• Nem Talált Eredményt

Kísérletek [Co(CO) 3 (PPh 3 ) 2 ][Co(CO) 4 ] (5) komplexszel

2. KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK

2.6. Etil-diazoacetát karbonilezése trifenil-foszfánnal módosított karbonil-kobalt

2.6.5. Kísérletek [Co(CO) 3 (PPh 3 ) 2 ][Co(CO) 4 ] (5) komplexszel

Az 5 komplex diklór-metános oldatának infravörös spektruma a 2200 és 1600 cm1 hullámszám közötti tartományban a 2.14. ábrán látható.

2.14. ábra. A [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex 0,004833 mól/dm3 diklór-metános oldatának 0,02180 cm rétegvastagságú CaF2 küvettával készült infravörös spektruma a 2200 és 1600 cm1 hullámszám közötti tartományban.

A 2.14. ábrán látható spektrumban a 2010 cm1 hullámszámnál jelentkező kisebb intenzitású és karcsúbb elnyelési sáv a komplex só [Co(CO)3(PPh3)2]+ kation részének (CO) sávja (M2010 = 3556 cm2/mmól). Az 1889 cm1 hullámszámnál jelentkező nagyobb intenzitású és szélesebb elnyelési sáv a komplex só [Co(CO)4] anion részének (CO) sávja (M1889 = 5752 cm2/mmól).

Az 5 komplex 0,0004545 mól/dm3 koncentrációjú diklór-metános oldatának fényabszorpciós spektrumában 390 nm hullámhossznál egy gyenge (M390nm

= 2645 cm2/mmól) töltésátviteli sávot észleltem. Irodalmi forrás szerint ez a töltésátviteli sáv

acetonos oldatban 386 nm (M386nm = 2500 cm2/mmól) hullámszámnál jelentkezik [110]. Az oldatot 354 nm hullámhossznál besugározva egy percen belül Co2(CO)6(PPh3)2 képződik, amely átalakítás termikus körülmények között például refluxáló diklór-metánban több órát vesz igénybe. Ezért a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplexszel végzett katalitikus karbonilezési kísérleteimnél a reprodukálhatóság érdekében a reakcióelegyet lehetőség szerint a szórt fény kizárásával sötétben tartottam.

A 2.17. táblázat 816. sorszámú kísérletei azt mutatják, hogy a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex is hatásos etil-diazoacetát karbonilező katalizátor.

Különlegessége a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplexet tartalmazó katalizátor rendszernek, hogy működés közben a komplex 2010 és 1889 cm1 hullámszámoknál jelentkező jellegzetes elnyelési sávjain kívül más karbonil-kobalt komplex jelenlétére utaló sáv még nagy koncentrációk esetében sem ismerhető fel a reakcióelegy infravörös spektrumában. Feltűnő azonban, hogy míg a 2010 cm1 hullámszámnál jelentkező sáv intenzitása a katalízis működése közben gyakorlatilag nem változik, az 1889 cm1 hullámszámnál jelentkező sáv intenzitása a reakció körülményeitől függően többé-kevésbe csökken (2.15. ábra).

2.15. ábra. A 0,005 mól/dm3 [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex, 0,25 mól/dm3 etil-diazoacetát és 0,25 mól/dm3 etanol kezdeti koncentrációjú diklór-metános oldatnak az infravörös spektruma a 2200 és 1560 cm1 hullámszám között 10 °C-on légköri nyomású szén-monoxid atmoszférában 30 és 90 perc (fekete illetve lila vonal) reakcióidő után 0,00765 cm CaF2 küvettával készítve.

A [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplexet tartalmazó katalizátor rendszer működési mechanizmusa tekintetében jelenleg csak többé-kevésbé megalapozott feltételezésem van.

Feltételezésem szerint a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] komplex legtámadhatóbb pontja a tetrakarbonil-kobaltát(1) anion, mivel irodalmi adatok alapján ismert [107][108], hogy a tetrakarbonil-kobaltát nátrium-sójának CO ligandumai tetrahidrofurános oldatban kicserélhetők 13CO-val (2.35 reakció), trifenil-foszfittal (2.36 reakció) vagy aktivált olefinekkel, mint például dimetil-maleináttal (2.37 reakció).

Na[Co(CO)4] + x13CO Na[Co(13CO)x(CO)4-x] + xCO (2.35)

Na[Co(CO)4] + P(OPh)3 Na[Co(CO)3(P(OPh)3)] + CO (2.36)

Na[Co(CO)4] +

CCO2CH3 CCO2CH3 H

H CCO2CH3

CCO2CH3 H

H

Na[Co(CO)3 ] + CO (2.37)

A 2.35-2.37 reakciók sikerét annak tulajdonították, hogy a nátrium-ionnal szoros ionpárt alkotó tetrakarbonil-kobaltát(1) ionból a nátrium-ion perturbáló hatására viszonylag kis aktiválási energiával koordinative telítetlen trikarbonil-kobaltát(1) ion képződik, amely a nagy feleslegben felkínált kételektronos ligandumokkal telítődik [107]. A 13CO-csere reakcióval kapcsolatban később mások kimutatták, hogy a sikeres reakcióhoz nyomnyi oxigén jelenléte is szükséges, amely a tetrakarbonil-kobaltát(1) ion oxidálásával 17 elektronos tetrakarbonil-kobalt gyököt eredményez. Egyik lehetőségként feltételezik, hogy a tetrakarbonil-kobaltát(1) ionban a ligandumcsere a könnyen szubsztituálható 17 elektronos tetrakarbonil-kobalt gyökön keresztül elektron-transzfer katalízissel valósul meg. Másik lehetőségként a Na[Co(CO)4] oldataiban a rendkívüli oxidáció érzékenysége miatt mindig jelenlévő Na[Co3(CO)10]-t tekintik a szubsztitúció katalízátorának [111].

A [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex etil-diazoacetát karbonilezésében játszott szerepének megértéséhez először is megvizsgáltam, hogy 13CO atmoszférában diklór-metános oldatában 10 °C-on az 5 komplex melyik részében cserélődnek a CO ligandumok. A 2.16.

ábra tanúsága szerint az 5 komplex [Co(CO)3(PPh3)2]+ kation részéhez rendelhető 2010 cm1 hullámszámú sáv több mint két órán keresztül változatlan az infravörös spektrumban. Ezzel

szemben a [Co(CO)4] anion részben ez alatt a CO ligandumok nagyfokú kicserélődése következett be 13CO-val, amely az 1889 cm1 hullámszámú sáv alacsonyabb hullámszámok felé való eltolódásából látható. Az 1889 cm1 hullámszámú sáv kezdeti intenzitás csökkenése 9,74107 mól/(dm3 s) csere sebességnek felel meg, amelyből 0,88103 s1 sebességi állandó számítható, ha a komplexre első rendet tételezünk fel és mind a négy szén-monoxid ligandumra vonatkoztatjuk.

2.16. ábra. Légköri nyomású 13CO atmoszférában kevertetett [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex 0,004446 mól/dm3 koncentrációjú 10 °C-os diklór-metános oldatának különböző idők után 0,02180 cm rétegvastagságú CaF2 küvettával készült infravörös spektruma 2110 és 1700 cm1 hullámszámok között (65 mp kék vonal, 1080 mp barna vonal, 2135 mp zöld vonal, 7585 mp fekete vonal).

A 2.38 reakciónak megfelelő eredményes 13CO csere azt igazolta, hogy az 5 komplex esetében is a tetrakarbonil-kobaltát anion(1) részben cserélődnek a CO ligandumok.

[Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] + x13CO [Co(CO)3(PPh3)2][Co(13CO)x(CO)4-x] + xCO 5

(2.38)

A 2.17. táblázat 8. sorszámú kísérletét több mint egy nagyságrenddel kisebb etil-diazoacetát koncentrációval és etanol távollétében megismételve az 5 komplex 1889 cm1 hullámszámnál jelentkező sávja a kiindulási 5 komplexhez képest jelentősen kisebb

intenzitású lett. A reakcióelegyből különböző időkben vett mintáinak infravörös spektrum részletei a 2.17. ábrán láthatók.

2.17. ábra. Különböző reakcióidők után 0,02180 cm rétegvastagságú CaF2 küvettával nyert infravörös spektrumrészletek: 18 perc kék vonal, 66 perc lila vonal, 134 perc zöld vonal, 265 perc fekete vonal, az etil-diazoacetát (EDA) karbonilezési reakciójában 25 mól%

[Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex jelenlétében légköri nyomású szén-monoxid atmoszférában etanol hozzáadása nélkül 10 °C-on diklór-metánban. Kiindulási koncentrációk [EDA]0 = 0,0182 mól/dm3, [5]0 = 0,0045 mól/dm3, [CO]0 = 0,00504 mól/dm3.

A 2.17. ábrán nem csak az 1889 cm1 hullámszámnál jelentkező sáv intenzitásának drámai csökkenése, hanem legalább két új sáv megjelenése is megfigyelhető 1734 és 1637 cm1 hullámszámnál. Az 1734 cm1 hullámszámú sáv megjelenését az etil-diazoacetát karbonilezési kísérleteiben már a többi vizsgált kobalt-komplex esetében is többször megfigyeltem, ha etanol nem volt jelen a reakcióelegyben. Ilyen esetekben a karbonilezésnél keletkező etoxikarbonil-ketén alkalmas reakciópartner hiányában 1,4-addicióval a 2.9.

sémában látható bomlékony piron-származékká dimerizálódik [109].

2.9. séma.

O CH

CO2Et O H

O

EtO O

C

CO2Et O H

OH EtO

Az infravörös spektrumban 1637 cm1 hullámszámnál megjelenő sáv feltételezésem szerint egy [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)3(CHCO2Et)] összetételű komplex anionos részében lévő etoxikarbonil-karbén ligandum (C=O) sávja. Abból következtettem erre, hogy korrelációt találtam az 1637 cm1 hullámszámú sáv intenzitás-növekedése és az 1889 cm1 hullámszámú sáv intenzitás-csökkenése között (2.18. táblázat).

2.18. táblázat. Az etil-diazoacetát (EDA) karbonilezési reakciójában 25 mól%

[Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex jelenlétében légköri nyomású szén-monoxid atmoszférában etanol hozzáadása nélkül 10 °C-on diklór-metánban különböző reakcióidőkkel megállapított 2010, 1889, és 1637 cm1 hullámszámú sávok intenzitása 0,02180 cm rétegvastagságú CaF2 küvetta alkalmazásával, és az ebből számolt koncentrációk.

t

b y = 4x, a hiányzó CO ligandumok száma, amely a feltételezésem szerint azonos a képződött CHCO2Et ligandumok számával a komplex [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)x(CHCO2Et)y] anion részében.

A kiindulási [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex anion részében a t = 0 időpontban 4 db CO ligandum van, és ennek felel meg 0,0045 mól/dm3 kiindulási koncentrációnál a kísérletileg megállapított 1889 cm1 hullámszámú sáv 0,562 intenzitása. A 4 CO ligandum mennyisége az 1889 cm1 hullámszámnál mért intenzitás-csökkenés arányában csökken az idő előre haladásával, feltételezésem szerint itt azért, mert helyére az etil-diazoacetátból származó CHCO2Et ligandum lép, amely már nem 1889, hanem 1637 cm1 hullámszámnál mutat elnyelést. Az x érték a t időhöz tartozó CO ligandum számot, az y érték pedig a t időhöz tartozó CO helyét kiváltó CHCO2Et ligandum számot jelenti. Feltételezésem helyességét alátámasztja a 2.18. ábra, amely szoros korrelációt mutat az 1889 cm1 hullámszámnál mért lg(I0/I)1889 sáv-intenzitás és az anionos részben a kobalthoz koordinált CHCO2Et ligandum

(C=O) sávjának 1637 cm1 hullámszámnál mért lg(I0/I)1637 sáv-intenzitásával.

0,4

0,2 0,6

lg(I0/I)1637

0,02 0,04 0,06 0,08

lg(I0/I)1889

0 4

2

1 + 3

x

A CO ligandumok száma [Co(CO)x(CHCO2Et)y]--ban

x

2.18. ábra. Az 1637 cm1 hullámszámnál mért lg(I0/I)1637 sáv-intenzitás és az 1889 cm1 hullámszámnál mért lg(I0/I)1889 intenzitás korrelációja valamint a [Co(CO)x(CHCO2Et)y] részben a számított CO ligandumok száma (x) a 66 (), 134 (+), 193 () és 265 perc () reakció idő után 0,02180 cm rétegvastagságú CaF2 küvettával készült infravörös spektrumok alapján. Kiindulási koncentrációk [EDA]0 = 0,0182 mól/dm3, [5]0 = 0,0045 mól/dm3, [CO]0 = 0,00504 mól/dm3.

A 2.18. ábrán látható korrelációs egyenes y = 1 értékhez 0,0214 lg(I0/I)1637 értéket rendel.

Ebből a küvetta 0,02180 cm rétegvastagsága és a komplex 0,0045 mól/dm3 koncentrációja alapján a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)3(CHCO2Et)] komplex 1637 cm1 hullámszámhoz tartozó moláris abszorbanciájára M1637

= 21,9 cm2/mmól érték számolható. A 2.18. ábrán látható kísérleten alapuló korrelációs összefüggés arra is rávilágít, hogy nem csak egy szén-monoxid cserélődhet ki etoxikarbonil-karbén ligandumra az 5 komplex anionos részében, hanem kettő, három és talán a megfelelő kísérleti körülmények között akár mind a négy.

Az irodalomban eddig csak egy esetben írtak le anionos karbonil-karbén-kobalt komplex képződését, akkor is csak heteroanalóg vinilidén-karbén típusú alkil-izocianid ligandumok esetében [112]. A [Et4N][Co(CO)3(C=NtBu)] összetételű 67% kitermeléssel kinyert komplexet -78 °C-on a K3[Co(CO)3] összetételű kobalt(─3) vegyületből kiindulva állították elő cseppfolyós ammónia, ammónium-klorid, tercier-butil-izocianid és tetraetil-ammónium-bromid reagensekkel.

A 2.18. táblázat két utolsó oszlopának összevetéséből az is látható, hogy az etanol nélkül végzett karbonilezésnél több etil-diazoacetát fogy, mint amennyi etoxikarbonil-karbén komplexálódik. A hiányzó mennyiség összefüggésbe hozható az infravörös spektrumban

1734 cm1 hullámszámnál megjelenő etoxikarbonil-ketén dimerrel.

Különböző kationokhoz kapcsolódó tetrakarbonil-kobaltát(1) sók közül a [Co(EtOH)6][Co(CO)4]2 (7) és a Na[Co(CO)4] (8) a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5)-höz képest ugyan kevésbé aktívak, de szintén alkalmas katalizátor prekurzorok az etil-diazoacetát karbonilezési reakciójában. A [PPN][Co(CO)4] (9) (PPN = [Ph3P=N=PPh3]+) ezzel szemben egyáltalán nem mutatott karbonilezési aktivitást (2.19. táblázat). A 2.19. táblázatban feltüntettem az 5, 7, 8, és 9 komplexekkel kísérletileg megállapított kezdeti dietil-malonát képződési sebességeket (rDEM) és ugyanezen komplexekkel 13CO atmoszférában mért kezdeti CO-csere reakció sebességeket (rCO-csere). A kétféle reakció sebessége nem mutat párhuzamot.

A CO-csere reakció tekintetében a vizsgálat körülményei között a Na[Co(CO)4] a legaktívabb és a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] pedig a legkevésbé aktív. A 7 és 8 komplexekkel mért CO-csere sebességek köztes esetet képviselnek.

2.19. táblázat. A 13CO atmoszférában mért kezdeti CO-csere sebesség (rCO-cserea

) és a CO atmoszférában mért kezdeti dietil-malonát képződési sebesség (rDEMb) különböző tetrakarbonil-kobaltát(1) sók: [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5), [Co(EtOH)6][Co(CO)4]2 (7), Na[Co(CO)4] (8), és [PPN][Co(CO)4] (9) esetében légköri nyomású (736745 mmHg) 13CO illetve CO atmoszférában diklór-metánban 10 °C-on.

Komplex

a A CO-csere reakciók 743 mmHg össznyomású 13CO atmoszférában lettek indítva.

b Az etil-diazoacetát (EDA) karbonilezési reakciói [EDA]0 = [EtOH]0 = 0.25 mól/dm3 koncentrációkkal légköri nyomású CO atmoszférában lettek indítva.

c A moláris CO koncentráció a szén-monoxid parciális nyomásból és a móltörtben kifejezett ismert oldhatóságból lett számítva (CH2Cl2-ben: xCO (10 °C, 1 bar P(CO)) = 0,000473 [113][114] megfelel [CO] = 0,007489 mól/dm3 moláris koncentrációnak, EtOH-ban: xCO (10 °C, 1 bar P(CO)) = 0,000487 [115] megfelel 0,008438 mól/dm3 moláris koncentrációnak, THF-ben: a 10 °C, 1 bar of P(CO)-ra vonatkozó = 0,00870,0011 értéket a 30 és 25 °C-ra vonatkozó irodalmi értékekből [116] extrapoláltam).

d EtOH oldószerben végzett reakciók.

e THF oldószerben végzett reakciók.

2.6.6. Az etil-diazoacetát katalitikus karbonilezésének feltételezett mechanizmusa a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] (5) komplex közreműködésével

Az 5 komplex prekurzorral megvalósítható és dietil-malonáthoz vezető etil-diazoacetát karbonilezés mechanizmusának egyik valószínű módját a 2.10. sémában mutatom be. E szerint az 5 komplexből CO kilépéssel egyensúlyra vezető reakcióban, kis mértékben 16 elektronos anionos rész keletkezik, amelyhez az etil-diazoacetát koordinálódhat és dediazotálódhat. Az etil-diazoacetátból a dediazotálódás után megmaradó etoxikarbonil-karbén, mint kételektronos ligandum elfoglalhat egy koordinációs helyet a komplexben. Szén-monoxid közreműködésével e komplexből etoxikarbonil-ketén távozhat, amely etanollal dietil-malonáttá alakul. A visszamaradó üres koordinációs hellyel rendelkező komplex, pedig egy újabb ciklust indíthat.

2.10. séma.

N2 EtO2CCHN2

CO EtOH

EtO2CCH2CO2Et -CO

+CO

O=C=CHCO2Et

5

[Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)3] [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)3(CHCO2Et)]

Valószínűnek tartom azonban, hogy az 5 komplex só 2.10. sémában feltüntetett átalakulása a reakcióképesebb [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)3] komplexszé nem a tetrakarbonil-kobaltát(1) rész közvetlen CO disszociációjával, hanem inkább egy kisebb energiát igénylő kerülő úton a tetrakarbonil-kobalt gyök közvetítésével valósul meg. Sűrűség funkcionál számítások szerint a 17 elektronos tetrakarbonil-kobalt gyökből egy CO ligandum kilépése sokkal kisebb energiát igényel (22,0 kcal/mol), mint egy CO kilépése a tetrakarbonil-kobaltát(1) ionból (42.4 kcal/mol) [117]. Az 5 komplex só oldatainak fényabszorpciós [118]

viselkedéséből ismeretes, hogy az anionos részből egy elektron átugrása a kationos részre megfordítható módon bekövetkezhet a 2.39 egyenlet szerint.

[ Co(CO)3(PPh3)2][ Co(CO)4] 5

(2.39)

[Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4]

A 2.39 reakció termikus aktiválással is bekövetkezhet. Ezért elképzelhető, hogy a 2.10.

sémában feltüntetett CO disszociáció és az etil-diazoacetát dediazotálása valójában az egyensúlyban képződő karbonil-kobalt gyökökkel játszódik le a 2.11. sémában látható rendszerben.

2.11. séma.

[ Co(CO)3(PPh3)2][ Co(CO)4] [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4]

[ Co(CO)3(PPh3)2][ Co(CO)3] + CO [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)3] + CO

[ Co(CO)3(PPh3)2][ Co(CO)3] + N2CHCO2Et

[Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)3] + N2CHCO2Et

[ Co(CO)3(PPh3)2][ Co(CO)3(CHCO2Et) + N2

[Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)3(CHCO2Et)] + N2

A 2.39 egyensúlyra vezető reakcióban képződő töltésátviteli komplex kobalt körül 19 elektront tartalmazó [Co(CO)3(PPh3)2] rész szerepe a 2.11. séma szerint egy elektron ideiglenes tárolása. Ezt a funkciót addig lesz képes ellátni, amíg be nem következik az egyik PPh3 ligandumának kilépése, amellyel a [Co(CO)4] részben szubsztituálhat egy CO ligandum [Co(CO)3(PPh3)] képződése közben. A [Co(CO)3(PPh3)] gyökök összekapcsolódása a rendkívül kis oldhatósággal rendelkező dimerhez vezet. Fotokémiai körülmények között 366 nm-es fény hatására ez az átalakulás <1 perc alatt bekövetkezik 10 °C-on. Hosszú reakcióidőkkel nagy átalakulásokig végzett etil-diazoacetát karbonilezésnél termikus körülmények között is megfigyelhető a Co2(CO)6(PPh3)2 képződése az 1953 cm1 hullámszámnál jelentkező jellemző infravörös elnyelés intenzitás növekedése és barnásvörös csapadék keletkezése alapján. Ezzel egyidejűleg bekövetkezik a [Co(CO)3(PPh3)2][Co(CO)4] komplex 2010 cm1 hullámszámnál jelentkező elnyelésének nagymértékű csökkenése is, amely a katalízis nagymértékű lassulásával jár.

2.6.7. Kísérletek polisztirol-difenil-foszfánnal módosított karbonil-kobalt