu3)-Bu-i and [Ph3C][B(C6F5)(4)], showed varied catalytic activities toward homo- and copolymerization of ethylene and norbornene. Among which the scandium complexes, in spite of ligand type, exhibited medium to high catalytic activity for ethylene polymerization (10(5) g mol(Sc)(-1) h(-1) atm(-1)), but all were almost inert to norbornene polymerization. Remarkably, higher activity was found for the copolymerization of ethylene and norbornene when using Sc based catalytic systems, which reached up to 5 x 10(6) g mol(Sc)(-1) h(-1) atm(-1) with 2a. The composition of the isolated copolymer was varying from random to alternating according to the feed ratio of the two monomers (r(E) = 4.1, r(NB) = 0.013).

Synthesis of the first rare earth metal bis(alkyl)s bearing an indenyl functionalized N-heterocyclic carbene

Treatment of indenyl-modified imidazolium bromide [C9H7CH2CH2(NCHCHN(C6H2Me3-2,4,6)CH)Br] ((IndH-NHC-H)Br) with rare earth metal tetra(alkyl) lithium (Ln(CH2SiMe3)(4)Li(THF)(4)) or with (trimethylsilylmethyl)lithium (LiCH2SiMe3) and rare earth metal tris(alkyl)s (Ln(CH2SiMe3)(3)(THF)(2)) sequentially afforded the first NHC-stabilized monomeric rare earth metal bis(alkyl) complexes (Ind-NHC)Ln(CH2SiMe3)(2) (1, Ln = Y; 2, Ln = Lu; 3, Ln = Sc) via double-deprotonation reactions. Complexes 1-3 are THF-free isostructural monomers. The monoanionic Ind-NHC species bond to the central metal ion in a eta(5):kappa(1) constrained geometry configuration (CGC) mode, which combine with the two cis-located alkyl moieties to form a tetrahedron ligand core, leading to the chirality of the complexes. Under the presence of activators AlEt3 and [Ph3C][B(C6F5)(4)], complex 2 showed catalytic activity toward the polymerization of isoprene to afford 3,4-regulated polyisoprene (91%).

Synthesis of transition metal N-heterocyclic carbene complexes and applications in catalysis

Les ligands de carbènes N-hétérocycliques (NHC) qui possèdent une symétrie C1 attirent beaucoup l’attention dans la littérature. Le présent projet de recherche propose de synthétiser une nouvelle série de ligands NHC C1-symétriques avec deux groupements N-alkyles qui exploitent un relais chiral. Un protocole modulaire et efficace pour la synthèse des sels d’imidazolium chiraux qui servent comme préligands pour les NHC a été développé. Quelques-uns de ces nouveaux ligands ont été installés sur le cuivre et de l’or, créant de nouveaux complexes chiraux. Les nouveaux complexes à base de cuivre ont été évalués comme catalyseurs pour le couplage oxydatif de 2-naphthols. Les ligands C1-symmétriques ont fourni des meilleurs rendements que les ligands C2-symmétriques. Au cours de l’optimisation, des additifs ont été évalués; les additifs à base de pyridine ont fourni des énantiosélectivités modérées tandis que les additifs à base de malonate ont donné des meilleurs rendements de la réaction de couplage oxydatif. Ultérieurement, les additifs à base de malonate ont été appliqués envers l’hétérocouplage de 2-naphthols. Le partenaire de couplage qui est riche en électrons est normalement en grand excès à cause de sa tendance à dégrader. Avec le bénéfice de l’additif, les deux partenaires de couplage peuvent être utilisés dans des quantités équivalentes. La découverte de l’effet des additifs a permis le développement d’un protocole général pour l’hétérocouplage de 2-naphthols.

N-Heterocyclic carbene coated metal nanoparticles

N-Heterocyclic carbene coated Au and Pd nanoparticles have been prepared by a ligand exchange reaction; although carbenes quantitatively displaced the thioether and phosphine ligands from the nanoparticle surface, the resultant nanoparticles spontaneously leached metal complexes and aggregated in solution. © 2009 The Royal Society of Chemistry and the Centre National de la Recherche Scientifique.