Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Циклопентадиенильные комплексы рутения 7
1.1 Синтез полиареновых комплексов 7
1.2 Синтез полусэндвичевых комплексов 17
1.3 Механизм реакции вытеснения арена 30
1.4 Синтез сэндвичевых комплексов 35
Глава 2. Циклогексадиенильные комплексы рутения 44
2.1 Синтез сэндвичевых комплексов 44
2.2 Синтез полусэндвичевых комплексов 58
Глава 3. Инденильные комплексы железа и рутения 62
Глава 4. Пи-комплексы с ароматическими аминокислотами и пептидами 68
4.1 Пи-комплексы с ароматическими аминокислотами 68
4.2 Введение рутениевой метки в пептид мелиттин 75
Глава 5. Пи-комплексы с бензокраун-эфирами 83
Глава 6. Металлакарбораны 95
6.1 Синтез и перегруппировки рутенакарборанов 96
6.2 Синтез и перегруппировки феррафосфакарборанов 103
6.3 Синтез и перегруппировки ферратиакарборанов 106
Глава 7. Каталитические реакции комплексов рутения 115
7.1 Циклотримеризация алкинов и нитрилов 116
7.2 Различие в реакциях комплексов с Cp и Cp лигандами 126
Выводы 133
Экспериментальная часть 134
Общая информация 134
Экспериментальная часть к главе 1 135
Экспериментальная часть к главе 2 165
Экспериментальная часть к главе 3 181
Экспериментальная часть к главе 4 185
Экспериментальная часть к главе 5 197
Экспериментальная часть к главе 6 201
Экспериментальная часть к главе 7 209
Список литературы 218
Список обозначений
Cp – циклопентадиенил C5H5
- Синтез полусэндвичевых комплексов
- Синтез полусэндвичевых комплексов
- Введение рутениевой метки в пептид мелиттин
- Синтез и перегруппировки ферратиакарборанов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач современной химии является эффективный и экономичный синтез органических соединений, необходимых для различных отраслей высокотехнологичной промышленности. Эта задача может быть решена с помощью каталитических реакций, которые позволяют превращать простые исходные вещества в молекулы со сложной структурой в минимальное количество стадий. В настоящее время значительная часть научных работ посвящена исследованию таких реакций, однако в большинстве из них используется лишь ограниченный набор хорошо известных катализаторов.
В связи с этим актуальной и интересной задачей является поиск новых методов синтеза металлоорганических соединений, обладающих каталитической активностью. Классический подход - замещение одного двух-электронного лиганда (CO, фосфин, алкен) на другой - несмотря на широкое применение, имеет ряд принципиальных ограничений. В частности, его трудно использовать для получения комплексов с лабильными молекулами, которые не могут вытеснить более прочно связанные лиганды из исходных соединений. Кроме того, для проведения замещения, как правило, необходимо использовать избыток входящего лиганда и жесткие условия, которые увеличивают вероятность протекания побочных процессов.
В настоящей работе развивается альтернативный подход к синтезу металлоорганических соединений, основанный на реакции замещения координированного арена. Исходные ареновые комплексы, как правило, устойчивы, легкодоступны и могут быть функционализированы с помощью классических органических трансформаций. Реакцию замещения арена часто можно осуществить в мягких условиях за счет фотохимической активации комплексов, что дает возможность обойти термодинамические ограничения. Такой подход позволяет получать соединения недоступные другими путями, например, пи-комплексы металлов с ароматическими биомолекулами.
^ L. s^? L. ^
L I L д L [>' hv о
классический поход предлагаемый поход
Цель работы. Создание общих методов синтеза комплексов рутения на основе реакции замещения арена и использование этих методов для получения веществ, представляющих научную и практическую ценность.
Научная новизна и практическая значимость. В результате проведенного систематического исследования было показано, что реакция замещения координированного арена является удобным общим методом синтеза рутенийорганических соединений. С использованием этого метода был получен широкий круг неизвестных ранее сэндвичевых, полусэндвичевых и карборановых комплексов, изучено их строение и свойства.
В частности, был разработан новый общий подход к синтезу каталитически активных циклопентадиенильных и циклогексадиенильных комплексов рутения по реакции замещения нафталина в легкодоступных соединениях типа [(C5R5)Ru(C10H8)]+ и [(C6R7)Ru(C10H8)]+. На основе квантово-химических расчетов и экспериментальных данных был предложен механизм этой реакции и определены факторы влияющие на скорость её протекания.
Фотохимическое замещение нафталина было использовано для
селективного введения металлоорганической метки [(C5H5)Ru]+ в аромати
ческие аминокислоты и пептиды в присутствии других биомолекул. Показано,
что такая метка может изменять биологическую активность пептидов, а также
позволяет анализировать их распределение в живых организмах.
Фотохимические реакции замещения арена также позволяют селективно получать 12-вершинные металлакарбораны с различными гетероатомами, в то время как термические реакции таких металлакарборанов приводят к изомеризации или сжатию каркаса.
Мы впервые продемонстрировали, что нафталиновые комплексы
рутения [(C5R5)Ru(C10H8)]+ являются удобными и эффективными катализаторами
тримеризации алкинов. Их активность и селективность сопоставима с
классическим катализатором Cp*Ru(cod)Cl, но в отличие от последнего
нафталиновые комплексы значительно более доступны и устойчивы к
действию кислорода воздуха. В ходе этой работы нами было обнаружено и
объяснено принципиально различное поведение в каталитических процессах
комплексов рутения с незамещенным и пентаметил-замещенным
циклопентадиенильным лигандом.
Таким образом практическая ценность работы определяется
предложенными в ней новыми общими методами синтеза разнообразных
металлоорганических соединений, которые могут быть использованы в гомогенном катализе или биохимических исследованиях.
Личный вклад автора. Выбор темы, постановка задач исследования, обобщение полученных результатов и формулировка научных выводов, которые выносятся на защиту, принадлежат лично автору настоящей работы. Все работы, связанные с синтезом, квантово-химическими расчетами, а также исследованием реакционной способности и каталитической активности соединений, описанные в диссертации, выполнены автором в сотрудничестве с коллегами, аспирантами и стажерами лаборатории -комплексов переходных металлов ИНЭОС РАН. Исследования полученных соединений методами ЯМР и рентгеноструктурного анализа проведены в рамках сотрудничества с профильными лабораториями ИНЭОС РАН. Исследование биологической активности соединений выполнены в рамках сотрудничества с д.б.н. Н.Ю. Анисимовой (Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина). По тематике представленной работы под руководством автора были успешно защищены две диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены
автором лично на Международных конференциях по металлоорганической
химии EuCheMS (Гётеборг, 2009; Тулуза, 2011; Сэнт-Эндрюс, 2013; Братислава,
2015), на Международных конференциях по металлоорганической и
координационной химии (Нижний Новгород, 2008, 2010), на Международной
конференции «Итоги и перспективы химии элементоорганических
соединений» (Москва, 2009), Международной конференции по катализу в
органическом синтезе ICCOS-2012 (Москва, 2012), Международном
симпозиуме по биометаллоорганической химии ISBOMC 7 (Вена, 2014), Европейской конференции по химии бора Euroboron 4 (Бремен, 2007) а также на конкурсах научных работ ИНЭОС РАН (2013, 2015).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 27 научных статьях в российских и международных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, экспериментальной части и списка литературы (281 ссылки). Материал диссертации изложен на 253 страницах и включает 70 схем и 48 рисунков.
Синтез полусэндвичевых комплексов
Сэндвичевые комплексы рутения с циклопентадиенильными лигандами привлекают широкое внимание исследователей в первую очередь благодаря своей высокой стабильности, которая позволяет использовать их в самых различных областях.60 Так например, на основе циклопентадиенил-ареновых комплексов с общей формулой [CpRu(arene)]+ были созданы рецепторы анионов61 и противоопухолевые препараты.62 Кроме того, такие комплексы широко применялись в органическом синтезе для активации нуклеофильного замещения в аренах63,64 и синтеза пептидных антибиотиков с бис(арил)эфирным фрагментом.65,66,67 Замещенные рутеноцены CpRuCp использовались в роли структурных фрагментов лигандов68 и в качестве меток для биохимических исследований.69,70 Мы предположили, что такие сэндвичевые соединения можно получать замещением нафталина в комплексе [CpRu(C10H8)]+ (1) на другие пи лиганды. Действительно, оказалось, что катион 1 реагирует с циклопентадиеном при облучении видимым светом, давая наиболее простое сэндвичевое соединение, рутеноцен Cp2Ru (29a), c выходом 73% (Схема 20).71 Предположительно, реакция протекает через первоначальное образование диенового комплекса [CpRu(4-С5H6)]+ и дальнейшее отщепление протона. Для связывания выделяющейся кислоты, которая катализирует нежелательную полимеризацию циклопентадиена, необходимо использовать K2CO3. К сожалению, облучение 1 с метилциклопентадиеном не дает целевого комплекса CpRu(С5H4Me), вероятно, из-за быстрой димеризации исходного диена. В то же время реакция 1 с C5Me5H дает пентаметилрутеноцен 29b c выходом 82%, что свидетельствует о незначительном влиянии стерических эффектов на ход процесса. Формил- и ацетил-замещенные циклопента диены неустойчивы в свободном состоянии,72 поэтому для взаимодействия с 1 были использованы соответствующие анионы. В результате этих реакций были получены рутеноцены 29c и 29d с выходом около 90%. Строение комплексов 29a–d было подтверждено данными спектроскопии 1H ЯМР, а структура незамещенного рутеноцена 29а была изучена методом РСА.54
Облучение катиона 1 в присутствии бензола приводит к замещению нафталина и образованию простейшего аренового комплекса [CpRu(C6H6)]+ (17) (Схема 21).73 Скорость реакции возрастает при увеличении координирующей способности противоиона в ряду [B(3,5-(CF3)2C6H3)4]– (3%) PF6– (10%) BF4– (52%) CF3SO3– (66%) и полярности растворителя CH2Cl2 (10%) THF/CH2Cl2 (60%) ацетон (100%) (в скобках указана конверсия реакции за 6 часов облучения лампой 400 Вт широкого видимого спектра 400-700 нм). Такая зависимость наблюдалась ранее для других реакций вытеснения арена74,75 и, по-видимому, обусловлена стабилизацией промежуточных координационно-ненасыщенных частиц типа [CpRu(4-C10H8)]+ молекулами растворителя или противоионами. С помощью реакции обмена арена в 1 нами был получен широкий круг комплексов [CpRu(arene)]+ (30a-g) с выходами 70-90%.76 Такую зависимость можно объяснить разнонаправленным действием стерических и электронных эффектов. Так, донорный эффект двух метильных групп увеличивает скорость реакции ксилола по сравнению с бензолом. Однако, при введении еще одной метильной группы стерический эффект перевешивает электронный и мезитилен реагирует медленнее, чем бензол. Аналогичная зависимость наблюдалась ранее для реакции обмена арена в комплексах иридия [(cod)Ir(arene)]+.77 По стерическим причинам реакция комплекса 1 с гексаметилбензолом протекает крайне медленно и достигает 25% конверсии только после 30 часов облучения в ацетоне. Арены, содержащие акцепторные заместители, (например 1,4-дихлорбензол), как правило, не вытесняют нафталин. Однако, мы обнаружили, что облучение 1 в водном растворе с некоторыми акцепторными аренами (ацетофенон, бензойная кислота, фталевая кислота) Глава 1. Циклопентадиенильные комплексы рутения дает комплексы [CpRu(arene)]+ (30h-j) (Схема 22). По-видимому, реакция ускоряется за счет высокой полярности среды, а также за счет выпадения нафталина в осадок, что уменьшает вероятность обратного обмена. Кроме того, возможно, что бензойная и фталевая кислота реагируют не форме нейтральных молекул, а в форме более нуклеофильных анионов.
Фотохимическое замещение нафталина в комплексе 1 на производные бензола, вероятно, необратимо, поскольку продукты реакции - комплексы [CpRu(arene)]+ (30) - не поглощают видимый свет. Поэтому, в качестве примера равновесного процесса мы исследовали реакцию 1 с катионом 1 нафтиламмония (Схема 23).76 Образование изомерных комплексов [CpRu(C10H7NH3)]2+ (31a,b) из 1 невыгодного из-за дестабилизирующего влияния электроноакцепторной группы NH3+. Действительно, обмен нафталина в 1 на катион 1-нафтиламмония не протекает даже при длительном облучении в нитрометане. Однако, при облучении в водном растворе равновесие смещается в сторону продуктов 31а,Ь благодаря выпадению нафталина. Так, после 6 часов облучения раствора катионов 1 и 1-нафтиламмония в D20 в присутствии HBF4 образуется смесь комплексов 1, 31а и 31Ь в соотношении 5:10:2. Дальнейшее облучение не изменяет это соотношение, что указывает на достижение положения равновесия. Добавление в реакционную смесь спирта CD3OD увеличивает растворимость нафталина и переводит комплексы 31а,Ь обратно в 1. Напротив, Глава 1. Циклопентадиенильные комплексы рутения многократная экстракция выделяющегося нафталина из водного раствора петролейным эфиром позволяет сдвинуть равновесие в сторону продуктов и достичь полного превращения 1 в 31a,b. К сожалению, выделить эти комплексы в чистом виде не удается, из-за их быстрого разложения в твердом виде (возможно через депротонирование группы NH3+).
Синтез полусэндвичевых комплексов
До настоящей работы полусэндвичевые циклогексадиенильные комплексы рутения были относительно малоизучены. Несколько соединений с общей формулой [(5-C6H7)RuL3]+ было синтезировано присоединением гидрид-иона к бензольному лиганду.100,101 Кроме того, Димауро и Волчански показали, что протонирование сэндвичевого соединения (5-C6H5Me2)2Ru с помощью HBF4 в MeCN дает катионный комплекс [(5-C6H5Me2)Ru(MeCN)3]+, в котором две молекулы ацетонитрила можно заместить на PMe3 или dppe.85 Аналогичная реакция (5-C6H5Me2)2Ru с HCl дает хлорид [(5-C6H5Me2)RuCl]2, который присоединяет молекулы норборнадиена, PMe3 или dppe, давая комплексы типа (5-C6H5Me2)RuL2Cl.
Мы обнаружили, что полученный нами нафталиновый комплекс [(5-C6H3Me4)Ru(C10H8)]+ (42b) легко реагирует с 2-электронными лигандами с образованием комплексов [(5-C6H3Me4)RuL3]+ (48a–d; L = MeCN, tBuNC, P(OEt)3, PTA) с выходами 70–95% (Схема 36).98 Скорость вытеснения нафталина зависит от размера лиганда: небольшие молекулы MeCN и tBuNC реагируют уже при комнатной температуре, в то время как для объемных P(OEt)3 и PTA требуется нагревание при 60 С. Более крупные лиганды Ph3P и Ph3Sb реагируют с 42b при 60 С с образованием сложных смесей продуктов.
Вне зависимости от природы лиганда, замещение нафталина в комплексе 42b протекает быстрее, чем в его циклопентадиенильном аналоге [CpRu(C10H8)]+ (1). Эта тенденция наблюдается и для других диенильных комплексов [(5-C6H7)Ru(C10H8)]+ и [(5-C8H11)Ru(C10H8)]+, и может быть связана со способностью диенильного лиганда изменять координацию с 5 на 3, освобождая таким образом одно координационное место для входящего 2-электронного лиганда (аналогично «инденильному» и «нафталиновому» эффекту).102
Реакция катиона 42b с хлорид-анионом в присутствии P(OMe)3 или dppe легко протекает при комнатной температуре и дает соответствующие нейтральные комплексы (5-C6H3Me4)Ru(P(OMe)3)2Cl (49) и (5 C6H3Me4)Ru(dppe)Cl (50) (Схема 37). По данным ЯМР-спектроскопии, степень превращения 42b в 49 и 50 близка к 100%, однако выходы продуктов составляют около 60% из-за потерь при выделении. яRu CI ЯСГ P(OMe)3 P(OMe)3 P(OMe)3 42b 49, 58% СҐ dppe СГ j PPh2 Ph2P-0 50, 65% Схема 37 Глава 2. Циклогексадиенильные комплексы рутения Все полученные полусэндвичевые комплексы были охарактеризованы спектрами ЯМР 1Н, 13C и 31P (при наличии фосфор-содержащих лигандов), а также элементным анализом. Строение комплексов [(5-C6H3Me4)Ru(PTA)3]PF6 ([48d]PF6, Рисунок 18) и (5-C6H3Me4)Ru(P(OMe)3)2Cl (49, Рисунок 19) было исследовано методом РСА. Расстояние RuC5 в катионе 48d (1.791 ) заметно увеличено по сравнению с исходным нафталиновым комплексом 42b (1.754 ) и хлоридом 49 (1.772 ), вероятно, из-за сильного донорного эффекта и/или пространственного отталкивания PTA лигандов. Аналогичный эффект наблюдается в циклопентадиенильном комплексе [Cp Ru(PTA)3]+ (25с).
Строение катиона 48d по данным рентгеноструктурного анализа. Атомы водорода не показаны для упрощения восприятия. Избранные межатомные расстояния (): Ru1–C1 2.281(4), Ru1–C2 2.260(4), Ru1–C4 2.274(4), Ru1–C5 2.263(4), Ru1–C6 2.261(4), Ru1–P1 2.3054(10), Ru1–P2 2.3018(10), Ru1–P3 2.3271(10), RuC5(плоскость) 1.791. Глава 2. Циклогексадиенильные комплексы рутения
Строение комплекса 49 по данным рентгеноструктурного анализа. Атомы водорода не показаны для упрощения восприятия. Избранные межатомные расстояния (): Ru1–C2 2.203(4), Ru1–C3 2.183(4), Ru1–C4 2.217(4), Ru1–C5 2.290(4), Ru1–C6 2.358(4), Ru1–P1 2.2654(11), Ru1–P2 2.2448(10), Ru1–Cl1 2.4556(10), RuC5(плоскость) 1.772.
Интересно отметить, что координация циклогексадиенильного лиганда в хлориде 49 заметно несимметрична, по-видимому, из-за транс-влияния фосфитного лиганда. Так, связь Ru1–C6 (2.358 ), расположенная напротив атома P2, длиннее, чем формально эквивалентная ей связь Ru–C2 (2.203 ).
Таким образом мы показали, что различные циклогексадиенильные комплексы рутения можно получить замещением нафталинового лиганда в катионе [(5-C6H3Me4)Ru(C10H8)]+ (42b).
Введение рутениевой метки в пептид мелиттин
Комплекс 58 устойчив в условиях большинства биохимических реакций. Например, он не разлагается за 24 часа на воздухе в водном растворе с pH 0–14 в присутствии потенциально координирующихся биомолекул, таких как цистеин, гистидин и аденин. Трипсинолиз производного 58 протекает также как и для свободного мелиттина, с образованием укороченного пептида VLTTGLPALIS-[CpRu+W]IK. Примечательно, что пептиды, содержащие такую рутениевую метку, легко обнаруживаются с помощью масс-спектрометрического анализа благодаря характерному распределению изотопов рутения.
Несмотря на устойчивость комплекса 58, метку [CpRu]+ можно удалить, если это необходимо. Обычно для этого соединения типа [CpRu(arene)]+ подвергают УФ-облучению в ацетонитриле, что приводит к вытеснению арена и образованию комплекса [CpRu(MeCN)3]+. Однако, в случае пептидов этот подход неудобен, поскольку исходное производное не растворимо в ацетонитриле, а продукт [CpRu(MeCN)3]+ способен реагировать различными функциональными группами.143 Поэтому нами был разработан альтернативный подход, основанный на реакции обмена арена: облучение ближним ультрафиолетом (max = 365 нм) комплекса 58 в водном растворе в присутствии 5-кратного избытка гидрохинона дает свободный мелиттин 57 и комплекс [CpRu(гидрохинон)]+. Глава 4. Пи-комплексы с ароматическими аминокислотами и пептидами
Пространственное строение 58 в растворе CD3OH было установлено с помощью расчета методами молекулярной динамики с использованием дополнительных силовых функций параметризованных на основании данных двумерных спектров ЯМР (Рисунок 27). В спектре 1H ЯМР NOE наблюдается большое количество интенсивных кросс-пиков NH-NH, что указывает на структуру -спирали. Примечательно, что сигналы диастереомеров 58 совпадают для первых 13 аминокислот пептида (H-GIGAVLKVLTTGL) и различаются для последующих 13 (PALIS-[CpRu+W]IKRKRQQ-NH2). Это указывает на свободный перегиб -спирали в районе 13-14 аминокислот (лизин-пролин), который характерен для мелиттина. В целом, рассчитанная геометрия производного 58 практически не отличается от природного мелиттина,144,145 что указывает на незначительное влияние фрагмента [CpRu]+ на вторичную структуру пептида.
Слева: сравнение структуры производного 58 (оранжевый) с природным мелиттином 57 (синий). Справа: суперпозиция 10 наиболее выгодных конформеров производного 58 по данным расчетов и ЯМР. Глава 4. Пи-комплексы с ароматическими аминокислотами и пептидами Однако, координация фрагмента [CpRu]+ изменяет межмолекулярные взаимодействия мелиттина и его четвертичную структуру. Так, природный мелиттин 57 при повышении полярности среды образует тетрамерную форму [57]4 (например, в растворе фосфатного буфера с pH = 7 и M = 0.05),146 в которой все гидрофобные остатки аминокислот, включая триптофан, расположены внутри глобулы (Рисунок 28). Мы обнаружили, что нафталиновый комплекс 1 способен реагировать с тетрамером [57]4 давая производное 58. Возможно первоначально фрагмент [CpRu]+ координируется с атомом азота индола,147 который находится на поверхности глобулы. Координация фрагмента [CpRu]+ превращает гидрофобный остаток триптофана в катионный комплекс, что ослабляет гидрофобные взаимодействия внутри глобулы и приводит к распаду тетрамера на мономерные пептидные цепи. Действительно, комплекс 58 не образует тетрамера даже при высокой полярности среды (например, в растворе фосфатного буфера с pH = 7 и M = 0.2). Рисунок 28. Реакция комплекса 1 с тетрамером мелиттина [57]4. Пептид изображен в виде поверхности доступной растворителю. Поверхность одной из четырех цепей показана прозрачной. Глава 4. Пи-комплексы с ароматическими аминокислотами и пептидами Мелиттин обладает высокой антимикробной и антираковой активностью, однако его применение в медицине ограничено способностью разрушать клетки крови (вызывать гемолиз).136 Мы обнаружили, что гемолитическая активность рутениевого производного 58 (HC50 = 28.4 M) в 11 раз меньше, чем активность природного мелиттина (HC50 = 2.5 M). По видимому, положительный заряд фрагмента [CpRu]+ препятствует гидрофобным взаимодействиям между остатком триптофана и мембраной клеток крови.132 Интересно, что токсичность рутениевого производного 58 по отношению к раковым клеткам SKOV3 (IC50 = 4.7 M) и MDA-MB-231 (IC50 = 9.3 M) лишь вдвое ниже, токсичность природного мелиттина (IC50 = 2.7 M и 5.2 M для линий SKOV3 и MDA-MB-231, соответственно). Эти данные подтверждают, что гемолитическая и антираковая активность мелиттина обусловлены различными механизмами действия.148 Метку [CpRu]+ можно использовать для изучения распределения мелиттина (и других пептидов) в живых организмах с помощью анализа содержания рутения высоко чувствительным методом ICP-MS.69,149,150 По сравнению с классическими радиоактивными и флуоресцентными метками, метка [CpRu]+ имеет меньший размер и более устойчива в биологических средах. Недостатком такого подхода является необходимость отбора проб тканей живых организмов.
Для демонстрации практического применения мы ввели производное мелиттина 58 в брюшину мышей СВА (доза 0.2 мг/кг). Органы мышей были затем изъяты через различные промежутки времени для измерения содержания рутения. Было показано, что производное 58 быстро проникает в центральный кровоток - максимум концентрации наблюдается через 30 минут после инъекции (Рисунок 29). Последующее разрушение красных кровяных телец, по-видимому, активирует работу фильтрационных органов
Синтез и перегруппировки ферратиакарборанов
Взаимодействие незамещенного комплекса CpRu(cod)Cl с фенилацетиленом в отсутствии AcOH также приводит к образованию продукта 101, хотя и с более низким выходом 27%. Несмотря на то, что механизм данной реакции не полностью ясен, можно предположить, что сначала из CpRu(cod)Cl образуется рутенацикл CpRu(C4H2Ph2)Cl (100a). Из-за меньшей донорности незамещенного циклопентадиенильного лиганда интермедиат 100a труднее протонируется, чем его аналог 100b с более донорным лигандом Cp , и поэтому не образует целевого продукта 99. С другой сторон, интермедиат 100a пространственно менее затруднен по сравнению с 100b, что облегчает его дальнейшую реакцию со вторым фрагментом [CpRu] и третьей молекулой фенилацетилена, которая приводит к образованию необычного соединения 101.
На настоящий момент описано лишь несколько примеров биядерных комплексов с мостиковым лигандом C6R3.235,236 В частности, комплексы кобальта (OC)2Co(-,3:3,-C6R6)Co(CO)2 были выделены в качестве побочных продуктов каталитической тримеризации алкинов в присутствии Co2(CO)8.237 Однако, несмотря на интенсивные исследования реакций циклопентадиенильных комплексов рутения с алкинами,238 образование 101 не было ранее описано. Единственный сходный рутениевый комплекс CpRu(-,3:3,-C6Ph2(COOMe)4)RuCp был получен случайно при замещении карбонильных лигандов в CpRu(-CO)(-C2Ph2)RuCp на диметиловый эфир ацетилендикарбоновой кислоты.239 Реакция ацетонитрильного комплекса [CpRu(MeCN)3]+ с фенилацетиленом и AcOH в ТГФ также дает 101 (выход 38%). Однако аналогичная реакция в ацетонитриле протекает с образованием производного дигидроиндена 102 (выход 65%) в результате необычного отщепления Cp лиганда (Схема 70).
Расположение фенильных групп в 102 позволяет предположить, что это соединение образуется при разложении металлацикла 103a. По-видимому, координация рутения с молекулами ацетонитрила облегчает отщепление циклопентадиенильного лиганда от 103a. Сходный процесс отрыва Cp-лиганда был описан ранее только для циклопентадиенил-карборанильных комплексов и титаноценов.240,241,242,243,244 Лиганд Cp не отщепляется в аналогичных условиях: реакция фенилацетилена с AcOH в присутствии [Cp Ru(MeCN)3]+ в ацетонитриле дает ожидаемый диен 99 с выходом 69%.
Механизм отщепления циклопентадиенильного лиганда был предложен на основании DFT расчетов (Рисунок 46). На первой стадии происходит замещение двух ацетонитрильных лигандов в [CpRu(MeCN)3]+ на молекулы фенилацетилена с образованием [CpRu(MeCN)(PhCCH)2]+.245 Дальнейшее сочетание двух молекул алкина с образованием металлацикла 103a протекает через переходное состояние TS1 с активационным барьером 8.6 ккал/моль.
Последующее присоединение ацетонитрильного лиганда к 103a имеет более высокий барьер активации 14.7 ккал/моль (TS2) из-за отрицательного вклада энтропии. Дополнительный лиганд MeCN добавляет два электрона рутениевому центру и превращает двойные связи Ru=C в 103a в более лабильные одинарные связи Ru-C в интермедиате IM1. Это упрощает миграцию одного из атомов углерода металлацикла к циклопентадиенильному кольцу с образованием интермедиата IM2 (активационный барьер этой стадии 10.8 ккал/моль). Присоединение второй молекулы MeCN к IM2 с образованием IM3, по-видимому, протекает с незначительным барьером, который нам не удалось локализовать, несмотря на использование разнообразных методов поиска переходного состояния. Присоединение MeCN сопровождается превращением двойной связи Ru=C в IM2 в одинарную Ru-C в IM3. Последующий разрыв этой связи протекает через переходное состояние TS4 (барьер 9.6 ккал/моль) и дает комплекс 104. В дальнейшем аллильный лиганд в 104, по-видимому, протонируется уксусной кислотой и вытесняется дополнительными молекулами MeCN с образованием дигидроиндена 102. Сходный механизм недавно был предложен для трансформации Cp-лиганда в циклопентадиенил карборанильных комплексах рутения.242 В целом превращение [CpRu(MeCN)3]+ в 104 происходит с энергетическим выигрышем в 37.3 ккал/моль. Невысокие барьеры активации находятся в соответствии с наблюдаемым легким протеканием реакции при комнатной температуре. Предложенный механизм также объясняет, почему отрыв Cp-лиганда не происходит при аналогичной реакции в THF. По видимому, THF является слишком слабым и объемным лигандом, и не присоединяется к 103a. Так, попытка оптимизировать структуру гипотетического интермедиата IM1HF приводит к выбросу молекулы THF.
Строение соединений 101 (Рисунок 47) и 102 (Рисунок 48) было однозначно подтверждено при помощи РСА. В целом геометрия комплекса 101 находится в соответствии с предполагаемой -,3:3,-координацией мостикового лиганда C6H3Ph3. В частности, длина связи С3-С4 (1.497 ) типична для одинарной связи C(sp2)-C(sp2), в то время как связи C1-C2, C2-C3, C4-C5, и C5-C6 заметно короче (средняя длина 1.425 ). -Связи Ru1-C1 и Ru2-C6 (средняя длина 2.073 ) короче, чем -связи Ru1-C6 и Ru2-C1 (средняя длина 2.120 ). Расстояние между двумя атомами рутения Ru1-Ru2 составляет 2.728 , что свидетельствует о наличии одинарной связи, которая необходима для достижения 18-электронной конфигурации атомов рутения.