由MePhTIM大环支持的有机金属铁(III)配合物:一种π酸性的调节尝试

《Journal of Organometallic Chemistry》:Organometallic iron(III) complexes supported by MePhTIM macrocycle: An attempt of π-acidity tuning

【字体: 时间:2025年08月07日 来源:Journal of Organometallic Chemistry 2.4

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  铁配合物合成与电子结构研究;通过合成并表征trans-[Fe(III)(MePhTIM)(C?Ph)?]?、trans-[Fe(III)(MePhTIM)(Ph)?]?及其前体,结合光谱、电化学及DFT分析,发现MePhTIM配体增强π酸性,导致电荷转移吸收带位移和Fe3?/Fe2?还原电位正移,证实配体扩展对金属中心电子结构及稳定性的调控作用。

  
普拉卡尔·高塔姆(Prakhar Gautam)|尼亚·A·安德森(Nyah A. Anderson)|伊恩·M·弗雷德里克(Ian M. Frederick)|童仁(Tong Ren)
美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学化学系,邮编47907

摘要

本文报道了苯乙酰亚胺配合物trans-[Fe(III)(MePhTIM)(C2Ph)2]+(2)、σ-苯配合物trans-[Fe(III)(MePhTIM)(Ph)2]+(3)及其前体trans-[Fe(III)(MePhTIM)Cl2]+(1)的合成与表征。这些配合物均以四胺大环MePhTIM(2,9,-二甲基-3,10-二苯基-1,4,8,11-四氮杂环十四-1,3,8,10-四烯)为支撑结构。所有新配合物均通过质谱、电子吸收光谱以及循环伏安法和差分脉冲伏安法进行了研究。化合物1、2和3的分子结构通过单晶X射线衍射分析确定,其电子结构(基态和激发态)则通过密度泛函理论(DFT)计算得到。这些配合物表现出丰富的氧化还原特性,包括可逆的FeIII/II还原反应以及MePhTIM的还原反应。TD-DFT计算表明,引入基于MePhTIM的π(phenyl)轨道(即π(phenylmacro)为化合物1和2带来了新的电荷转移带。此外,电化学和DFT结果表明,与类似的TIM(2,3,9,10-四甲基-1,4,8,11-四氮杂环十四-1,3,8,10-四烯)相比,所有配合物的Fe dπ轨道稳定性得到了显著提高。

引言

近年来,光活性Fe配合物引起了无机化学和有机化学领域的广泛关注[[1], [2], [3]]。从根本上说,实现可用于生物分子反应的电荷转移激发态的寿命一直是一个挑战[1,3],这促使人们深入探讨结构与光物理性质之间的关系。另一方面,可见光诱导的均裂反应(VLIH)是一种基于电荷转移激发在原位生成的铁配合物中的内球电子转移过程,已在多种有机转化中取得成功[2,4],其效果可与现有的均相催化剂相媲美[[5], [6], [7]]。Fe配合物中的电荷转移激发态(金属到配体(MLCT)和配体到金属(LMCT)通常寿命较短,这是因为存在大量的低能金属中心(MC)激发态[1,3]。Warnmark及其同事使用基于NHC的强σ-给体配体,在[FeIII(phtmeimb)2]+中实现了2.0纳秒的显著LMCT寿命[8],以及在[FeII(btz)3]2+中实现了0.53纳秒的LMCT寿命[9],这些成果是通过破坏Fe eg*轨道来实现的。
最近,在Vura-Weis实验室与我们实验室的合作下,通过使用π*(α-二胺)轨道作为优异的π-受体,成功将FeII物种的LMCT寿命延长至1.25纳秒(见方案1中的trans-Fe(HMTI)(CN)2(HMTI = 5,5,7,12,12,14-六甲基-1,4,8,11-四氮杂环十四-1,3,8,10-四烯)[10]。这项工作揭示了高度π-酸性的四胺大环在支持基于3d金属的光活性配合物方面的潜力。M(HMTI)部分通常是通过对应物M(HMC)(HMC = 5,5,7,12,12,14-六甲基-1,4,8,11-四氮杂环十四烷)的氧化脱氢反应制备的,但由于会产生二胺和三胺副产物,该方法产率较低且繁琐[11]。因此,我们探索了M(TIM)(II,见方案1)作为替代的四胺结构,因为它可以通过一步反应轻松制备[12,13]。在过去的十年中,人们还研究了TIM大环中α-二胺单元对Fe(TIM)配合物中电子储存的影响[14,15]。FeII(TIM)结构也被用于探究硝基芳烃配体的氧化还原性质[16]。我们的实验室还研究了以M为CoIII[[17], [18], [19], [20]]和FeIII[21,22]的有机金属配合物。Jackles还引入了一种特殊的M(TIM)衍生物M(MePhTIM)(III,见方案1),通过连接的苯基增强了四胺部分的π-酸性。Jackels报告称,与母体TIM大环相比,MePhTIM大环能够提供更强的配体场,从而可能改变基于Fe的配合物的电化学和吸收性质[23]。这种方法通过引入外围“天线”来延长CT态寿命,例如通过将蒽基团连接到Fe(III)配合物上,实现了长达11微秒的2LMCT寿命[24]。作为我们对共轭有机金属配合物兴趣的自然延伸[[25], [26], [27], [28], [29], [30]], 我们在此初步探讨了FeIII(MePhTIM)的苯乙酰亚胺和σ-苯配合物的合成及其分子结构、电子结构和光谱性质。

合成方法

合成

起始物质trans-[FeII(MePhTIM)(NCCH3)2][PF6]2按照文献中的方法制备[23]。通过向[FeII(MePhTIM)(NCCH3)2][PF6]2中的丙酮溶液中加入2当量的FeCl3,然后加入乙醚进行沉淀,制备得到了trans-[FeIII(MePhTIM)Cl2][PF6](1,见方案2)。在氮气保护下(?78 °C),将锂化的苯乙酰亚胺加入1的THF溶液中,随后得到了trans-[FeIII](MePhTIM)(C2Ph)2][PF6](2)。

结论

使用MePhTIM大环成功合成了有机金属化合物[Fe(MePhTIM)(C2Ph)2]PF6和[Fe(MePhTIM)(Ph)2]PF6,产率较低至中等。伏安法研究显示,Fe(MePhTIM)配合物比其TIM对应物更缺乏电子,导致所有氧化还原对中的阳极电位发生一致的变化。此外,σ-苯配合物3的循环伏安法研究显示了大环的可逆还原反应。

材料

干燥的四氢呋喃(THF)在氮气氛围下通过Na/benzophenone蒸馏得到,干燥的二氯甲烷(CH2Cl2)通过氢化钙蒸馏得到。其他溶剂均按原样使用。三氯化铁(FeCl3)购自ACROS公司。苯镁溴化物(phenylmagnesium bromide)和n-丁基锂(2.5 M,溶于己烷)购自Sigma-Aldrich公司。苯乙炔(HC2Ph)购自Oakwood Chemical公司。trans-[Fe(MePhTIM)(NCCH3)2][PF6]2配合物的制备方法如文献[23]中所述。

资助信息

本研究得到了美国国家科学基金会(U.S. National Science Foundation,项目编号CHE 2350262)和ACS石油研究基金(ACS Petroleum Research Fund,项目编号PRF 66514-ND3)的资助。

作者贡献声明

普拉卡尔·高塔姆(Prakhar Gautam):负责撰写初稿、方法学设计及实验研究。 尼亚·A·安德森(Nyah A. Anderson):负责审稿与编辑工作以及实验研究。 伊恩·M·弗雷德里克(Ian M. Frederick):负责实验研究。 童仁(Tong Ren):负责审稿与编辑工作、撰写初稿、监督研究及资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

本文作者不存在任何需要声明的利益冲突。

致谢

我们感谢美国国家科学基金会(U.S. National Science Foundation,项目编号CHE 2350262)和ACS石油研究基金(ACS Petroleum Research Fund,项目编号PRF 66514-ND3)对本文工作的慷慨支持。
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