In the spotlight: bond activation reactions with pyridyl-triazolylidene metal complexes

Abstract

Die CuAAC-Reaktion zur Umwandlung organischer Azide und terminaler Alkine in 1,4-Triazole, als Vorstufen für Triazoliumsalze, ist seit mehr als einem Jahrzehnt bekannt. Es überrascht nicht, dass sich die synthetischen Möglichkeiten für 1,2,3-Triazole rasant weiterentwickelt haben. Um heterocyclische Triazoliumsalze in guter Ausbeute zu erhalten, sind selektive Synthesestrategien erforderlich. Sie bilden die Grundlage der so genannten mesoionischen Carbene (MICs), einer Unterklasse der bekannten NHCs. Die oben genannte Klassifizierung ergibt sich aus der Tatsache, dass 1,2,3-Triazol-5-ylidene nicht ohne Ladungstrennung in ihrer Lewis-Struktur gezeichnet werden können. In der vorliegenden Arbeit wurden neue Synthesewege erforscht, um zu 1,2,3-Triazol-5-ylidenen mit Pyridyl-substituenten (Pyridyl-MIC) als zweizähnige Liganden für Übergangsmetallkomplexe zu gelangen. Das Zusammenspiel zwischen der stark σ-donierenden Natur des MIC und den guten π-akzeptierenden Eigenschaften des Liganden spielt eine entscheidende Rolle für die photo- und elektrokatalytische Aktivität. In Kapitel 3.2 wurde eine Reihe von Pyridyl-MIC (py-MIC) und 2,2'-Bipyridin (bpy) enthaltenden Ru(II)-Komplexen synthetisiert und mit Techniken wie 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie, Elementaranalyse und Röntgenbeugungsanalyse charakterisiert. Darüber hinaus wurden (spektro)elektrochemische Messungen (SEC) durchgeführt, um die Art der verschiedenen Redoxzustände in Bezug auf die Anzahl der MIC-Einheiten zu untersuchen. Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT) wurden durchgeführt, um einen Einblick in die photophysikalischen Eigenschaften der Komplexe und ihre potenzielle Anwendung als Photokatalysatoren zu erhalten, während die Lebensdauern der Ausgangszustände in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Oliver Wenger untersucht wurden. Kapitel 3.3 beschäftigt sich mit py-MIC basierten Gruppe 6 (Cr, Mo) Carbonylkomplexen. CO ist eine ideale Sonde, um den Einfluss des Liganden am Übergangsmetallkomplex nicht nur in der nativen, sondern auch in der oxidierten und reduzierten Form zu untersuchen. IR-, EPR- und UV/Vis/NIR-SEC in Kombination mit TD-DFT wurden durchgeführt, um ein tieferes Verständnis der elektronischen Struktur der Redoxzustände zu erhalten, während die Anregung der Komplexe zu einer ungewöhnlichen reversiblen Bindung des CO-Liganden führt, nachdem die Photoprodukte im Dunkeln gelassen wurden. Überraschenderweise konnte das erste stabile [M(py-MIC)(CO)4]+ (M = Cr) Fragment mit π-akzeptierenden Liganden isoliert und mittels Röntgeneinkristallbeugungsanalyse charakterisiert werden (Kapitel 3.4). EPR-, IR- und UV/VIS-Spektroskopie, unterstützt durch theoretische Untersuchungen, wurden durchgeführt um die seltene elektronenarme Natur der isolierten [Cr(py-MIC)(CO)4]+ Komplexe zu erschließen. Darüber hinaus wurden in Kapitel 3.5 alle [M(py-MIC)(CO)4] (M = Cr, Mo, W) Komplexe mittels Step-Scan-FTIR-Spektroskopie und zeitaufgelöste Spektroskopie in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Dr. Gerhards und Prof. Dr. Niedner-Schatteburg untersucht. Es wurde eine ungewöhnliche (photo)schaltbare ON/OFF-Bindung von CO in Lösung beobachtet. Zusätzlich zeigten alle Komplexe eine NIR-Emission im festen Zustand. In Kapitel 3.6 wurden die reduzierte Spezies [M(py-MIC)(CO)4]- in-situ erzeugt und die Reduktion durch verschiedene (spektro-)elektrochemische und theoretische Methoden als überwiegend ligandenzentriert eingestuft. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine elektrochemische CO2-Reduktion unter nicht-protischen Bedingungen durchgeführt. Die (Spektro)elektrochemie stellt ein leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung reaktiver Zwischenstufen in der Elektrokatalyse dar. Im letzten Kapitel 3.7 wurde eine Reihe von [(py-MIC)Rh(Cp*)X]n+ (X = Cl-, MeCN; n = 1, 2) Komplexen synthetisiert und mit verschiedenen Techniken vollständig charakterisiert. Alle Komplexe wurden in der elektrochemischen H+ Reduktion getestet, und es wurde ein Mechanismus für die Bildung des Präkatalysators postuliert. Eine Reihe von Zwischenprodukten wurde chemisch isoliert, mittels Röntgeneinkristallbeugung untersucht und mit den elektrochemisch erzeugten Spezies verglichen. Theoretische Berechnungen untermauerten den präkatalytischen Aktivierungspfad. Die vorliegende Arbeit vermittelt ein tiefgreifendes Verständnis der Auswirkungen von zweizähnigen Liganden mit π-akzeptierenden und stark σ-donierenden Liganden (py-MIC) in Übergangsmetallkomplexen für potenzielle Anwendungen im Bereich der Photochemie und Elektrokatalyse. Zum ersten Mal wurden detaillierte (spektro)elektrochemische Untersuchungen, kombiniert mit theoretischen Berechnungen, von zwei konstitutionellen Isomeren durchgeführt, um den Einfluss der elektronischen Strukturen in Bindungsaktivierungsreaktionen zu erforschen. Die Untersuchungen der hochreaktiven (spektro)elektrochemisch erzeugten und chemisch isolierten Schlüsselintermediate ermöglicht ein tiefgreifendes Verständnis für das maßgeschneiderte Design neuer potenzieller übergangsmetallbasierter Photo- und Elektrokatalysatoren.