有機金属化学：最新論文からのトピックス③

2019年度
有機金属化学第14回

Si–H Bond Activation with Bullock’s Cationic Tungsten(II) Catalyst:
CO as Cooperating Ligand
J. Fuchs, E. Irran, P. Hrobárik, H. F. T. Klare,* M. Oestreich*J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 18845.

ABSTRACT: An in-depth investigation of the reaction of tertiaryhydrosilanes with [CpW(CO) 2 (IMes)] + [B(C 6 F 5 ) 4 ] − reveals afundamentally new Si−H bond activation mode. Unlike the originallyproposed oxidative addition of the Si−H bond to the tungsten(II)center, there is strong experimental and NMR spectroscopic
evidence for the involvement of one of the CO ligands of thecationic complex in the Si−H bond breaking event. The Si−H bondis heterolytically cleaved to form a tungsten(II) hydride and asilylium ion, which is stabilized by one of the CO ligands. This
reactive hydrosilane adduct was eventually isolated andcharacterized by X-ray diffraction analysis. Quantum-chemical
calculations support a cooperative mechanism, but a stepwise
process consisting of oxidative addition and subsequent tungstento-oxygen silyl migration in the tungsten(IV) silyl hydride is alsoenergetically feasible. However, our combined spectroscopic andcomputational analysis favors the cooperative pathway. The newly
identified hydrosilane adduct is the key intermediate of Bullock’s
ionic carbonyl hydrosilylation.

タイトルとTOCグラフィックから読み取れること

Prof. Martin Oestreich (@Silicon_Martin)@Technische Universität Berlin(2011-)@U Münster (2006-2011)
habilitation w. R. Brückner@U Freiburg
postdoc w. L. E. Overman@UC Irvine
Ph.D. w. D. Hoppe@U Münster
Diploma w. P. Knochel@U Marburg
Dr. Hendrik F. T. Klare (senior scientist)@Technische Universität Berlin(2013-)
postdoc w. B. M. Stoltz@Caltech
short stay w. G. Erker@U Münster
Ph.D. w. M. Oestreich@U Münster
visiting student w. K. Tatsumi@Nagoya U
Diploma w. P. Knochel@U Münster
Dr. PeterHrobaŕik (Research Group Leader)@Comenius U (Slovakia) (2017-)@Technische Universität Berlin(2011-2017)
postdoc w. Martin Kaupp@U Würzburg
Ph.D. w. Martin Kaupp??@Slovak Academy of Sciences
B.Sc.,M.Sc. w. P. Zahradnika@Comenius U

・Bullockのカチオン性タングステン(II)錯体触媒による不可逆Si-H結合切断・COが協働的配位子として働いている・得られたヒドリド錯体は触媒活性あり

Abstractから追加で読み取れること

・[CpW(CO)2(IMes)]+[B(C6F5)4]-と3級ヒドロシランの反応で新しいSi-H結合切断の形式を発見
・当初はW(II)へのSi-Hの酸化的付加が起こると考えられていたが、各種実験とNMRでCO配位子がSi-H切断に関わることを示した
・ヒドリドはWと結合、Si+はCOで安定化されている状態を単離してX線結晶解析を行った
・量子化学計算は協働的反応機構を支持するが、W(silyl)(hydride)もエネルギー的には可能だった

Introduction: カチオン性錯体を用いる触媒的ヒドロシリル化
Ref 1a,b: ヒドロシランと金属錯体の反応の総説
Ref 2a,b: ヒドロシリル化に関する総説本

本論文の前提知識：遷移金属錯体によるヒドロシリル化機構(講義で行ったmodiﬁed Chalk-Harrod機構よりはマイナー)

Ref 3a: 非古典的な反応機構で進行する
金属触媒を用いたヒドロシリル化の総説

Scheme 1. Transition-Metal-Catalyzed CarbonylHydrosilylation: Ojima-Type (Right) and Ionic OuterSphere Mechanism (Left)aRef 6a,b: NHC配位カチオン性W錯体の合成と単離

Ref 3b: 求電子的なSi-H結合切断の総説

aSi = triorganosilyl (R3Si).

Ref 3c: 外圏機構で進行する
イオン性ヒドロシリル化のハイライト

Ref 3d: ピンサーIr錯体触媒とホウ素ルイス酸のヒドロシリル化における類似性のハイライト

Ref 4a,b: ヒドロシリル化の反応機構：
Si-H酸化的付加の後にカルボニルがM-Si結合へ挿入するという提唱(尾島機構)

Ref 5a: 上記イオン機構のη1配位型Ir錯体の単離

Ref 5b: 上記イオン機構のη1配位型Pt錯体の単離

Introduction: ヒドロシリル化の反応機構続き

Ref 7: 前頁のカチオン性W錯体によるカルボニルの触媒的ヒドロシリル化

ref 7の機構のまとめ
鍵中間体は4価の(silyl)(hydrido)W錯体(2W = 3+)
Scheme 2. Proposed Catalytic Cycle for the Carbonyl
Hydrosilylation with Bullock’s Complexa

The [B(C6F5)4]− counteranion is omitted for clarity. IMes = 1,3dimesitylimidazol-2-ylidene, Mes = 2,4,6-trimethylphenyl.

aref 7の言うとおりならば、Scheme 1のIIIからIXへ行くことに＝これはちょっと合わないのではないか？

Ref 8: DFT計算を用いてref 7の反応機構を否定
Scheme 1のVIIIからIXへの反応の方が障壁が低い

This Work: カチオン性W錯体とヒドロシランの反応
Scheme 3. Synthesis and Molecular Structure ofHydrosilane Adduct 8a+[B(C6F5)4]−aneat Et3SiHから再結晶・
Note 10: disorderあり(構造は片方だけ示してる)

Figure 1. Selected segments of the 1H NMR spectrum (500 MHz,C6D5Cl, 300 K) (left) and 29Si NMR spectrum (99 MHz, C6D5Cl,300 K) (right) of hydrosilane adduct 8a+[B(C6F5)4]−.

W-C 短い・C-O 長い→W≡C-O-Siの寄与(カルビン錯体)

さらに13C NMRでのCO配位子シグナルは
1+: δ 247.1, 246.2 ppm (ほぼ同じ)
8+: δ 216.6, 240.6 ppm (大きく異なる)
Note 9: 1+は溶けないのでTHF-d8で測定
Ref 11a: カルボニルが配位したR3Si+の29Si NMR: δ 52.3 ppm

カチオン性金属錯体とCOによる
Si-H切断の最初の例

a

Ref 11b: エステルが配位したR3Si+の29Si NMR: δ 50.6 ppm

Ref 11c: 3aが配位したR3Si+の29Si NMR: δ 50.5 ppm

Si周りは非平面(Σ∠CSiC = 345.8°)→

Thermal ellipsoids are shown at the 50% probability level;counteranion and hydrogen atoms except for W−H are omitted forclarity. Selected interatomic distances (Å) and angles (deg): W−H,1.73; W−CCO, 1.98; O−CCO, 1.16; W−CCOSi, 1.79; O−CCOSi, 1.25;
O−Si, 1.80; Si−O−CCO, 124.2°; av(O−Si−C), 103.7°; ∑(C−Si−C),
345.8°.10
Ref 12a-c: 金属・配位子協働作用に関する総説
Ref 13a-c: 協働作用によるSi-H結合切断の総説
Ref 14: 金属ニトロシル錯体によるSi-H切断でNO配位子が協働的に働いた例(右図)Ref 15: 三重結合半径に関する論文
Ref 16: ベンズアルデヒドのiPr3Si+付加体の構造This Work: DFT計算で求めたヒドロシランの反応機構
Scheme 4. Calculated Relative Free Energies (ΔGr0, in kcal
mol−1) for the Cis−Trans Isomerization of Hydrosilane
Adduct 8a+a結晶のcis-8a+を溶かすとtransに(13C NMRがDFT計算と一致)
DFTではtrans-8a+の方が不安定だが溶媒効果で簡単に逆転するはず
DFTによると平衡は早い= TS低い
Ref 17: カチオン性Ruチオラト錯体によるSi-H切断は8a+_TS-Aの半分の障壁

相対的な安定性は3a+, 9a+, 8a+の順に高くなっていく
9a+を経由せずに1+とSiHからの反応なら障壁が20.3 kcal/mol→室温で進行しうる(silyl)(hydrido)W錯体

8a+からの逆反応は30 kcal/mol以上→不可逆過程実験的に見られた(hydrido)W(COSiR3)錯体※3a+と8a+_TS-Bを経由する反応もエネルギー的には可能？？
→1a+とSiHを混ぜても8a+以外は観測されない
Ref 18a-e: 金属カルボニル錯体からシロキシカルビン錯体が生成するという論文

SiHの配位は障壁無しで進行→続くSi-Hの不均等開裂は障壁が高い(29.3 kcal/mol)→反応が室温で進行するのと矛盾(η1-SiH)W錯体

Figure 2. Calculated reaction free energies (ΔG0, in kcal mol−1) for three diﬀerent pathways of Si−H bond activation of Et3SiH (2a) by cationiccomplex 1+. Results obtained at the B3LYP-D3(BJ)/ECP/6-31+G** level of theory using an SMD solvation model.

This Work: 反応機構解析のための対照実験
Scheme 5. Catalytic Activity of Hydrosilane Adduct 8a+

Scheme 7. Probing Mechanistic Pathways for the SilylGroup Exchange

Ref 19: σ-bond metathesisの総説

Ref 20a: Si+へのSi-Hの配位8a+を触媒として用いても反応は進行→8a+は触媒活性種
Ref 20b: Si+へのSi-Hの配位

Scheme 6. Probing the Reversibility of the Hydrosilane
Activation by a Stoichiometric Crossover ExperimentaaRatios determined by NMR spectroscopic analysis.

・・シリル基の異なる8b+とEt3SiDを混合するとW上のシリル基の交換・Me2PhSiDの生成、を観測
ただしW上のヒドリドは交換しない→シリル基の交換はW中心で起こっているわけではない
Scheme 7の経路A,Bが想定される経路A: CO配位子上でσ-bond metathesis (path A)
経路B: Si原子上でのSN2反応 (path B)→区別するためにSi上にキラリティー導入(下段)
ケイ素上の立体は反応後も変わらず→TS-Iを経由するpath Aであると推定

Ref 23a,b: カチオン性Siが結合したカルボニルへのヒドリド移動
Scheme 8の5と6+と共に2が共存している時のみヒドロシリル化生成物ができることを別途確認

Scheme S17. Stoichiometric reaction of tungsten(II) monohydride 5 and silylcarboxonium ion
6a+[B(C6F5)4]– in the presence of hydrosilane 2a.

まとめ
Scheme 8. Revised Catalytic Cycle for the Ionic OuterSphere Hydrosilylation with Bullock’s Complex

Other Experiments and Next Approach

他の実験により何がわかるか？

次のアプローチはどうすべきか？→そのために何を調べてみる？

最後に：レポート課題について
有機金属化学に関する2019年以降の論文を読み、(論文は金属原子が直接反応や物性に関わるところを観測しているものを選んでください
例：有機金属錯体の合成・構造・物性・反応・触媒反応への応用、など)
以下の点に関して講義資料と同様、A4用紙数枚程度にWORDファイルでまとめてPDFとし、WORDおよびPDFの両方を2020/2/11(火)までに山下へメールで提出
アドレス：makoto@oec.chembio.nagoya-u.ac.jp
以下の各項目は後ろに行けば行くほど重要です
・論文の背景においてどのような研究がなされてきたか？(イントロ参考文献の大半はまとめよう)
TOCの絵の貼り付け+論文内容の一言説明の形でまとめよ。総説等は図不要。入手不可な文献は省略可。
・この論文において得られた結果は何か？論文に出てくる結果を全て示せ。
直訳ではなく講義プリントのように図を最大限活用して簡潔に説明せよ。長い文章は不要。
・得られた結果を説明するための他の実験を提案し、それで何がわかるかを理由と共に説明せよ。参考文献があると尚良い。
・自分ならこの論文をどう改良してさらに次のアプローチを考えるか？
その目的およびそれが可能な根拠を明確に示して説明せよ。
またそのアプローチに対して必要な他の事実を他の論文やSciFinderから探して実現可能性に関して論ぜよ。
4年生に「次はこの実験やってみよう」と指示できるくらい具体的に。
ただし他の人と論文が重なってはダメですし、上記テーマに沿わない場合もダメです。
読むべき論文を決定した時点で山下へメールして重複の有無・論文の妥当性を確認すること。
メール本文に論文タイトルを書き、該当PDFを添付してメールを送って下さい。
山下のOKが出てからレポート作成を開始してください。
早く確認すればするほど論文を読む時間は増えるし、重複の可能性も少ない。
ラボの同級生・先輩・後輩・教員とのディスカッションを推奨しますが最終的に自分の力で書ききることが最も自分の身になります。
成績評価はレポート内容の論理性・妥当性を絶対評価でつけます(=全員Aも全員Eもありうる)
採点済の過去レポートを山下研ウェブサイト「書類」リンクから見ることができます(パスワードは3335)