l01 omcs intro - nptelnptel.ac.in/courses/104108062/module1.pdf ·...

Organometallic  Chemistry  

A  structured  introduc5on  to  a  complex  but  fascina5ng  field!    

•  Late  discovery    1956…  

•  A  zillion  concepts  at  once  

•  Why  study  it…?  

1.  List  of  Nobel  Prizes  in  recent  years.  2.    Check  with  important    journals  .  3.  See  what  research  is  funded.  

4.  How  much  of  the  economy  is  driven  by  this  topic  ?  

Checking  the  importance  of  a  topic..  

Nobel  Prizes    Heck,  Negishi  and  Suzuki,  2010  

Schrock,  R.  H.  Grubbs,  and  Chauvin,    2005  Sharpless,  Knowles  and    Noyori,  2001  

Fukui  and  R.  Hoffman  1981  Herbert  Brown,  G.  WiZg  1979  

W.  Lipscomb  1976  Wilkinson  and  E.  O.  Fischer  1973  

Zeigler  and  Na^a  1963      

Nobel  Prizes    Heck,  Negishi  and  Suzuki,  2010  

Schrock,  R.  H.  Grubbs,  and  Chauvin,    2005  Sharpless,  Knowles  and    Noyori,  2001  

Fukui  and  R.  Hoffman  1981  Herbert  Brown,  G.  WiZg  1979  

W.  Lipscomb  1976  Wilkinson  and  E.  O.  Fischer  1973  

Zeigler  and  Na^a  1963      

Nobel  Prizes    

Heck,  Negishi  and  Suzuki,  2010  Schrock,  R.  H.  Grubbs,  and  Chauvin,    2005  Sharpless,  Knowles  and    Noyori,  2001  

Fukui  and  R.  Hoffman  1981  Herbert  Brown,  G.  WiZg  1979  

W.  Lipscomb  1976  Wilkinson  and  E.  O.  Fischer  1973  

Zeigler  and  Na^a  1963      

Nobel  Prizes    

Heck,  Negishi  and  Suzuki,  2010  Schrock,  R.  H.  Grubbs,  and  Chauvin,    2005  Sharpless,  Knowles  and    Noyori,  2001  

Fukui  and  R.  Hoffman  1981  Herbert  Brown,  G.  WiZg  1979  

W.  Lipscomb  1976  Wilkinson  and  E.  O.  Fischer  1973  

Zeigler  and  Na^a  1963      

Nobel  Prizes    

Heck,  Negishi  and  Suzuki,  2010  Schrock,  R.  H.  Grubbs,  and  Chauvin,    2005  Sharpless,  Knowles  and    Noyori,  2001  

Fukui  and  R.  Hoffman  1981  Herbert  Brown,  G.  WiZg  1979  

W.  Lipscomb  1976  Wilkinson  and  E.  O.  Fischer  1973  

Zeigler  and  Na^a  1963      

Nobel  Prizes    

Heck,  Negishi  and  Suzuki,  2010  Schrock,  R.  H.  Grubbs,  and  Chauvin,    2005  Sharpless,  Knowles  and    Noyori,  2001  

Fukui  and  R.  Hoffman  1981  Herbert  Brown,  G.  WiZg  1979  

W.  Lipscomb  1976  Wilkinson  and  E.  O.  Fischer  1973  

Zeigler  and  Na^a  1963      

Nobel  Prizes    

Heck,  Negishi  and  Suzuki,  2010  Schrock,  R.  H.  Grubbs,  and  Chauvin,    2005  Sharpless,  Knowles  and    Noyori,  2001  

Fukui  and  R.  Hoffman  1981  Herbert  Brown,  G.  WiZg  1979  

W.  Lipscomb  1976  Wilkinson  and  E.  O.  Fischer  1973  

Zeigler  and  Na^a  1963      

Assessing  Importance  of  a  subject  ?      

1.  List  of  Nobel  Prizes  in  recent  years  ?    OK!  

2.    Check  with  important    journals  ?  3.  See  what  research  is  funded  ?  

 4.  How  much  of  the  economy  is  driven  by  it?            

 .    

Review  Ac)va)on  of  C−H  Bonds  by  Metal  Complexes  

Abstract  Full  Text  HTML  

Hi-­‐Res  PDF[1214  KB]  Ci5ng  Ar5cles  

Alexander  E.  Shilov  and  Georgiy  B.  Shul'pin*  N.  N.  Semenov  Ins5tute  of  Chemical  Physics,  Russian  Academy  of  Sciences,  

117977  Moscow,  Russia    Chem.  Rev.,  1997,  97  (8),  pp  2879–2932  

DOI:  10.1021/cr941186  Publica5on  Date  (Web):  December  18,  1997  Copyright  ©  1997  American  Chemical  Society  

TOP      20  ar5cles  accessed  from  JACS    As  of  20th  Sept.  2010  

Palladium-­‐Catalyzed  Ligand-­‐Directed  C–H  Func)onaliza)on  Reac)ons  

•  Thomas  W.  Lyons  and  Melanie  S.  Sanford    Chem.  Rev.,  2010,  110(2),  pp  1147-­‐1169.  DOI:  10.1021/cr900184e  

•  Total  Synthesis  of  (+)-­‐Complanadine  A  Using  an  Iridium-­‐Catalyzed  Pyridine  C–H  Func)onaliza)on      

•  Daniel  F.  Fischer  and  Richmond  Sarpong    J.  Am.  Chem.  Soc.,  2010,  132(17),  pp.5926-­‐5927.  DOI:10.1021/ja101893b  

NATURE  Vol  463,  28  January  2010.    doi:10.1038/nature08730    

Cleaving  carbon–carbon  bonds  by  inser5ng  tungsten  into  unstrained  aroma5c  rings  Aaron  Sa^ler  &  Gerard  Parkin  

PNAS    2005,    vol.  102      p  1853–1858    Characteriza)on  of  an  organometallic  xenon  complex  using  NMR  and  IR  

spectroscopy  Graham  E.  Ball  ,Tamim  A.  Darwish,  Spili  Gerakis  Michael  W.  George  ,  Douglas  J.  Lawes    

Peter  Por5us,  Jonathan  P.  Rourke  §  ,    

Ball G E et al. PNAS 2005;102:1853-1858 ©2005 by National Academy of Sciences

19F  NMR  spectra  of  Re(iPrCp)(CO)2(PF3)  (1)  in  liquid  Xe  at  163  K  obtained  during  prolonged  photolysis  and  expansions  of  the  highlighted  region  that  corresponds  to  one  of  the  resonances  from  3.  (1)  NMR  Using  129Xe  as  solvent.  (2)  Using  unlabeled  Xe.    A  small  spliZng  caused  by  3JXeF  can  be  seen.  (a)  No  spliHng  in  the  spectrum  with  unlabeled  Xe.  

Assessing  Importance  of  a    

subject  ?    

1.  List  of  Nobel  Prizes  in  recent  years  ?  

2.    Check  with  important    journals  ?  3.  See  what  research  is  funded?  

4.  How  much  it  is  driving  the  industry..          

•  Papers  with  the  concept  organometallics  •  ~  2300  in  2012  •  2213  papers  in  2011  •  2703  papers  in  2009-­‐10  •  2303  papers  in  1999-­‐2000      

– 1400  key  papers  every  year  on  the  topic  “organometallics”  

Is  the  subject  important?    

1.  List  of  Nobel  Prizes  in  recent  years    OK    2.    Check  with  important    journals            OK    3.  See  what  research  is  funded                        OK    

 4.  See  what  research  is  pracKced  in  the  industry        

Industrial  uses  of  organometallics  •  Metal  complexes  used  as  addi5ves  in  polymers  and  fuels.  (Sn  

and  Mn  compounds)  •  Many  million  tons  of  silicones,  and  organolithium  compounds  

are  made.  •  Metal  complexes  used  as  catalysts  for  making  polymers  •  Ace5c  acid,  acetaldehyde,  and  fine  chemicals,  …  

Is  the  subject  important?    

1.  List  of  Nobel  Prizes  in  recent  years    OK    2.    Check  with  important    journals            OK    3.  See  what  research  is  funded                        OK      4.  See  what  research  is  pracKced              OK    

Why  is  the  subject  important?    

 Are  we  dealing  with  ‘a’  special  element?                                  

C  •  What  is  special  about  carbon?  

–  Forms  bonds  with  other  carbons  (C-­‐C)  readily  and  they  are  strong    (catena5on)  

–  Forms  strong  mul5ple  bonds  (C=C)      –  Forms  very  strong  bonds  with  another  special  element  H  !!  

–  Cyclic  “C=C-­‐C”  fragments  would  be  extra  stable    AROMATIC..  

C    and  its  Electronic  configura5on!  1s2                  2s2  2p2    

       `Why  is  this  special  ?    To  form  a  full  shell,  it  would  require  4  covalent  bonds  

Gap  between  the  2s  and  2p  is  just  right!    1s2                  2s1  2px1  2py1  2pz1    When  4  equivalent  covalent  bonds  are  formed,      

no  extra  electrons  /  no  vacant  orbitals        

Tm  •  Transi5on  metals  are  exactly  the  opposite!!  

– Vacant  orbitals  – Or  extra  electrons.          

•  Rarely  do  they  keep  a  noble  gas  configura5on    

Consider  [Co(H2O)6]2+    19  e          7    electrons    +  12  electrons  

Ni2+  aquo  complex  has  20  e.    V2+    complex  has  15  e.    Very  few  complexes  would  have  exactly  18  electrons!  Full  shell  /  no  extra  electrons  is  rare.  

What  happens  to  “Tm”  in  “Tm-­‐organometallics”  

•  The  18  electron  rule  prevails..      – Most  complexes  with  Tm-­‐C  bonds  have  a  full  shell.  C  seems  to  have  forced  its  preferences  on  the  metal!    

•  When  C  combines  with  a  transi5on  metal  – Both  metal  and  carbon  loose  their  iden5ty!  

“So  what  about  carbon?”  

Why  is  the  subject  important?    

1.  List  of  Nobel  Prizes  in  recent  years        2.    Check  with  important    journals                3.  See  what  research  is  funded    

4.  See  what  research  is  pracKced      

 We  are  dealing  with  ‘a’  special  combina5on  of  elements!!                                

Challenges  for  today  •  Synthesis  and  understanding  of  new  compounds  and  their  reac5vity  

•  Ac5va5on  of  inert  molecules  like      CH4,  CO2,      R3C-­‐F  

•  Cataly5c  efficiencies  far  exceeding  approaching  that  of  enzymes!  

•  Asymmetric  induc5on  in  catalysis  

Organiza5on  of  the  course..    

•  Modular,  based  on  ligand  systems  •  How  does  one  classify  the  ligand?  

– Hap5city  of  the  ligand  is  the  key:        – η    with  superscript:  –   η3  number  of  carbons  bonded  to  the  metal  is  3    

Current  approach  

•  Simple  to  complex:  Avoid  complex  ligands  un5l  we  discuss  them  towards  the  la^er  part  of  the  course.    

•  Integrate  discussion  on  reac5ons  with  study  of  new  structure  types  –  Deal  with  inser5on  reac5ons  (purely  C1  chemistry)  –  Only  oxida5on  state  change  at  the  metal!  –  Oxida5on  state  change  and  C-­‐C  coupling!    

Text  books?    Title Authors Publisher ISBN no.

Organometallics:  A  Concise  Introduc5on    

Christoph  Elschenbroich     Wiley-­‐VCH    3rd  Edi5on     3-­‐527-­‐29390-­‐6    2006

Organometallic  Chemistry,    

B.  D.  Gupta  and  Anil  J.  Elias    

 Universi5es  Press    

Fundamentals  of  Organometallic  Catalysis    

Dirk  Steinborn    

Wiley-­‐VCH   ISBN:  978-­‐3-­‐527-­‐32717-­‐1      2012    

Electron  coun5ng  the  organometallic  way..  

•  Metal  has  all  d  electrons  whatever  be  the  oxdn.  state  

•  Ligands  can  be  ionic  or  neutral  /  adjust  metals  d-­‐electron  count  

•  Net  charge  is  added  (electrons  are  nega5ve  and  so  the  no.  of  electrons  in  the  complex  are  reduced  if  the  charge  is  +ve.  If  the  charge  is        –ve  then  one  has  to  add  to  the  electron  count)    

Electron  coun5ng  in  two  ways  

•  Let  us  try  a  few..  – Cp2TiCl2      complex  is  neutral    

– Handout  with  homework…    

Stoichiometric  reac5ons  and  Catalysis  

•  Reac5ons  with  increasing  complexity..  •  Without  oxida5on  state  change..  

– Subs5tu5on  and  inser5on  reac5ons..  •  With  oxida5on  state  change  

– Reac5ons  with  oxida5on  state  change  at  metal..  – Ox-­‐ad  and  Red-­‐el  

•  Catalysis  and  cataly5c  cycles  – A  series  of  stoichiometric  reac5ons  regenera5ng  the  catalyst  when  the  product  is  formed.  

Ligands   Ionic  Method  A   Method  B  

H  

Cl,  Br,  I  

OH,  OR  

CN  

CH3,  CR3  

NO  (bent  M-­‐N-­‐O)  

CO,  PR3  

NH3,  H2O  

=CRR’  

H2C=CH2  (ethylene)  

CNR  

=O,  =S  

2  (H-­‐)  

2  (X-­‐)  

2  (OH-­‐,OR-­‐)  

2  (CN-­‐)  

2  (CH3-­‐,CR3-­‐)  

2  (NO-­‐)  

2    

2    

2    

2    

2    

4  (O2-­‐,S2-­‐)  

1  

1  

1  

1  

1  

1  

2  

2  

2  

2  

2  

2  

Ligands   Ionic  Method  A   Method  B  

NO  (Linear  M-­‐N-­‐O)  

η3-­‐C3H5  (π-­‐allyl)  

CR  (Carbyne)  

N  

Ethylenediamine  (en)  

Bipyridine  (Bipy)  

Butadiene  

η5-­‐C5H5  (cyclopentadienyl)  

η6-­‐C6H6    (benezene)  

η7-­‐C7H7  (cycloheptatrienyl)  

2  (NO+)  

2  (C3H5+)  

3    

6  (N3-­‐)  

4  (2  per  nitrogen)  

4  (2  per  nitrogen)  

4    

6          (C5H5-­‐)  

6    

6            (C7H7+)  

3  

3  

3  

3  

4  

4  

4  

5  

6  

7  

Counting electrons

Method A

Determine formal oxidation state of metal Deduce number of d electrons

Add d electrons + ligand electrons (A)

Ignore formal oxidation state of metal Count number of d electrons for M(0)

Add d electrons + ligand electrons (B)

Method B

The end result will be the same

Nitrosyls are very complicated few +ve charged donors exist NO ⊕

Alternatively if it is ONNOM =⇒−⊕ )(&ONM −− Angle will be less than 180

Due to sp2 hybridization

NOMNOMNOMNOM−→

−→⊕− &

&)( Now NO+ is like CO

Remember the odd electron is on a π* orbital Having more contribution from N

: