13 cr-Donor-Liganden Wie in Kap. 2 angedeutet, empfiehlt es sich, die Organometallchemie der l)ber- gangselemente nach den jeweiligen Liganden zu ordnen. Die nachstehende Tabelle enthalt die wichtigsten Typen organischer Liganden mit mindestens zwei Kohlen- stoffatomen, die fiber (~-Bindungen an das Ubergangsmetall gebunden sein kSnnen. Kohlenstoff- Ligand Hybridisierung endstandig verbrUckend Sp 3 Sp2 sp M--CR 3 Alkyl cR3 / \ M~M / \ M~M R c~ / \2M M ~ Aryl /~ M M Carben oder R M-'CR 2 Alkyliden //C\ ~ / M M MIC'-C~ Vinyl R R ~I ~C/ II MtC'~ R Acyl /C~. M~M Carbin oder M~CR Alkylidin M--C~CR Alkinyl M--C -" CR 2 Vinyliden M~ R C III C / \ M--M 3-Zentren- #2 -Alkyl /~2 -Alkyliden /~3 -Alkylidin 3-Zentren- /~2-Aryl #2 -AIk ylidin /~2-Vinyliden /L2 (a,vr) - Alkinyl 3-Zentren- P'2 -Alkinyl
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13 cr-Donor-Liganden
Wie in Kap. 2 angedeutet, empfiehlt es sich, die Organometallchemie der l)ber- gangselemente nach den jeweiligen Liganden zu ordnen. Die nachstehende Tabelle enthalt die wichtigsten Typen organischer Liganden mit mindestens zwei Kohlen- stoffatomen, die fiber (~-Bindungen an das Ubergangsmetall gebunden sein kSnnen.
Kohlenstoff- Ligand Hybridisierung
endstandig verbrUckend
Sp 3
Sp 2
sp
M--CR 3 Alkyl cR3 / \
M ~ M
/ \ M ~ M
R c ~
/ \2M
M ~ Aryl / ~
M M Carben oder R
M - ' C R 2 Alky l iden / / C \
~ / M M
M I C ' - C ~ Vinyl R R ~I ~C/
II MtC '~ R Acyl /C~. M ~ M
Carbin oder M~CR Alkylidin
M--C~CR Alkinyl
M--C -" CR 2 Viny l iden
M ~
R C III C / \
M - - M
3-Zentren- #2 -Alkyl
/~2 -Alkyliden
/~3 -Alkylidin
3-Zentren- /~2-Aryl
#2 -A Ik ylidin
/~2-Vinyliden
/L2 (a,vr) - Alkinyl
3-Zentren- P'2 -Alkinyl
270 13 G-Donor-Liganden
In dem Marie, wie auf der Seite des Liganden Voraussetzungen ftir die Ausbildung von Mehrfachbindungen gegeben sind, k6nnen zur reinen g-Bindung (M-C-Einfach- bindung) ~-Bindungsbeitr/ige hinzutreten (M"" C-Mehrfachbindung). Die Bespre- chung in diesem und den folgenden Kapiteln erfolgt etwa in der Reihe zunehmenden ~-Akzeptorcharakters der Liganden, beginnend mit ~)M-Alkylen (,~r-Komplexe") und endend mit UM-Komplexen cyclisch konjugierter ~-Liganden (,lr-Komplexe").
13.1 Darstellungsmethoden for UM-Alkyle und 0M-Aryle
Einige der unter [ ~ - [ ~ genannten Darstellungsverfahren ftir HGE-Organyle (S. 32f.) sind auf Ubergangsmetalle iibertragbar. Zus/itzliche Synthesemethoden ftir UM-Organyle [ ~ - ~-~ gehen von Komplexen in niedriger Metall-Oxidationsstufe aus (Ligand -- CO, PR3, Olefin etc.), die ftir Hauptgruppenelemente nicht existieren.
Li ~ L i R3 P ",,,,, ,,,~,,",,~ P t C 12( P R3) 2 ~ P t ~b.~J
a3e~ r"
Neben den meist verwendeten stark carbanionischen Li- und Mg-Organylen kSnnen auch ande- re HGE-Organyle, insbesonders von A1, Zn, Hg und Sn eingesetzt werden. Mit diesen gelingt partieller Austausch einzelner Halogenidliganden, ferner werden funktionelle Gruppen ge- schont.
TiCI 4 AI2Me6 .~ MeTiCI 3
NbCI 5 ZnMe2 ~ Me2NbCI3
L2RPdX ArSnMe3 ~ L2RPdAr - Me3SnX
Derartige Metathesen werden in der Literatur h/iufig auch als Transmetallierungen bezeichnet.
1,4-Addition, cis und trans Die Insertion eines Olefins in eine UM-H-Bindung ist auch der entscheidende Reaktionsschritt einiger homogenkatalytischer Prozesse (vergl. Kap.18).
13.1 Darstellungsmethoden for 0M-Alkyle und UM-Aryle 271
M e t a l l h y d r i d + C a r b e n
CpMo(CO)3H CH2N 2
~- CpMo(CO)3CH 3
C a r b e n i n s e r t i o n [ ]
C a r b o n y l m e t a l l a t + Alky lha logen id
Na/Hg Mn2(C O)10 ~ Na[Mn(CO)5]
M e t a l l a t -A lky l i e rung
C H3I CH3Mn(CO) 5 + NaI
W(CO)6 NaCp m CpW(CO)3C2H5 ~-- Na[CpW(CO)3] C2H51
Als Nebenreaktion trit t dabei h~ufig HX-Eliminierung aus RX auf, bewirkt durch die nucleo- philen Carbonylmetallate.
C a r b o n y l m e t a l l a t + Acy lha logen id M e t a l l a t - A c y l i e r u n g
I CH3COC I J I Fe hv Fe ~, ,,Fe O
C"" " ~ // ~'- O C'''' i ~CH3 / \ -c,- o I c( - c o o c c o
C CH 3 C O O
Viele Metall-Acyle verlieren bei thermischer oder photochemischer Energiezufuhr ein Molektil CO (vergl. S. 266). Diese Reaktion ist oft reversibel.
16 V E - M e t a l l k o m p l e x + A lky lha logen id Ox ida t ive A d d i t i o n
Viele 16 VE-Komplexe, in denen das Metall d 10- oder d8-Konfiguration besitzt, addieren Alkyl- halogenide, wodurch sich die Oxidationszahl des Metalls um +2 erh6ht. Die oxidative Addition kann in cis oder in trans Orientierung erfolgen:
P h3P"%, 0 CH,~ / P t ~ / "
P h 3 P - - CH 2
16 VE
Ir Br ~" ~ L
PPh 3
H3C', , , , I IT / C H 2 - CH3I ~ P
cis- ~ Id" I CH2 OA PPh 3
18 VE
H3C'%,, I],,,,,'P P h 3 C2 H4 ~ P t
1~ f " " ~ p p h 3
16 VE
CH3CI t rans- OA
CH 3 L ,,,,,,, II ~,,,I,,C ~
Ir -"- B r~ ' 1 % L
CI
CH 3
,%,, AT I(
= C| I ~L Br
16 VE 18 VE 18 VE
272 13 o-Donor-Liganden
Auch 18 VE-Komplexe mit basischem Metall kSnnen diese Reaktion eingehen:
C[J CH3I J" cloIII ~ J I I I 0
oC/ \ o c,''" ~ ~CH3 I ''~' i ~C ~ PPh3 PPh3 IPh 3 \CH 3
18 VE 18 VE 18 VE
AIs Metall-Basen (Shriver, 1970) bezeichnet man Komplexverbindungen mit hoher Elektronendichte auf dem Zentralmetall und der Bereitschaft zur ErhShung der Ko- ordinationszahl (vergl. Werner, 1983).
Olefinkomplex Jr Nucleophil
I I [CH30]- Ni N / ' ~ m _ / ~x./.H H
~__~ O C H 3
Bei nucleophiler Addition an ~12-Liganden kommt es zu einer ~/o-Umlagerung. Beispiel:
13.2 Einige Eigenschaften von 0 M - ~ - O r g a n y l e n
13.2.1 Thermodynamische Stabilit~it versus kinetische Labilitiit
Prfihe Versuche zur Darstellung bin~rer Ubergangsmetall-Alkyl- oder Arylkomplexe, wie etwa Diethyleisen oder Dimethylnickel, zeigten, dab solche Verbindungen unter normalen Bedingungen nicht haltbar sind, obwohl sie mSglicherweise bei tiefen Temperaturen als Solvate in LSsung existieren.
Bekannte Verbindungen mit tJM-q%C-Bindung enthielten meist noch weitere, andersartige Liganden wie ~15-C5H5, CO, PR 3 oder Halogene:
Weitere Beispiele: CpFe(CO)2CH3, CH3Mn(CO)5 (Cp = ~15-C5H5). Dies ffihrte zu . " " O " . . ( 3 " .
der Anslcht, UM ~-~-C-Blndungen se,en generell schwKcher als HGE ~---C-Blndungen, einer These, die heute nicht mehr haltbar ist.
Ein Vergleich der Kraftkonstanten fiir die M-C-Streckschwingung zeigt, dab HGE--q-~ C- und UM--q-~ C-Bindungen vergleichbare S t~ke besitzen kSnnen:
M(CH3) Si Ge Sn Pb Ti
Kraftkonstanten 2.93 2.72 2.25 1.90 2.28 k(M-C) [N am -1]
Thermochemische Daten fiir UM-Organyle deuten in die gleiche Richtung, und man �9 �9 �9 �9 " ( 7 . .
mmmt heute an, dab dm Bmdungsenergm yon U M - - C - B m d u n g e n zwlschen 120 und 350 kJ /mol liegt. Man beachte, dab die folgenden Daten Mittelwerte D(M-C) und nicht individuelle Bindungsdissoziationsenergien D(M-C) darstellen (vergl. S. 25). Typische Werte sind eher im unteren Bereich der Spanne zu suchen:
Verbindung D(M---q-~ kJ/mol Verbindung E)(M-"q-~C), kJ/mol
Trotz ihrer fundamentalen Bedeutung ist die quantitative Bewertung der UM--ff-~C-Bindungs - energie keineswegs als gesichert zu betrachten. Unstimmigkeiten kSnnen aus der Methodenviel- falt ihrer experimentellen Bestimmung folgen (Thermochemie, Photochemie, Gleichgewichts- einstellung, Kinetik, vergl. S. 27f.). Selbst bei Verffigung fiber einen zuverl~sigen Wert [)(M-C) verbleibt die Frage nach dessen Ubertragbarkeit auf andere Organometallfragmente (Dias, 1987). Als gesichert kann jedoch gelten, �9 da$ die UM-C-Bindung schwLicher ist als die l~M-Bindung an andere Hauptgruppenelemente
(F, O, C1, N), �9 da~ ihre Energie (im Gegensatz zu HGE-C) mit steigender Ordnungszahl zunimmt und �9 dab sterische Effekte bei der Beurteilung zu berficksichtigen sind (vergl. TaMe5, WMe6).
Ferner ist festzuhalten, dab die schwierige Handhabbarkeit binKrer UM-a-Organyle nicht auf besonders geringer thermodynamischer Stabilit~it, sondern vielmehr auf hoher kinetischer Labilit~it beruht (Wilkinson, 1974). Die Synthesestrategie in die- ser Verbindungsklasse muB deshalb zum Ziel haben, Zerfallswege zu blockieren.
Ein Metallhydrid und Olefin:
R R $
H /~ICH I -- H - - C H
I
LnM - - CH 2 LnM--- CH 2
allgemeiner Abbau-Mechanismus ist
KZ = n+l
die ~-Eliminiertmg unter Bildung von
CHR H R I CH ~ LnMH + II
L,,M--II CH2 CH2 1
KZ = n+2 Zerfall
274 13 G-Donor-Liganden
Als experimenteller Beweis fur den ~-Eliminierungsweg dient Kupferdeuterid in folgender Thermolyse:
(Bu3P) CuCH2CD2C2H 5 ~ (Bu3P)CuD +
~-Eliminierungen kSnnen auch Reversibilit/it aufweisen:
-C2H4 CP2Nb(C2H4)C2H5 ~ ~ CP2Nb(C2H4)H
+C2H 4
Die/3-Ellmlnlerung wird unterdrfickt, d.h. die UM--g-aOrganyle werden inert, wenn
a die Bildung des austretenden Alkens sterisch oder energetisch ungtinstig ist,
b der organische Ligand kein ~-st/indiges Wasserstoffatom tr/igt,
c das Zentralatom koordinativ abges/ittigt ist.
a Doppelbindungen zu Elementen h6herer Perioden sowie zu Briickenkopf-C- Atomen sind ungiinstig (Bredtsche Regel):
Inerte UM-~-Komplexe bildet u.a. der Rest R -- CH2Si(CH3) 3 (Silaneopentyl). Bei- spiele sind die Verbindungen VOR 3 (gelb, Fp. 75 ~ und CrR 4 (rot, Fp. 40 ~
( ~ ) Der Norbornylrest stabilisiert in den bin/iren Komplexen MR 4 die seltenen Oxidationsstufen Cr IV, Mn IV, Fe IV und
4 CoIV. M
b Abwesenheit y o n / 3 - I t im organischen Liganden:
einz/ihnige Reste CH
-CH 3 -CH2C--CH 3
CH 3
zweiz/ihnige Reste
H3C',,,,,, /CH2~, Si
H3C d \CH2 "/
die Bildung yon
CH2--CDC2H 5
c,,,,,,,
Man vergleiche die thermische Belastbarkeit (CH3)314, (Fp. 90 ~ mit der von Methylderivaten wie Wi(CH3) 4 (Zers. -40 ~ Dies gilt auch ffir die entsprechenden Zirkonverbindungen: W/ihrend Zr(Ph)4 nicht isoliert werden kann und Zr(CH3) 4 sich bereits ab -15 ~ zersetzt, ist Tetrabenzyl- zirkon bis zum Schmelzpunkt (132 ~ hMtbar.
c Abwesenheit freier Koordinationsstel len am Zentralatom:
Dieser Aspekt wird durch die unterschiedlichen Eigenschaften von Ti(CH3) 4 und Pb(CH3) 4 beleuchtet:
Ti(CH3) 4 Pb(CH3) 4 Zers. -40 ~ bei 110 ~ bar destillierbar
trotz kleinerer Kraftkonstante der M---g-~C-Bindung!
D e r Abbau von Ti(CH3) 4 erfolgt m6glicherweise auf bimolekularem Wege:
..... .CH 3 ...... Diese dimere Spezies sollte eine Lockerung der (CH3)3Ti : . . . . .....:Ti(CH3) 3 Ti-C(2e2c)-Bindung durch 0berfahrung in
�9 .,CH 3 den Mehrzentrentyp T i /C \T i (2e3c) aufwei- sen.
Ffir Pb(CH3) 4 w~ire ein analoger Zerfallsmechanismus ungfinstig, da dem Haupt- gruppenelement Pb zur Schalenerweiterung nur energetisch hoch liegende ~iufiere d- Orbitale zur Verfiigung stehen. In Form seines Bipyridyladduktes (bipy)Ti(CH3) 4 ist Tetramethylt i tan thermisch wesentlich robuster (Blockierung freier Koordina- tionsstellen, Unterdriickung des bimolekularen Zerfalls). Zweiz~ihnige Liganden wie auch der Phosphanligand Sis(dimethylphosphano)ethan (dmpe) sind aufgrund des Chelateffektes besonders geeignet. Ahnlich e rk l~ t sich die kinetisch inerte Natur von (18 VE)0M---g-a Alkylen, die Cyclopentadienylliganden enthalten.
Dem labilen, koordinativ unges~ittigten Ti(CH3) 4 ist das relativ inerte sterisch abge- schirmte W(CH3) 6 gegeniiberzustellen (Wilkinson, 1973):
CH3Li WC16 r W(CH3) 6 (rote Kristalle, Fp. 30 ~
DME oktaedrisch trigonal prismatisch
( Haaland, 1990; Seppelt, 1998)
Trigonal prismatische Struktur besitzen im Kristall auch die M(d0)-Spezies [Zr(CH3)6] 2 , [Nb(CH3)6]- , [Ta(CH3)6]- , [Mo(CH3)6] sowie der M(dl)-Komplex [Re(CH3)6]. Offenbar sind die VSEPR-Regeln auf UM-Komplexe nicht ohne weiteres anwendbar, denn das Kriterium der Minimierung intramolekularer sterischer Abstoi3ung wfirde Oktaederstruktur erwarten lassen. Quantenchemische Rechnungen (Kaupp, 1998) ergaben, dab die Vermeidung yon 180~ - anordnungen, welche das trigonale Prisma vom Oktaeder unterscheiden, der Maximierung der a-Bindungsenergie dient; eine anschauliche Erkl~ung l~iih sich hierffir allerdings noch nicht geben (Seppelt, 2000).
Koordinative Abs~ittigung und damit kinetische Stabilisierung wird auch in den Komplexen CH3TiX 3 (X = Halogen, OR, NR2) beobachtet. Kryoskopische Messun- gen an CH3Ti(OR)3 zeigen far CH3Ti(OCHMe2) 3 nur schwache Assoziatbildung, w~ihrend CH3Ti(OC2H5) 3 in LSsung nahezu vollst~indig als Dimeres mit Alkoxy- briicken vorliegt.
i l l3 H3C R O R /o N ....-" R 0 ""'~Ti R = i s o - P r RO ="" Ti Ti " ' = O R
i / \~ 0 0 R H 3
R R
Zus~itzlich sprechen He(II)-Photoelektronenspektren ffir eine erhebliche Mischung unbesetzter Ti-Orbitale mit doppelt besetzten Orbitalen der Sauerstoffatome. Diese ~-Donorwirkung spielt auch bei anderen Komplexen RTiX 3 eine Rolle, ihre St~irke w~ichst in der Reihenfolge X -- C1 < OR < NR 2.
Die Erfiillung aller drei Kriterien a-c ffihrt zu einer Verbindung mit erstaunlich hoher thermischer Belastbarkeit:
276 13 a-Donor-Liganden
A s ' ~ CH 2
~ , , As ~ r . ~ . A s Stabil bis 350 = CH2~.~ ( Tzschach, 1970) " As As"~
Me 2
UM--~-~C-Bindungen treten sogar in Komplexen vom klassischen Werner-Typ auf, sofern diese kinetisch inert sind. Dies trifft vor allem ffir die Zentralmetalle CrIII(d3), CoIII(d 6) und RhIII(d 6) zu (Espenson, 1992). Beispiele sind die Komplex-kationen [Rh(NH3)5C2H5] 2+ und [Cr(H20)5CHC12] 2+.
Unter den Verbindungen, die neben ~-gebundenen organischen Resten andere Hauptgruppenelemente tragen, habe die Organorheniumoxide besondere Bedeutung erlangt:
CH3 I
H3 .CH3
.,,,~ R e ..,,. 0 .0 /~0 .~0 , , O "~" \~ "~'O j R e ~ , . ~ H3C__RI e e O I " ~ 0
OH3
Methyltrioxorhenium (MTO) wurde erstma]s von Beattie (1979) dargestellt, die tiberraschende Vielseitigkeit dieser Verbindung als stSchiometrisches und katalyti- sches Reagenz rief aber nach einem effizienteren Syntheseverfahren, welches Herrmann (1988) entwickelte:
Die Organorheniumoxide sind nur ein Beispiel ftir die Tatsache, daft Metalloxid- und Metallorganyl-Funktionen im selben Molektil vereint durchaus kompatibel sind (Roesky, 2004). Die harte Lewis-Saure MTO vereint in sich hohe Stabilitat (Wasser- 15slichkeit!) mit hoher Reaktivit/it als Katalysator in der Olefinoxidation, der Baeyer-Villiger-Oxidation, der Olefinmetathese und der Olefinierung von Alde- hyden (Herrmann, 1997, 1999).
13.2.2 Wechselwirkung yon C-H-a-Bindungen mit 0bergangsmetallen
Oxidative Additionen polarer Molektile RX an niedrigvalente Metalle pragen weite Bereiche der Organometallchemie. Sogar molekularer Diwasserstoff kann sich unter Umwandlung in zwei Hydridoliganden und ErhShung der Metalloxidationszahl um 2 Stufen an Metalle addieren (S. 283). Somit ist zu fragen, ob auch C-H-Bindungen oder sogar C-C-Bindungen zu oxidativer Addition an Metalle befahigt sind. Diese Problemstellung hat sich unter dem Begriff ,,C-I-I-Aktivierung" bzw. ,,C-C-Akti- vierung" zu einem hochaktuellen Forschungsgegenstand entwickelt. Die Zielrichtung ist offensichtlich: Die Aktivierung reaktionstrager Alkane durch intermedi~ire Bin- dung an Obergangsmetalle mit nachfolgender Funktionalisierung kSnnte neuartige
13.2 Einige Eigenschaften von OM-~-Organylen 277
Verfahren der Nutzung fossiler Kohlenwasserstoffe ffir die organische Synthese er- schlieflen. Attraktiv wSre sicher die Produktion von Essigs~ture aus CH 4 und CO 2. Ferner ist die Umwandlung von Methan (einer Hauptkomponente des Erdgases) in einen fltissigen, leicht transportierbaren EnergietrSger von hoher wirtschaftlicher Bedeutung (vergl. Crabtree, 1995). Aber auch aus pr~parativer Sicht bSte die C-H- Aktivierung prinzipielle Vorteile: Anstatt Positionen geringer C-H-Acidit~t mittels metallorganischer Superbasen zu deprotonieren, was zahlreiche funktionelle Grup- pen nicht unversehrt ~iberstehen wtirden, w~ire es wfinschenswert, die entsprechende C-H-Bindung LIbergangsmetall-katalysiert zu aktivieren. Die anspruchsvollste Auf- gabe ist bei derartigen Vorhaben sicher die intermolekulare Aktivierung ges~ittigter Kohlenwasserstoffe.
Zwar ~hnelt die oxidative Addition von C-H an Metalle formal der Addition von H2, doch ist sie wegen der, verglichen mit M-H, schw~icheren Bindung M-C im allge- meinen thermodynamisch ungfinstig (Halpern, 1985):
/H .H LnM + HJ - LnM\H AH <0
I - I - ,,,C-- knM + , Ln M I AH > 0 oder
\H AH = 0
So sind (Hydrido)(a-Alkyl)0M-Komplexe nut in geringer Zahl bekannt, (Beispiel: (cY3P)2Ni(H)R , Wilke, 1969), denn sie neigen zu spontaner reduktiver Eliminierung von Alkan, was einen Schritt im Mechanismus der homogenkatalytischen Hydrie- rung von Alkenen darstellt (Kap. 18.7). Hierin spiegelt sich auch die Erfahrung wider, daft M-CH3-Bindungen im allgemeinen 40-60 kJ /mol schwScher sind als M-H-Bindungen.
Oxidative Additionen von C-H-Bindungen aromatischer Systeme an Ubergangs- metalle kennt man schon langer. Intramolekulare C-H-Addit ionen des Typs
H
Ph3P ~" I Ph3P~/" "%PPh3 Ph2P ~
werden als Orthometallierung, ein Sonderfa]] der Cyclometallierlmg, bezeichnet (Ryabov, 1990). Zur weiten Verbreitung derartiger Cyclometallierungen tr~gt sicher ihr entropisch neutraler Charakter bei. Bedingung ftir ihren Ablauf ist das Vorhan- densein von C-H-Bindungen, deren sterische Lage eine Annaherung an das Zentral- atom gestattet. Nicht immer ffihren derartige Wechselwirkungen aber zur C-H- Bindungsspaltung. Haufig wird die C-H-Bindung in einer derartigen Situation ledig- lich gelockert, nach M.L.H. Green spricht man dann von agostischen Wechsel- wirkungen. Diese zeigen modellhaft den Angriff eines unges~ttigten Komplexfrag- mentes an einer C-H-Bindung und tragen zum Verstandnis der Aktivierung von C-H-Bindungen durch Metallkomplexe bei (vergl. S. 280). Derartige C-H-M-
278 13 o-Donor-Liganden
Brficken konnten bisher vor allem ffir Komplexe nachgewiesen werden, in d-enen zu einer koordinierten Allyl- oder Dieneinheit B-st/indige C-H-Bindungen vorliegen ( Brookhart, 1988).
Als Seispiel diene der Cycloallyleisen-Komplex {0]3-C8H13)Fe[P(OMe)3]3}BF4, des- sen Struktur bei 30 K mittels Neutronenbeugung bestimmt wurde (Stucky, 1980):
H2 H2 --1+ --1+
H2 ~ H2
H' c Fo (16 vE) H ~ H "Fe L3
L = P(OMe)3
Die agostische Wechselwirkung c / H \ F e ist mit der B/H\B-Brf icke der Boranche- mie vergleichbar, in beiden Fallen liegt eine 2e3c-Bindung vor; man beachte, dab das Fe-Atom koordinativ ungesattigt ist und mit einem leeren Orbital zur 2e3c-Bindung beitr/igt.
Hinweise auf das mSgliche Vorliegen agostischer Wechselwirkungen entnimmt man:
�9 den Strukturdaten (insbesondere Neutronenbeugung), der tibliche C-H-Bindungsabstand von 110 pm erf/ihrt eine Aufweitung auf 113-119 pm
�9 den 1H-NMR-Verschiebungen nach hohem Feld (6 -- -5 bis -15 ppm) �9 den verringerten Kopplungskonstanten [1J(C,H) = 75-100 Hz] �9 den IR-Streckfrequenzen bei niedrigen Wellenzahlen (UCH = 2700-2300 cm -1) �9 der Zunahme des aciden Chaxakters der C-H-Bindung.
Auch intermolekulare C-t t -Addit ionen waren lange Zeit nur ffir aromatische Sub- strate bekannt. Beispiel (Chatt, 1965):
r ''/P"',, o,,"" P "~I 'Ru L.p,- .p.J / - - k
P P = Me2PCH2CH2PMe 2
dmpe
H,,,, ] I I,.,,,, P
Die Verbindung (dmpe)2RuH(C10H7) ist thermolabil, sie steht im Gleichgewicht mit dem Komplex (dmpe)2Ru(CloH8) unbekannter Struktur.
Die moderne .~ra der intermolekularen Aktivierung yon Alkanen dutch [lbergangs- metalle wurde dutch eine Arbeit von Shilov (1969) eingeleitet, in der er zeigte, dat3 K2PtC14 in protischen Medien den H/D-Austausch an CH 4 katalysiert. In einer Fol- gearbeit (Shilov, 1983) wurde auch fiber Befunde zur Existenz einer CH3Pt-Zwi-
13.2 Einige Eigenschaften yon 0M-(:-Organylen 279
schenstufe berichtet. Die Reaktion liiuft vermutlich nach folgendem Mechanismus @-@ ab:
(H20)2PtC~ + HCI + PICI~2-'J l PtC~42 CH3D CH3OH CH3CI
Eine Methylplatin(IV)-Zwischenstufe [C15Pt-CH3] 2- bzw. [(H20)C14Pt-CH3]- wur- de 1H-NMR-spektroskopisch nachgewiesen. Verglichen mit dem unkatalysierten, thermischen H/D-Austausch an CH 4 sind die Bedingungen im ptII-katalysierten H/D-Austausch milde (K2PtC14, D20, CH3COOD, DC104, 100-120 ~ Die Pt II- katalysierte Funktionalisieruno~ des Methans (~ )~ ) unter Bildunr von CH3OH bzw. CH3C1 , erfordert hingegen, zus~tzlich zu Pt II, stSchiometrische Mengen yon Pt IV als Oxidans. Der Shilovsche Ansatz ist auf weitere Metalle ausgedehnt worden.
Die Isolierung der Produkte der oxidativen Addition von Alkanen an Ubergangsme- talle in Substanz gelang zuerst Bergman und Graham:
Gemeinsam ist diesen Reaktionen die vorgeschaltete Erzeugung eines Teilchens niedriger Koordinationszahl bei hoher Elektronendichte auf dem Zentralmetall. Diese koordinativ unges~ittigten Spezies reagieren begierig sogar mit nichtaktivier- ten aliphatischen C-H-Bindungen. Hierbei ist die hohe Selektivit~it bemerkenwert: Die intermolekulare Reaktion des metallorganischen Zwischenproduktes mit ges~it- t igten Kohlenwasserstoffen ist gegeniiber der Reaktion mit C-H-Bindungen des ei- genen Liganden klar bevorzugt!
Im Falle von [Cy2P(CH2)2PcY2]PtH(C5Htt ) entsteht durch reduktive Eliminierung von Neopentan ein niedrig koordinierter Pt~ der vorziiglich dazu geeignet ist, die C-H-Aktivierung betreffende Aspekte zu erl~iutern (Whitesides, 1986):
- Die (intramolekulare) Cyclometallierung ist hier unterdrtickt, d a - wegen der Einbindung der Organophosphane in einen Chelatliganden - deren C-H-Bindungen vom Pt-Atom fern- gehalten werden.
- Die Pt-C-Bindung aus intermolekularer Reaktion sollte relativ stark ausfallen, da Interligand- abstot3ungseffekte, die OM-C-Bindungen schwachen, hier gering sind.
- Die Isolobalbeziehung (S. 552) la6t die Reaktion des Fragmentes L2Pt mit C-H-Bindungen als Analogie zur f P ~ . Insertion von Singulett-Carbenen in C-H-Bindungen L Pt ~ CR2 erscheinen, p ~
- Die Exposition des Pt-Atoms im Fragment L2Pt erinnert an Spitzenatome an heterogenkatalytisch aktiven Metall- dlO-ML2 oberfl~lchen.
Wahrend obige Beispiele mehr von prinzipiellem Interesse sind, stSfk eine Beobach- tung von Hartwig (2000) die Tfir zu einer Vielzahl synthetischer Anwendungen auf:
~ , ~ . . / ~ / . H (n5-CsMe5)Rh(n4-C6 Me6)
150 '='C, - H 2 80%
,, ? ._% o/B--B\o oder
Hiermit ge]ang erstma]s die thermische, katalytische und regiospezifische ~nktiona- ]isierung eines Alkans. Die gebi]deten Organoborons~ureester (S. 90) lassen sich leicht in Alkohole, Amine, terminMe Alkene umwandeln. Ferner dienen sie als Par tner in Suzuki-Kupplungen (18.2.3).
Zu grunds~itzlichen Aspekten zurfickkehrend seien im folgenden mechanistische Ein- zelheiten beleuchtet. An der Sequenz
H z z ~ z+2/H M + CH 4 ~ M--/ ~ M\-H3-C
CH3
sind zwei Fragen zu diskutieren:
13.2 Einige Eigenschaften von 0M-(~-Organylen 281
�9 Ist dem oxidativen Additionsschritt (~) eine Metall-Alkan-a-Komplexbildung C) vorgelagert?
�9 Welche elektronischen Eigenschaften des Metalls und des Alkans fSrdern die oxi- dative Addition (~)?
Am Prototyp Methan demonstriert, kann ein Alkan prinzipiell auf folgende Arten mit einem tgbergangsmetall wechselwirken (Perutz, 1996):
.H
- M:]. M H H~-,,, C~ "~H H---~-C". ~'H
TI1-H TI2-H, H TI3-H, H, H ~12-C, H agostisch Die lineare M--'H-C-Koordination ist als 4e3c-Bindung, ahnlicher einer Wasserstoffbrticke, zu betrachten, die gewinkelten Einheiten M/H\c als 2e3c-Bindung, der B/H\B-Brficke in Bora- nen entsprechend. Der Typ B2-H,H ist schon seit langem bekannt, erstmMig realisiert wurde er in der Verbindung Cp2TiBH 4 (N&th, 1960). Anstelle eines Methanmolektils ist hier das isoelek- tronische Anion BH 4- an das Metall koordiniert. Aufgrund 1H-NMl~-spektroskopischer Mes- sungen an verwandten BH4--Komplexen unterliegen die koordinierten und freien H-Atome raschem intramolekularem Austausch.
Den vier Varianten der tJM-Methan-Komplexbildung ist der agostische Fall zuge- sellt, in dem die fragliche Wechselwirkung zus~itzlich zu einer bereits bestehenden Metall-Alkyl-~-Bindung vorliegt. Experimentalbefunde zu letzterem Fall wurden bereits vorgestellt (S. 278). Schwieriger gestaltet sich die Behandlung der intermole- kularen Metall-Alkan-Komplexbildung, denn eine Isolierung als Reinsubstanz nebst struktureller Charakterisierung steht bislang noch aus. Zahlreich sind allerdings spektroskopische und kinetische Daten, so daft heute vonder Existenz von Metall- Alkan-Komplexen ausgegangen werden muf, wenn auch der Koordinationsmodus nicht in jedem Fall geklart ist. Ihr Studium beschrankt sich auf die Matrixisolation bei tiefer Temperatur, Kurzzeitspektroskopie in fliissiger L6sung sowie auf die Gas- phase.
Grfindlich erforscht wurde die Bindung von Methan an das Komplexfragment Cr(CO)5 (Turner, 1977):
Sowohl in fester Matrix (CH4) als auch in fltissiger LSsung (C6H12) gibt sich das Photolyseprodukt (CO)5Cr(Alkan) durch ein charakteristisches UV/vis-Spektrum zu erkennen. Mittels photoakustischer Kalorimetrie (S. 28) wurde fiir die Bindungs- energie Cr-Alkan ein Wert von ~ 60 kJ mo1-1 bestimmt; Strukturinformation liefl sich allerdings nicht gewinnen. Strukturhinweise bietet hingegen das 1H-NMR- Spektrum des tJM-Alkan-Komplexes (C5H5)Re(CO)2(Cyclopentan), der in photo- chemischer Reaktion entsteht (Ball, 1998):
282 13 G-Donor-Liganden
-80
Re �9 e'" (CO)3 - CO (CO)2 H /
q2-C,H H
TI2-H,H q2-C,H
Die beiden an der Re(C5H10)-Bindung beteiligten Protonen erscheinen auf der 1H- NMR-ZeitskMa aquivalent; ob die T12-H,H-Form den Grundzustand oder aber den Ubergangszustand eines dynamischen Prozesses darstellt, konnte noch nicht ent- schieden werden.
Wahrend die Isolierung eines UM-Alkan-Komplexes in Substanz noch aussteht, gelang diese ffir Sill4, das schwerere Homologe des Methans (Kubas, 1995):
Mo(CO)(Et2PC2H4PEt2) 2 Sill4
~ P E t 2 Et2P ...... I 0,,, ,'CO
L,~,/I~Et2 Sil"13
'~PEt2 Et2P .... I .... ,CO
Et2P" ~ " I Sill3 L,,,,,,v/P Et2
d(Si--H) q2 177 pm [rei 142 pm
Besonders interessant ist das mittels 31p-NMR studierte Tautomeriegleichgewicht zwischen dem ~2-SiH4-~-Komplex und dem Hydrido-Silyl-Komplex der Koordina- tionszahl 7. Hier liegt in LSsung offenbar die ffir eine oxidative Addition von Alka- nen an Ubergangsmetalle postulierte Zwischenstufe neben dem Endprodukt vor! Dab in der Frage der Isolierbarkeit von ~-Komplexen Silane, verglichen mit Alkanen, eine Vorreiterrolle spielten, ist kein Zufall, sondern in den Metall-Ligand-Bindungs- verhaltnissen begrfindet, die es nun zu betrachten gilt. Die ~-Komplexe
H H H
..... I ..... J ...... f CH3 H Sill3
sind eng verwandt, die Wechselwirkung weist aber eine Abstufung auf, die sich auf der Basis der Grenzorbitalenergien verstehen last. In allen drei Fallen steht einer Ligand(a)-+Metall-Donor-Wechselwirkung eine Ligand(~*)~---Metall-Akzeptorwech- selwirkung gegenfiber, beides Bindungen vom 2e3c-Typ:
/ , " ~ ~* intra-Ugand-antibindend
~ d ~ o ' * intra-Ligand-antibindend
13.2 Einige Eigenschaften yon OM-~-Organylen 283
Es handelt sich also um eine Spielart des a-Donor/~-Akzeptor-Synergismus mit der Besonderheit, dab das for die ,,a-Hinbindung" M(d)~---HX(a)-verantwortliche Elek- tronenpaar das einzige Intraligand-Bindungselektronenpaar darstellt. Berficksichtigt man ferner, dai3 die ,,~-Rfickbindung" M(d)--*HX(a*) die Intraligandbindung schw~icht, so ist einsichtig, warum die relativen Beitr~ge der beiden Wechselwirkun- gen eine breite Palette der Koordinationsformen von lockerer Assoziation unter weitgehendem ErhMt der Identitat von HX bis zur Koordination unter HX-Bin- dungsspaltung auffachern:
z z ? O A z+2 / H LnM + HX ~ LnM . . . . . / Ln tv~
X ~ X
- Komplex
Das Problem der Darstellung stabiler tJM-Alkan-~-Komplexe ist also in deren Nischendasein zwischen schwacher VDW-Wechselwirkung und Folgereaktion unter oxidativer Addition begrfindet.
Gfinstiger liegen die Verhaltnisse bei H 2 und Silanen als a-Komplexliganden, wie die betr~ichtliche Zahl isolierter Verbindungen anzeigt. It 2 verffigt, verglichen mit CH4, fiber ein energetisch h6her liegendes, ,,basischeres", G-Orbital, was zu starkerer M-H2-Bindung beitr~tgt. M-H2-bindungsverst~kend wirkt auch die ~-Akzeptor- wirkung des H2(a*)-Orbitals , da der H2-Ligand sterisch ungehindert ist, was die OrbitMfiberlappung fSrdert. Wahrend der LnM~-q-~ die intra-H2-Bin- dung zwar schwachen, sie aber nicht ganzlich spalten kann, ist letzteres fOr den LnM-~H2(a*)-Beitrag der Fall, und bei entsprechender ~-Basizitat des Fragments LnM wird tatsachlich oxidative Addition von HX zu LnM(H)X beobachtet. Eine der- artige oxidative Addition gestaltet sich for Ctt 4 als Ligand ungfinstiger, denn der Methylrest im Liganden H3C-H hemmt die sterische Ann~iherung und damit die Orbitalfiberlappung mit LnM. Somit ist tJM-Alkan-Wechselwirkung vor allem eine Domane von C-H-Einheiten, die Teil eines bereits koordinierten Liganden sind, ihre Entfaltung wird durch den Chelateffekt ermSglicht (sog. agostische Wechselwirkung, S. 277).
Silane als a-Komplexliganden bedorfen dieser Stfitze offenbar nicht: Zahlreichen Komplexen von Organosilanen RnSiH4_ n mit seitlich gebundener ~12-Si,H-Einheit (Schubert, 1990) hat sich korzlich der bereits erw~thnte Prototyp LnM-(~2-SiH4) hin- zugesellt (Kubas, 1995). Diese Befunde lassen sich mittels der G-Basizitatsabstufung H3C-H < H-H < H3Si-H deuten. Hinzu tritt, daft in umgekehrter Richtung die X-H-a-Bindungsenergie abnimmt, so daft Sill 4 die kleinste a, a*-Grenzorbitallficke und damit die ffir ~-Rfickbindungseffekte am besten verffigbaren unbesetzten a*- Orbitale aufweist. In diesem Zusammenhang ist ein Vergleich der koordinationsbe- dingten H-X-Bindungsdehnungen erhellend: Bezogen auf das freie Molekfil betragt die Zunahme for ~2-C,H < 10% (Agostik), fOr ~12-H, H ~ 11%, ffir TI2-Si,H jedoch 20% (vergl. Crabtree, 1993, Lledds, 2004).
Die Existenzhinweise auf UM-Alkan-a-Komplexe belegen noch nicht, daft letztere tats~ichlich Zwischenstufen der C-H-Aktivierung sind. Hierfiir sprechen jedoch kine-
284 13 s-Donor-Liganden
tische Studien unter Einsatz isotopenmarkierter Substrate (Bergman, 1986). So erfolgt der H/D-Austausch (~), ( ~ (~)am koordinierten Cyelohexylrest raseher als die reduktive Eliminierung C), (~), (~), und der Austausch bleibt auf die c~-Position des Alkans beschrankt. Dies laBt sich durch das Auftreten einer ~-Komplex-Zwischen- stufe deuten: D
18 VE H M .... schnell langsam
a - Komplex ~ M + D ~
M = Cp*lr(PMe3) 16 VE H
Die streng intramolekulare Natur der reduktiven Eliminierung folgt aus gemischten Ansatzen der Art
A Cp*Ir(PMe3)(C6Hll)H + Cp*Ir(PMe3)(C6Dll)D solv ~
C6H12 + C6D12 + Cp*Ir(PMe3)solv
in denen Kreuzprodukte C6HllD und C6DllH nicht nachweisbar sind.
Ein starkes Argument ffir das Durchlaufen einer a-Komplex-Zwischenstufe ist auch der inverse Isotopeneffekt kH/k D = 0.7 in obiger Reaktion. Dieser lat3t sich durch das vorgelagerte Gleichgewicht unter Bildung eines a-Alkankomplexes deuten, wel- cher das Wasserstoffatom in der verglichen mit M-H starkeren C-H-Bindung tragt. ~hnliche Experimente an CP2W(CH3)H und dessen Isotopomeren deuteten eben- falls auf die Gegenwart eines Metall-a-Komplexes im Verlauf der reduktiven Elimi- nierung hin (Norton, 1989).
Somit ist, dem Prinzip der mikroskopischen Reversibilitat folgend, auch ffir die oxida- tive Addition von Alkanen an 0bergangsmetalle - und damit die C-H-Aktivierung - eine Prakoordination des Alkans unter Bildung eines o-Komplexes anzunehmen.
Reduktive Oxidative 'Eliminierun "~ cr-Komplex ~ , ~ e ,
- - TI-H ~ ~ q-H 2 etc. X ' ,~ .~__C H4
Umlagerung
Reaktionskoordinate ~
13.2 Einige Eigenschaften von OM-~-Organylen 285
Oxidative Addition setzt die Verffigbarkeit fiber die Oxidationsstufen M z und M(z+2) voraus und ist somit auf-mittlere und spate TJbergangsmetalle beschrankt; g~inzlich unbegehbar wird ein derartiger Pfad der C-H-Aktivierung ffir d~ - metalle. Dennoch sind die Metallocenderivate Cp*2M-R der d~ Sc III, yIII, Ln III zur Methanaktivierung bef~ihigt wie folgender Isotopenaustausch zeigt (Wat-
13CH4
son, 1983):
CP2Lu-- CH 3
13CH3
.I - Cp~Lu'" H
\CH 3
a - Komplex
opku:" "H
J t
Cp;Lu--13CH3 + CH4
Der fiber einen Vierzentren-Obergangszustand verlaufende konzertierte Prozet3 be- l~it]t das Zentralmetall in der Oxidationsstufe MIII, er wurde als ,r these" bezeichnet (Bercaw, 1987). Man beachte, dab diese mechanistische Variante ffir mittlere und spate ?Jbergangsmetalle nicht a priori ausgeschlossen werden kann, vielmehr bedarf es bei der mechanistischen Zuordnung einer Prfifung auf das inter- medi~ire Auftreten der Oxidationszahl M(n+2) (Bergman, 1999).
13.2.3 Wechselwirkung von C-C-~-Bindungen mit Obergangsmetallen
Die Uberffihrung langkettiger aliphatischer Kohlenwasserstoffe natfirlichen Vorkom- mens in kleine, ffir Synthesezwecke geeignete Einheiten bedient sich bislang relativ drastischer, unselektiver Methoden wie etwa der Hochtemperatur-Hydrokrackpro- zesse in Gegenwart heterogener Katalysatoren. Homogenkatalytische, selektive Ver- fahren unter milden Bedingungen erfordern eine Beherrschung der C-C-Aktivie- rung. Verglichen mit der H-H- und der C-H-Aktivierung gilt die C-C-Aktivierung aus kinetischer und aus thermodynamischer Sicht als schwieriger, obleich H-H- Bindungen in H 2 und C-H-Bindungen in ges~ittigten Kohlenwasserstoffen um etwa 40 kJ/mol starker sind als C-C-Einfachbindungen (Blomberg, 1992). Kinetisch un- gfinstig wirkt sich, ganz abgesehen vom statistischen Faktor der grSt]eren H~iufigkeit von C-H-Bindungen in der Molekfilperipherie, die sterische Unzug~inglichkeit des C-C-Bindungsbereiches und die, verglichen mit C-H und ganz besonders H-H, star- ker zentrierte Natur der C(sp3)-C(sp3)-Bindung aus. Die Prakoordination einer ali- phatischen C-C-Bindung an ein Ubergangsmetall ist somit erschwert. Eine thermo- dynamische Pauschalaussage soll hier nicht getroffen werden, da die Dissoziations- energien ffir C-H- und C-C-Bindungen, abh~ingig von Hybridisierungsgrad und Resonanzstabilisierung, sich zwar ~ihneln, jedoch eine gewisse Bandbreite fiberstrei- chen. Dies gilt auch ffir einen Vergleich von I)M-H- mit ~lM-C-Bindungen. Lange Zeit war daher die (TM-Insertion in C-C-Bindungen auf Situationen beschr~inkt, in denen die C-C-Bindungsspaltung den Aufbau eines aromatischen ~-Elektronen- systems bewirkt, vom Abbau sterischer Spannung begleitet ist oder in denen zumin-
286 13 c-Donor-Liganden
dest eine entsprechende Nachbargruppe fSrderlich ist. So zeigte Eilbracht (1980), daf~ sich ein Fe(CO)2-Fragment intramolekular in die C(sp3)-C(sp3)-Bindung eines Spirocyclopentadienliganden einschieben kann, wobei ein aromatisches Cyclopen- tadienylsystem entsteht:
Fe2(CO)9 C6H6 0oc %
p ~
- C O
Fe (CO) 2 (co)3
Die umfangreichste Klasse ist die der tTbergangsmetall-katalysierten Valenzisomeri- sierungen und der R i n g e r w e i t e r u n g e n von a-Bindungsgerfisten. Hierbei handelt es sich um Skelettumlagerungen unter Abbau von Ringspannung (Bishop, 1976). Zahlreich sind die Beispiele UM-induzierter Umwandlungen des Cyclobutanrings. Der Insertion eines UM-Fragmentes in eine C-C-Bindung des gespannten Rings kann eine CO-Einschiebung folgen, wie im Falle des Cubans (Eaton, 1970):
~ [RhI(CO)2CI]'~2 ~ R Ph3P - [Ph3PRhI(CO)CI]2
hm(CO)CI O
oder es kSnnen sich Eliminierungen anschlief~en, die zu unges~ittigten Produkten ffihren:
Auch in den zentralen Vierring des Biphenylens werden diverse Obergangsmetall- fragmente eingeschoben, neben dem Abbau von Spannung wirkt auch die Auf- hebung antiaromatischer Cyclobutadienkonjugation gfinstig. Die beiden platinacyc- lischen Zwischenstufen dieser homogenkatalytischen C-C-Aktivierung konnten iso- liert werden (Jones, 1998):
13.2 Einige Eigenschaften von OM-~-Organylen 287
c,:i,:;:o c
t3 : PEt3 ~ - ~ ~
H/iufig beobachtet wird die UM-induzierte CyclopropanringSffnung, diese Reaktion ffihrt zu Metallacyclobutanen, die auch bei vielen katalytischen Prozessen als Zwi- schenstufen auftreten (Jennings, 1994). Ein klassisches Beispiel ist die von Tipper (1955) entdeckte Reaktion von Cyclopropan mit ptII-Verbindungen (McQuillin, 1972): Cl
Den Mechanismus dieser Ring6ffnung betreffend ist eine Betrachtung der Verwandt- schaft der ,,gebogenen Bindungen" im Cyclopropangerfist mit der Doppelbindung (g + ~) in Alkenen aufschlut]reich.
Cyclopropan-Komplex Olefin-Komplex
M M M
unbesetzt L L L L Der kleine Bindungswinkel im Dreiring bewirkt, dab die o-Bindungsorbitale einen gegen- tiber sp3-Hybridisierung erh6hten p-Anteil und einen aut3erhalb der C-C-Aehse liegen- den Oberlappungsbereich besitzen (sog. Walsh-Orbitale).
288 13 ~-Donor-Liganden
Im Olefin-Komplex kann der a-Donor/~-Akzeptor-Synergismus die C ~ C - B i n - dungsordnung auf 0 reduzieren, die C--~%C-Bindung bleibt dabei aber erhaltefl. Im
M~--L-Wechsel- Cyclopropan-Komplex hingegen wird die C--~-C-Bindung durch die M--*L-Wechselwlrkung (bei vollstandiger Elek- wirkung geschwacht und durch die ~
tronenfibertragung) gespalten. Daher ist, gepragt durch die relative Starke der Bei- trage M~-~L und ME-+ L, von einem Kontinuum von Bindungsformen auszugehen, welches von lockerer Assoziation (,~2-Cyclopropan-Komplex") bis zu oxidativer Addition (,,Metallacyclobutan") reicht. Eine Strukturbestimmung an obigem Bei- spiel (S. 445) - insbesondere die transannulare Distanz C(1)-C(3) - weist auf Pla- tinacyclobutancharakter hin. Die Freisetzung von Cyclopropan in der Reaktion mit dem guten ~-Akzeptorliganden CN- zeigt aber an, dab die C3H6-Einheit , auch an Pt koordiniert, ihre Herkunft nicht vergessen hat.
Als Mils te ins Meilenstein (1993) ist die Beobachtung zu werten, dab auch nichtge- spannte, nichtaktivierte C-C-Bindungen Metallinsertion erfahren kSnnen, wenn der Prozefl intramolekular geffihrt wird und durch entsprechenden Entwurf der Molekfilgeometrie die zu spaltende C-C-Bindung in raumliche Nachbarschaft zum Ubergangsmetallzentrum gelangt.
Im Falle einer CAryl-CMethyl-Bindung gelingt d!es dutch Einffihrung zweier Phos- phinomethylensubstituenten am Aren, die das UM-Fragment pinzettenartig in die Nahe der C-C-Bindung bringen (Mils te in , 1999):
Me2
(Et3P)aRhC I ,,,CI , ~ ~ 150~ ~ '\ /)~RS--PEt 3
-Et3P ~ Me 1 e 2 ~ ~ p
Me2
Me2 Me2
Rh HCI \PEt3 -30 ~C t3
Me2 Me2
Dieses System ist vorzfiglich dazu geeignet, auf Experimentalbefunden fufiend kine- tische und thermodynamische Aspekte der C-C-Aktivierung zu diskutieren, was hier allerdings nur verkfirzt geschehen kann.
13.2 Einige Eigenschaften von 0M-~-Organylen 289
Ein wichtiger Aspekt ist die Konkurrenz zwischen C-C-Aktivierung und C-H-Ak- tivierung, deren Lage durch die Bindungsdissoziationsenergien D(C6Hs-CH3) = 427 und D(C6H5CH2-H ) = 368 kJ /mol gepr~igt wird. Quantenchemische Rechnungen legen nahe, daft die Aktivierungsenergien fiir C-C-Insertionen wesentlich h6her an- zusetzen sind als f'tir C-H-Insertionen, wobei die Werte ftir 4d-Metalle die ftir 3d- Metalle unterschreiten (Blomberg, 1992)�9 Andererseits ist zu berficksichtigten, daft M-CAryl-Bindungen fiir die Metalle Rh und Ir besonders stark, ja sogar starker als M-H-Bindungen sind (Martinho SimSes, 1990)�9
Tatsachlich wird im Milstein-System je nach Reaktionsffihrung entweder C-H- oder C-C-Insertion beobachtet. Unter milden Bedingungen dominiert - kinetisch kon- trolliert - die C-H-Insertion, der sich eine Benzoleliminierung anschliefit C ) . Sch~rfere Bedingungen liefern - thermodynamisch kontrolliert - direkt das Produkt der C-C-Insertion, (~). Daf~ in diesem System die C-C-Insertion gegentiber der C-H- Insertion thermodynamisch begfinstigt ist, wird sehr sch6n durch die Umlagerung (~) angezeigt, die ihre Triebkraft aus der Bildung der starken Rh-Aryl-Bindung be- zieht. Diese Beobachtungen sind von grundlegender Bedeutung ftir die Zukunftsauf- gabe einer C-C-Aktivierung mit dem Ziel der Gewinnung kleiner Synthesebausteine aus langkettigen, gesattigten Kohlenwasserstoffen.
13.2.4 0 M-o--Perfluororganyle
UM-Organyle RF-M mit perfluorierten Liganden sind oft, verglichen mit den ent- sprechenden Verbindungen RH-M, thermisch robuster. Beispiel:
CF3Co(CO)4 CH3Co(CO) 4 kann bei + 91 ~ unzersetzt zersetzt sich bei -30 ~ destilliert werden
Aufgrund der hohen Gitterenergie der beim Zerfall entstehenden Metallfluoride sind RF-M-Verbindungen thermodynamisch instabiler als die Analoga RH-M. Somit ist die hShere thermische Belastbarkeit der RF-M-Verbindungen wohl auf die hShere Bindungsenergie zwischen Metallen und Perfiuoralkyl-C-Atomen zurtickzufiihren. Die Abstufung der Bindungsdissoziationsenergien, D(M-RF) > D(M-RH) , laf~t sich wie folgt erklaren:
8 ~ 8 + die relativ hohe Partialladung M 5+ erzeugt kontrahierte Metallorbitale, RF--M die bessere Uberlappung mit C-Orbitalen erm6glichen,
n energetisch niedrig liegende ~*-MO in perfluorierten Aromaten begtinsti- �9 . . ~ . . .
ArF--M gen eine Stablhsmrung durch Ar*--M-Ruckbmdung.
Die hohe Bindungsenergie der M-RF-Bindung mag auch daffir verantwortlich sein, daft Insertionen von CO-Molekiilen in M-CF-Bindungen deutlich erschwert sind:
A R--M(CO)n ~ RCO--M(CO)n_ 1 erfolgt bereitwillig
h nur ausnahmsweise und RF--M(CO)n ~ RFCO--M(CO)n-1 bei hSheren Temperaturen
290 13 ~-Donor-Liganden
Zur Darstellung von OM-Perfldoralkylen und 0M-Perfluorarylen eignen sich Kupp- lungsreaktionen, oxidative Additionen und-Insertionen, wobei aber, verglichen mit den entsprechenden Kohlenwasserstoff-Metallkomplexen, einige Besonderheiten zu beachten sind. So sind als Kupplungspartner fiir Carbonylmetallate Perfluoroacyl- halogenide einzusetzen (King, 1964):
A RFCOCI + Na[Mn(CO)5 ] ~ RFCOMn(CO)5 ~ RFMn(CO)5
CO
da die Chlor-perfluoralkane RFC1 aufgrund geringer Polarit~it R~+-C16- mit Car- bonylmetallaten nicht reagieren.
Iod-perfluoralkane RFI zeigen die umgekehrte Polarisierung RSF--I 5+, nucleophiler Angriff durch Carbonylmetallate erzeugt somit Metall-Iod-Bindungen:
2F3CI + Na[Mn(CO)5] ~ Mn(CO)5I + NaI + O2F 6
Auf Perfluorarene und -cycloolefine wirken die stark nucleophilen Carbonylmetalla- te hingegen unter Verdr~ingung von F- ein (Stone, 1968):
[CpFe(CO)2 ] + CsF 8 ~-- CpFe(CO)2--CsF 5 + F
[Mn(CO)5 ] + ~ F + F
F F F Mn(CO) 5
In einer photochemischen Variante wird anstelle des Carbonylmetallats die Verbindung Me3SnMn(CO)5 eingesetzt. Die Reaktion profitiert dann vonder hohen Energie der Sn-F-Bin- dung im Produkt Me3SnF (Clark, 1970).
Mit neutralen Metallcarbonylen reagiert RFI wie eine Pseudointerhalogenverbin- dung oxidativ addierend:
Auch Insertionen in Metall-Metall-Bindungen werden beobachtet:
002(00)8 + F20zOF 2 (00)400--0 F2-OF2-O0(OO)4
Nachdem Ubergangsmetallzentren zur Aktivierung von C-C- und C-H-Bindungen bef~ihigt sind, ist auch die Frage nach der MSglichkeit einer metallinduzierten C-F- Aktiviertmg zu stellen (Richmond, 1994). Die verglichen mit der C-C- (350 kJ/mol) bzw. C-H- (410 kJ/mol) hShere Energie der C-F-Bindung (450-500 kJ/mol) stellt
13.2 Einige Eigenschaftenvon OM-~-Organylen 291
hier besondere Anforderungeff. Dabei besitzt die C-F-Aktivierung erhebliche prakti- sche Bedeutung: Einerseits interessiert die Umwandlung von Perfluoralkanen in komplexere fluororganische Molekiile mit ungewShnlichen Eigenschaften, anderer- seits gilt es, umweltbelastende Fluoralkane und Fluorchlorkohlenwasserstoffe zu harmlosen Stoffen abzubauen.
Die mechanistischen Vorstellungen zur UM-induzierten C-H- und C-C-Aktivierung lassen sich nicht ohne weiteres auf die C-F-Bindung iibertragen. Aufgrund der ho- hen Elektronenaffinit~tt der Fluorsubstituenten wird bei letzterer h~tufig Elektro- nentransfer als einleitender Schritt diskutiert (Crabtree, 1997):
RFCF 3 -I- e- ~ {RFCF3- } ~ RFCF 2" + F -
Nach diesem Muster diirfte die - kommerziell ausgefiihrte - Aromatisierung von Perfluorcycloalkanen verlaufen:
F 3 .CF3
F2 F2 500 ~ ~ F
F 2 F2 -FeF2 F F 2 F
W~thrend in derartigen Hochtemperaturprozessen das Metall Ms stSchiometrisches Reduktionsmittel wirkt, erfordern subtilere Wege - mit Aussicht auf katalytische Reaktionsfiihrung - eine genauere Betrachtung der UM-F-C-Wechselwirkung; so- wohl elektronenarme als auch elektronenreiche Metallzentren sind prinzipiell geeig- net. Elektronenarme Organometallfragmente kSnnen mit Halogeniden Komplexe mit C-X-M-Koordinat ion bilden, deren Zahl ftir X = F jedoch gering ist. Eine derartige end-on-Koordination schw~tcht zwar - im Gegensatz zur side-on-Koordi- nation - die C-X-Bindung nicht direkt, kann aber dutch deren Polarisierung nucleo- philen Angriff am C-Atom erleichtern. Im Einklang mit der harten Natur des Fluoridions sind ffir C-F-M-Briicken Erdalkali- und Seltenerdkationen besonders geeignet.
co sc,+ . I .
L H" J
Eine Zwischenstufe dieser c~-Bindungsmetathese war allerdings nicht nachweisbar. Zahlreicher sind die Beispiele fttr C-F-Aktivierung, bewirkt durch elektronenreiche Organo-~IM-Fragmente mit d n (n > 6)-Konfiguration. Die eingangs erw~thnten oxi- dativen Additionen von Fluororganylen an Metallzentren sowie die nucleophile Substitution von Fluorid an C(sp2)-Zentren, bewirkt durch Carbonylmetallate, ge- hSren in diese Klasse.
SchlieBlich ist auch von C-F-Aktivierung zu sprechen, wenn ein fluororganischer Rest, an ein Ubergangsmetall gebunden, gesteigerte Reaktivit~tt aufweist. Dies ist beispielsweise fiir c~-st~tndige C-F-Bindungen in s der Fall, wie fol- gende Synthese eines Difluorcarbenkomplexes zeigt (Roddick, 1991):
Ftir diese Katalyse wurde folgender Mechanismus vorgeschlagen:
L4RhH I I
+
L3RhH ~ , ,
C6F5H ~ ~ Base + HF
" ~ L3RhC6F5
W~khrend far die Sehritte (~) und @ zahlreiehe Vorbilder existieren (vergl. Kap. 18), ist der entseheidende Sehritt @ t m Detail noeh ungekl~rt. Als Altemativen bieten sieh Elektronentransfer unter Bildung des Radikalanions C6F 6- mit ansehlieBen- der Abspaltung von P- oder oxidative Addition von C6F 6 an das Rh-Zentrum mit naehfolgender HF-Eltmtniemng an. Oxidative Additionen von Perfluorarenen an elektronenreiehe 12Jbergangsmetalle keimt man seit den Arbeiten von Fahey (1977).
0bergangsmetallkatalysierte C-F-Aktivierungen sowie - allgemeiner - C-Halogen- Aktivierungen werden auch als mSgliche Reaktionswege der in vivo-Enthalogenie- rung diskutiert. Dies fiihrt zu der Prage, ob Metall-Kohlenstoff-Bindungen in der Natur fiberhaupt vorkommen und welche Rolle sie gegebenenfalls spielen. Dem wol- len wir uns im folgenden Abschnitt zuwenden.
13.30bergangsmetallorganyle in vivo
Die Bioanorganische Chemie hat in den letzten Jahrzehnten eine breite Palette von Metallen der s-, p- und d-B16cke als wesentlich erkannt und dabei bereits ein Sta- dium erreicht, welches die Abfassung eigenstandiger Lehrbticher rechtfertigte. Die Bioorganometallchemie hingegen bleibt bislang auf die Elemente Co, Fe und Ni beschr~inkt, wobei letztere beziiglich ihrer Bioorganometallaspekte derzeit noch kontrovers diskutiert werden. Ironischerweise kSnnten gerade die Neuzug~inge Fe
13.3 IJbergangsmetallorganyle in vivo 293
und Ni diejenigen t3bergangsmetalle sein, an deren Sulfiden die ersten C-C- Verkniipfungen der Erdgeschichte abliefen:
FeS-NiS
CH3SH + CO + H20 ~ CH3COOH + H2S
(,,Chemoautotropher Ursprung des Lebens", Wiichtershauser, 1997)
Es fallt auf, dab Vertreter der gro~en metallorganischen Verbindungsklassen wie der Olefin-, Cyclopentadienyl- und Aren-Metall-Komplexe in vivo bislang fehlen; ausge- rechnet die relativ schwache und besonders reaktive M--%C-Bindung ist dagegen auf- gefunden worden. Dies ist natiirlich an die entsprechende Funktion in biologischen Prozessen gebunden. Ich skizziere hier den derzeitigen Erkenntnisstand zum Auftre- ten von 0M--q-C-Bindungen in vivo und komme auf die Frage nach dem Vorkommen von tJM,C-Mehrfachbindungen an entsprechender Stelle (S. 308) zurfick.
Eine Co---ff-a C-Bindung findet sich im reaktiven Zentrum der Cobalamine, ihr struk- turchemischer Nachweis mittels Rbntgenbeugung am Einkristall von Vitamin B12- Coenzym gelang D. Crowfoot-Hodgkin bereits 1961.
Cobalnm{ne bestehen aus dem Zentralatom Cobalt, einem substituierten Corrin als ~quatorialem Ligandensystem, den axialen Liganden X und 5,6-Dimethylbenzimi- dazol sowie einem Ribofuranosylphosphat als verbriickender Gruppe. Die verschie- denen Cobalamine unterscheiden sich in der Art des Restes X:
X CN
XCobalamine Methylcobalamin Cyanocobalamin 5'-Desoxyadeno- (Vitamin B ~ 2 ) sylcobalamin
(B12-Coenzym) ,
X
H 2 N O C ~ ~ c ( H CONH2 H CONH2
.~ , ,o~--~ ~.,"; ~ .:~o.~.1 ~ - - 3 N " i N CONH2
o//\o L - o . AdoCH2-- %
294 13 s -Donor -L iganden
Vitamin Bl2-Coenzym ,von derh der menschliche K6rper etwa 3 mg/Person enthSlt, ist in neutralem, wat3rigem Medium stabil und resistent gegen Luftoxidation. Methylcobalamin (isolierbar aus Mikroorganismen) liefert erst ab 180 ~ Methan und Ethan als Produkte einer homolytischen Spaltung der Bindung Co-C. Derartige Homolysen kSnnen auch photochemisch eingeleitet werden. In den Isomerase- Reaktionen katalysiert B12-Coenzym 1,2-Verschiebungen von funktionellen Grup- pen X. Nach der Natur von X unterscheidet man zwischen C-Skelett-Mutasen, Eliminasen und Aminomutasen.
Ado~H2 H H X :~ I ICol I I
- - C - - C ~ ~ C - - C ~
I I I I Das Bestreben, diese und andere Reaktionsfolgen mechanistisch aufzukl~iren, hat zur Entwicklung einer umfangreichen Organometallchemie der Cobalamine sowie ihrer Modelle, der Cobaloxime, geffihrt (Schrauzer, Dolphin, 1976; Golding, 1990).
Viele Eigenschaften der natfirlichen Cobalamine werden durch die Cobaloxime - aus CoII-SMz, Dimethylglyoxim, Base und Alkylierungsmittel leicht zugangliche Verbindungen - gut simuliert (Schrauzer, 1964).
' c-.. /o" I ..... ," \ m:3 C --" N - - - - ~C O'" N " - C-~CH
\ ~ l / 3
H3C/C ~-N '~o. . ! .H " ' 'O
�9
In der synthetischen Modellsubstanz Bis(dimethylglyoximato ) (methyl) (pyridin) cobalt, Methylcobaloxlm, stimmen die Bin- dungsl~ingen d(Co-Neq ) und d(Co-C) mit denen im B]2-Coenzym genau (iberein. Auch die Ligandenfeldstarke ist sehr ahn- lich.
Cobalamine sind chemisch aut3erst vielseitig.
Eine Beschreibung der weitgehend kovalenten Bindung Co-C mittels mesomerer Grenzformeln
o 1 ~ " 1 = " I
a b c
l~it3t, je nach Reaktionsbedingungen und Art des angreifenden Agens, drei Wege der Co-C-Bindungsspaltung m5glich erscheinen, ffir die auch Beispiele gefunden wur-
13.3 Ubergangsmetallorganyle in vivo 295
den. Typ a steht Pate ffir den entscheidenden Schritt der durch Isomerasen kataly- sierten Umlagerungen, Typ b ffir die Wirkung der Methionin-Synthase (Homo- cystein --* Methionin) u n d c ffir die Biomethylierung (vergl. S. 81).
Ubertragung hv oder AT von
i~lCoU ] + .CH 3 Solvens C"4, CH3
Homolyse L__]" C2H6
RS- ~CH3
Nucleophiler Angriff
" [Coil - + RSCH 3 CH~"
H 2+ OH 2 g aq olll ] +
Elektrophiler Angriff
, c.3.g+
Der ffir UM-Organyle typische Abbau durch B-Eliminierung (S. 273) ist hingegen ffir Alkylcobalamine blockiert, da der /iquatorial chelatisierende Corrinligand die Bereitstellung einer zur Alkylgruppe cis-st/indigen, freien Koordinationsstelle ver- hindert.
Wechsel der Oxidationsstufe des Co-Atoms in Cobalaminen lassen sich in vitro sowohl elektrochemisch als auch durch chemische Reduktionsmittel erzielen:
E ~ - 0.2V - 0.8V OH2
;[~o111, + e - _ ~ + e - ~ ]0 o"J - ~ C o '
- e - e l
B12 b B12 r B12 s purpur braun grOn
Co d 6 d 7 d 8
KZ 6 5 4
RX R
- + X -
H* �9 o III] " o II] + 1/2H 2
Die Standardreduktionspotentiale E 0 ffir die beiden Einelektronenprozesse sind nur als Richtwerte zu betrachten, da sie nicht die Kriterien der Reversibilit/it erffillen und stark vom Medium abh/ingen (Saveant, 1983).
Vitamin B12 s wird durch 0 2 oxidiert, ist aber unter anaeroben Bedingungen im phy- siologischen pH-Bereich metastabil und stellt ein aut3erordentlich starkes Nucleophil dar. Durch oxidative Addition von Alkylierungsmitteln an B12 s kSnnen verschiede- ne Derivate des Cobalamins erhalten werden, Methylgruppenspender in vivo ist das N5-Methyltetrahydrofolat. Hydridocobalamin ist in w/issriger LSsung unbest/indig.
296 13 o-Donor-Liganden
Der superreduzierten Form B12 s wird in Enzymreaktionen, die durch B12-Coenzym katalysiert-werden, eine wichtige Rolle zugeschrieben.
Neuere Vorstellungen (Halpern, 1985) betonen den Radikalcharakter Coenzym-B12-katalysier- ter Umlagerungen. Demgemafl kann die Co-CH2Ado-Bindung aufgrund ihrer bereitwilligen homolytischen Spaltung als Radikalquelle wirken. Co-C-Homolysen dfirften auch durch steri- sche Effekte begiinstigt werden, wie etwa der Abstofiung zwischen dem 5'-Desoxyadenosylrest und dem Corrinring und seinen Substituenten oder der trans-Koordination einer sperrigen Base aus dem Proteingerast, denn die Co-C-Bindung (205 pm) in B12-Coenzym ist vergleichsweise lang.
AdoCH2[C o HIj Ado-CH 2 = 5"- Desoxyadenosyl
( Ico"l H X X H I I I c c
AdoCH 3 x .
- - r162 I - - r ~ C-CL'''CH3 HO *(i~ "H ""-. I I I I
Isomerase-Reaktion ~
Der Homolyse (~ schlieflt sich eine H'-Abstraktion (~)vom Substrat an, gefolgt vonder 1,2-Ver- schiebung(~)und der Rfickbildung des 5'-Desoxyadenosylradikals Ado-CH2, (~). Die in obigem Cyclus gezeigten Radikale sind allerdings nicht als ,,frei" zu betrachten, vielmehr bleiben sie, wie oben fiir ein Diol gezeigt, durch hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrficken- bindungen an das aktive Zentrum des Enzyms fixiert (Finke, 1984). Man kann hier von einer ,,negativen Katalyse" sprechen (Retey, 1990), denn durch die Bindung an das Enzym werden ffir freie Radikale in L6sung typische Stabilisierungsreaktionen erschwert. Fiir die Bildung von Radikalpaaren RCH 2 [Co qI] sprechen EPR-spektroskopische Befunde (Golding, 1996). Eine der- artige lockere Bindung zwischen Coenzym und Substrat dfirfte auch fflr die Chemo- und Regioselektivitat der H'-Abstraktion sowie ffir die Stereospezifizit~t des H,X-Austausches ver- antwortlich sein. Mechanistische Einzelzeiten bediirfen allerdings noch der Klarung: So k6nn- ten die Schritte C) und (~) auch als konzertierter Prozet3 ablaufen.
Trotz mangelnder Detailkenntnisse (und des hohen Preises!) ist Vitamin B12 als Katalysator in der organischen Synthese eingesetzt worden (Scheffold, 1988). Or- ganocobalamine wirken hierbei als Reservoirs organischer Reste R, die, je nach den gewahlten Reaktionsbedingungen, als potentielle Elektrophile R § RadikMe R" oder Nucleophile R- verwertbar sind. Unter den typischen reduzierenden Bedingungen werden die Organocobalamine anschliet3end via oxidativer Addition von RX regene- riert.
13.3 Ubergangsmetal lorganyle in v ivo 297
Neben konstruktiven, synthetischen Aufgaben kSnnen Cobalamine auch Abbauwege wie etwa reduktive Enthalogenierungen katalysieren:
B12 R-C1 + 2e- + H + -~ R-H + C1-
Hierzu liegen sowohl abiotische als auch in vivo-Befunde vor. Es existieren sogar Mikroorganismen, die derartige Prozesse als Energiequellen nutzen (,,Dehalo- atmung"). Angesichts der Umweltbelastung durch Halogenkohlenwasserstoffe sind Verstandnis und Nutzung dieser Vorg/~nge von aktueller Bedeutung. Metallorgani- sche Aspekte der Wirkungsweise reduktiver Dehalogenasen seien daher kurz skiz- ziert (Wohlfahrt, 1999). Als Beispiel diene die abiotische, Cobalamin-katalysierte Enthalogenierung von Chlorkohlenwasserstoffen und Fluorchlorkohlenwasserstoffen (Freonen) in Gegenwart von Titan(III)citrat als Reduktionsmittel. Hierbei lauft neben C1/H-Austausch auch Reduktion zu CO ab (Hogenkamp, 1991):
Freon-11
I "CFCI3
CFCI2 [Co"] I ,,, ,,,
/ \ .[C~ ~ [Co ]* + CFCI~
/ LO,- ~CHFCI2 e - + H + / v \ ~ H2 0 CFCI
~ ~ ~ ' / H C I + H F ~
E - CO C2F2Cl 2
Enthalogenierung
Der Katalysecyclus deutet das Produktspektrum, ist aber experimentell nur teilweise unter- mauert~ fiir das intermediare Auftreten von [Co n] sprechen EPR-Befunde. Die Reduktions- aquivalente, die im abiotischen Fall von Ti(III)citrat stammen, kSnnten in der bakteriellen Enthalogenierung von Eisen-Schwefel-Clustern geliefert werden.
Die faszinierende Leistungsfahigkeit der Cobalamine, die auf ihrer Fahigkeit beruht, Co --g%C-Bindungen auszubilden und deren Reaktivitat durch Oxidationsstufenwech- sel des Zentralmetalls Co zu steuern, hat zu intensiver Suche nach weiteren in vivo- UM-C-Bindungen gefiihrt. Im Visier sind hier in erster Linie die Elemente Eisen und Nickel, wenngleich eindeutige strukturanalytische Beweise fiir die Beteiligung von Spezies mit Fe-C- oder Ni-C-Bindungen an enzymkatalytischen Cyclen derzeit noch fehlen. Vorerst existieren lediglich mechanistische Vorschlage, in denen Zwischen- stufen mit Fe-C- bzw. Ni-C-Bindung angenommen werden.
Spezies mit Fe ~ C-Bindtmgen sind gelegentlich als Zwischenstufen in enzymati- schen Prozessen vorgeschlagen worden, die durch Cytochrom P-450-Enzyme kataly- siert werden. Dieser Ansicht ist von Bruice (1992) widersprochen worden. Den Cyto-
298 13 ~-Donor-Liganden
chrom P-450-Enzymen gemeinsam ist ein Eisenprotoporphyrin IX, welches als fiinf- ten Liganden den Cysteinatrest eines Proteins tragt und die sechste Koordinations- stelle ffir die Bindung und Aktivierung von O 2 zur Verfiigung stellt.
Cytochrom P-450 iibertragt ein O-Atom des O2-Molekfils auf eine breite Palette yon Substraten mit dem Ergebnis der Hydroxylierung von Alkanen, Epoxidation von Alkenen, N-Oxidationen und zahlreichen weiteren Umwandlungen. Als reaktive Spe- zies wird ein Oxoferryl(FeIV=o)-Porphyrinkomplex angenommen, der aus dem FeIII-Protoporphyrin dutch zweifache Oxidation gebildet wird. Neben dem Zen- tralatom Fe IV dfirfte somit ein Porphyrin (oder Protein)-Radikalkation vorliegen.
O
/ O
Z ,.Fel v + N/..... - / "-.:/-
Eisenprotoporphyrin IX
H .._~.CmOH
Fiir den entscheidenden Schritt der O-Ubertragung wird einem stufenweisen, ra- dikalischen Mechanismus ( ~ , dem sog. Sauerstoff-Riickprall-Mechanismus (vergl. Groves, 1985), gegenfiber einem konzertierten Weg ( ~ der Vorzug gegeben (Ortiz de Montellano, 1995). Zu diesem Ergebnis kommt auch eine aktuelle Quantenche- mie/Molekfilmechanik(QC/MM)-Studie (Friesner, 2004). Unstimmigkeiten, die bei der stereochemischen Produktanalyse gemat3 C) auftreten, lassen sich ausraumen, wenn hingegen der ,,nichtsynchrone konzertierte" Oxeninsertionsmechanismus (~) angenommen wit (Newcomb, 1995).
Diese mechanistische Kontroverse hat aus einer ganz anderen Forschungsdisziplin, des mas- senspektrometrischen Studiums der Reaktivita~ von Oxometallkationen in der Gasphase, eine interessante Deutung erfahren (Schwarz, 1998). Demgem~i~ wird der Reaktionstyp gasfSrmiger FeO+-Kationen durch deren Spinmultiplizita~ gepr~gt. Jkhnlich wie ffir Disauerstoff (3F, g bzw. lag) sollte ffir die Ferrylspezies FeO + (6s bzw. 4A) die High-spin-Form stufenweise, fiber Radikalzwischenstufen verlaufende Wege, die Low-spin-Form hingegen konzertierte Prozesse mit jeweils entsprechender Produktverteilung bevorzugen.
Das Konzept der Zweizustandsreaktivit~it (two-state reactivity, TSR, Schwarz, 2000) verweist nun auf die MSglichkeit einer Spininversion im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt. Dem-
13.3 0bergangsmetallorganyle in vivo 299
gemiit3 kann die Aktivierungsenergie dadurch eine Ab- senkung erfahren, daft das aus dem High-spin-Grund- zustand reagierende System am Oberkreuzungspunkt auf die Lowspin-Hyperflache fiberwechselt. Die energeti- sche Absenkung ergibt sich hierbei aus der kleineren in- h~renten Barriere der Low-spin-, verglichen mit der High-spin-Reaktionskoordinate. Die Lage des Oberkreu- zungspunktes ist auf subtile Art vonder High-spin/Low- spin-Separation, die Effizienz des Spinzustandswechsels von der die Spin-Bahn-Kopplung pr~tgenden Natur der Eduktatome abh/ingig. Der 0berkreuzungspunkt kann somit als Weiche angesehen werden, die die Verteilung fiber zwei Reaktionswege steuert und auf diese Weise ein Produktspektrum zur Folge hat, welches sich nicht durch ein einfaches entweder/oder deuten l~t6t.
E Spin- Inversion
spin " . . . . . 4 A
Reaktionskoordinate"
Die Anwendung dieses Konzeptes auf den Fall der Alkanhydroxylierung - vermittelt durch Cytochrom P-450 - unterstreicht die Ahnlichkeit des nackten FeO+-Kations mit dem aktiven Zentrum im Enzym, vernachl~sigt aber sterische Effekte der Proteinumgebung und elektroni- sche Effekte des Porphyrinsystems sowie des axialen Cysteinatliganden.
Zur Einleitung des Prozesses der P-450-vermittelten Hydroxylierung wird das Sub- strat RH - j e nach seiner Natur mittels Wasserstoffbrtickenbindungen oder hydro- phober Wechselwirkungen - in einer Tasche nahe des Eisenporphyrin-Reaktionszen- t rums locker gebunden, geht also keine kovalente Fe --ff-a C-Bindung ein, tibergangs- metallorganische Aspekte sind somit abwesend. In jtingster Zeit durchgeftihrte R(intgenstrukturbestimmungen an drei Zwischenstufen eines Cytochrom P-450- Katalysecyclus haben sowohl die Rolle der Porphyrin(Fe Iv O)-Spezies als auch die Position des Substrates - in diesem Fall Campher - bestatigt (Schlichting, 2000). Die Natur bietet mit Cytochrom P-450 eine vorbildliche L6sung des Problems der C-H-Aktivierung, und so hat es nicht an Versuchen gefehlt, biomimetische Systeme ahnlicher Leistungsfahigkeit zu entwickeln (Groves, 1979; vergl. Bergman, 1995).
Auch H-H-Aktivierung l~uft in vivo ab, sie wird durch Hydrogenasen bewirkt, die als aktive Zentren Eisencluster ([FeFe]H2asen), hiiufiger jedoch Nickel-Eisencluster ([NiFe]H2asen), enthalten, Beispiele finden sich u.a. in sulfat-reduzierenden Bak- terien:
Weitere Wirkungsbereiche der Hydrogenasen liegen in der Stickstoff'Lxierung, der Methanogenese, der Acetogenese und der Photosynthese; sowohl H2-Produktion als auch H2-Verbrauch werden katalysiert. Die Identifizierung der proteinkristallogra-
300 13 c-Donor-Liganden
phisch nicht eindeutig bestimmbaren zweiatomigen Liganden am Eisen als CO und CN- gelang mittels IR-Spektroskopie (Albracht, 1997). So sind die IR-Spektren fiir die D.gigas [NiFe]H2ase und das Modell [(~5-C5H5)Fe(CN)2(CO)]- im diagnosti- schen Bereich 1800 < ~ < 2200 [cm -1] nahezu deckungsgleich (Darensbourg, 2000)!
Mechanistische Vorschl/~ge fiir die Wirkungsweise der Hydrogenase miissen den bio-untypi- schen Liganden CN- und CO (vergl. S. 336) eine wesentliche Rolle zuschreiben. Als o-Donor/~x- Akzeptorliganden (Kap. 14.4.) stabilisieren CO und CN- niedrige Metall-Oxidati0nsstufen und begiinstigen die Bildung von OM-Hydriden. Demgem/iI3 geht ein hier vereinfacht dargestellter Vorschlag von heterolytischer H2-Spaltung aus, wobei H- intermedi/ir eine Briicke zwischen FeII und Ni II bildet und H+ einen Cysteinatrest der Ligandensph/ire protoniert (Guigliarelli, 1997):
[NiFe]H2ase H2 ~ ~ 2H++2e -
Hydrogenase
~ S CN ] 2- ~., / /,, / /Niu'SuFe,-...,-,,,,/
S " S " \ ~"~| H+ / / co j \ ~ . ~ ,
Starke Verdachtsmomente beziiglich einer mSglichen Beteiligung an biologischen Prozessen kommen der Ni a C-Bindung zu. Das Element Nickel ist bislang in sechs Enzymen nachgewiesen worden, die folgende Prozesse katalysieren (Halcrow, 1998):
Urease H2N-CO-NH 2 + H20 . . . .
Hydrogenase
CO-Dehydrogenase
Urease [H2N-COO-NH4 +] ~ 2 NH 3 + CO 2
H 2 [NiFe]H2as~e~ 2 H+aq -~- 2 e-
CODH C O + H 2 0 . " CO 2 + 2 H + + 2 e -
Acetyl-Coenzym A-Synthase CO + CH3+ + CoA-S- _ACS CoA_SC(O)CH3
~S" .H CN ]- [ ~,./H -I- I \~,', ~. I ~, * A, I o H ON
H sINi ;F "CNI I ~S~N%~;F~"CNI / / co j L .' \ co j
H + e-
13.3 0bergangsmeta l lorganyle in vivo 301
In den Ureasen ist Ni 2+ redoxinert, es wirkt lediglich als Lewis-saures Zentrum. In den anderen Enzymen werden hingegen Oxidationsstufenwechsel des Nickels diskutiert. CODH und ACS arbeiten in einem groflen Enzymkomplex in tandem wie anschliefiend erlautert wird. Metall- organische Aspekte, wie die Beteiligung von Zwischenstufen mit Ni-C-Bindung, spielen wahr- scheinlich ftir die Enzyme CODH/ACS und MCR eine Rolle.
Das Enzym NiCODH erffillt in anaeroben Mikroorganismen zahlreiche Funktionen, ffir beide Reaktionsrichtungen von CO + H20 + FeSP 0 ~ CO 2 + FeSP 2- + 2H + finden sich Beispiele. Das Eisen-Schwefel-Protein FeSp0/2- kann somit als Elektro- nendonor oder -akzeptor wirken. Die Bildung von CO 2 und H 2 aus CO und H20 (z.B. in Carboxydothermus hydrogenofumans) kann fibrigens als ein Bio-Analogon zur Wassergasreaktion betrachtet werden.
NiCODH aus C. hydrogenoformans konnte in CO-unbeladenem Zustand rSntgeno- graphisch charakterisiert werden (Dobbek, 2001). Als aktives Zentrum wurde ein [NiFe4S5]-Cluster erkannt, welcher quadratisch planar koordiniertes NiII(d 8) ent- halt. Letzteres wird als Ort der Oxidation von CO angesehen, der mechanistische Vorschlag geht von einem nucleophilen Angriff am CO-Liganden durch eine am benachbarten Eisenion Fe 1 koordinierte Hydroxylgruppe im Sinne der ,,Basenreak- t ion" der Metallcarbonyle (S. 348) aus:
(Cys446)S~ Fe , ,S , 3'~" I " , [I ,S(Cys526)
(Cys4/'6) S ' ~ S ~ N i "'
"s J Fe4~-S __ F~ 1, , ,S(Cys295 )
N(Hys333)
Struktur des Aktiven Zentrums von NiCODH aus C. hydrogenoformans
S e3: ' / S~S "-~ 'Ni,, ,~,S / ~ / I ~
f,F.e2 s ,...
S / r e 4 ~ ' S ~ Fel'l ' ' 'S k
N
C O 2 + 2 H + + 2 e "
k H20
Strukturvorschlag ffir das CO-beladene aktive Zentrum
Die aus der Oxidation von CO s tammenden zwei Elektronen ksnnen fiber den [NiFe4S5]-Cluster delokalisiert werden oder zur Reduktion zweier Protonen zu H 2 dienen.
Wie bereits erwahnt, ist CODH/ACS ein bifunktionelles Enzym, welches die Reduk- tion von CO 2 zu CO und die Verwertung von CO in derAcetyl-Coenzym-A-Synthese katalysiert. Die St rukturbes t immung des Enyzms CODH/ACSMT aus Moorella thermoacetica lafit diese Symbiose in einem neuen Licht erscheinen (Lindahl, 2003). Demnach wird CODH-katalysiert gebildetes CO durch einen Tunnel im Enzym- komplex auf das aktive Zentrum der ACSMT fibertragen und an Ni 0 gebunden.
Der mechanistische Vorschlag ffir die Acetogenese t ragt die Handschrift des Metall- organikers, indem die Schritte Lewis-Base-Addition (~, oxidative Addition (~), Inser- tion ( ~ und reduktive Eliminierung (~)zu einem Cyclus kombiniert werden (vergl. Kap. 12.2).
Die Beteiligung der formalen Oxidationsstufe Nip ~ ware ein Novum in der Biochemie. Zur Plausibilisierung wird angef~hrt, dab die Metallthiolatliganden an Nip Eigenschaften besitzen, die denjenigen der Phosphane, bekannte Stabilisatoren ftir niedrige Metalloxidationsstufen,
302 13 a-Donor-Liganden
~hneln. Demnach f6rdert diese koordinative Umgebung die Reduktion Nip n ---* Nip ~ und ermSg- licht die Koordination eines CO-Liganden. Die Bildung der Acetylgruppe aus CO und einem Methylspender nach dem Lindahl-Mechanismus kann als biologisches Analogon zum techni- schen Monsanto-Essigsaure-Verfahren (S. 627) angesehen werden.
Cysteinthiolat I | H)(cO) / CODH
Acetylcoenzym A Cys //CC///~ ,aktivierte Essig- \ 2~.+" Cys, /jlr s~ure" Fe~s - . .N i o / + S'-:I'Fe I , .
H + CoAS--COCHI, 3 ..11 ..S ,-E-;Fe~l I / P~.sr,..,~ ~'N'-''S'''M=''' ,N---~ Nip, Ni d proximales ] f / ~ e - - ~ " -S ICys - \ / CO bzw. distales Nickel
Coenzym A RE(.~ g Cys Cys I ~ CoASH__~ Cy s L B A
Cys 2+/, CH31 Cys 0 [Fe, S, ]-~:S. 2./+ I /C
/ /C~ l i l ' , [Fe4 S4 ]~S~ai. ,~ . O p~;pNi{~4~ ~ P~;~N~44 # ~
d ICys ICys / Cys \ cys / ~ CH3-C(~'LFeSP
INS - ~ C" " O . / ~ OA methyliertes cobalthal- 2+/. | ' ~ /..C J ~ ~ i. tiges corrinoides Eisen-
[Fe4S']1"S; Ni~' V . , , Co'FeSP Schwefelprotein, ein H3C P~S~Ni,.~ ~ CH3+-Donator
~cyl S d Acetogenese L;ys
Letztlich handelt es sich bei der biologischen Acetogenese um eine Fixierung von CO2, denn beide Bausteine entstammen diesem: CO 2 wird Tetrahydrofolat-kataly- siert zur CH3-Gruppe sowie CODH-katalysiert zu CO reduziert. Die ACS-kataly- sierte Bildung des Acetylrestes aus CH 3 und CO schlieflt sich an.
Im einzelnen noch ungekl~irt ist auch der Mechanismus, mittels dessen Archaea unter Verwendung des Enzyms Methyl-Coenzym M-Reduktase (MCR) den letzten Schritt der Methauogenese vollziehen. Wahrend das Substrat Methyl-Coenyzm M das kleinste bislang aufgefundene Coenzym ist, gehSrt die Methyl-Coenzym M- Reduktase (~ 300 kDa) zu den grot3en Enzymen. Als prosthetische Gruppe fungiert der Faktor F 430, ein Dodecahydroporphyrin-NickelII-Komplex. Der hohe Satti- gungsgrad verleiht dem vierzahnigen Chelatliganden Flexibilitat, welche der Stabi- lisierung der Oxidationsstufen NiI,II, III fSrderlich ist. EPR-Untersuchungen an akti- ver MCR lassen vermuten, dat3 in diesem die Stufe Ni I vorliegt. Man nimmt an, dat3 das nucleophile NiI-Zentrum von CH3-S-CoM eine Methylgruppe iibernimmt, pro- tolytische Spaltung der Ni-CH3-Bindung wfirde Methan erzeugen.
13.3 0bergangsmetallorganyle in vivo 303
RO2"C 0
H3Cs I~-~.~H .,,.,~N~6~., ~CH3 XoT T'y
.2 . /o l0 - - ~ 002.
Ro2c I L - co2R
"-v o "1 CO2R
CoM-S-S-CoB CH3-S-CoM + H §
Ni(ll) CHa-Ni(III) l ~/~ HS-CoM
~,,/{ Thiyl- I "CH3"Ni(II)- ~ Radikal H §
Struktur des Faktors F 430 (R=H) der prosthetischen Gruppe der Methyl-Coenzym M-Reduktase (MCR), im Katalysecyclus als Ni(I,II,III) bezeichnet.
,0, H ~C02 H S ~ - N ~ CH3
\ /3 H H ~' OPO3 'z- HS--CoB
Coenzyrn B
cu o ~ s o ; n3o
CH3S--CoM MethyI-Coenzym M
S-CoM "S-CoB HS-CoB
Heterodisulfid- CoM-S-S-CoB- Methanogenese
Dieser mechanistische Vorschlag (Thauer, 1998) ist in Einklang mit der Kristallstruktur- bestimmung an MCR, welche die M6glichkeiten sterisch giinstiger Enzym-Substrat-Komplexe eingrenzt. Die Existenzfahigkeit eines F 430-Derivates mit axial an Ni II gebundener Methyl- gruppe folgt aus Arbeiten von Jaun (1991):
Das Strukturelement (high-spin dS)NilLCD3 gibt sich im 2D-NMR-Spektrum durch charakteri- stische Linienbreite und Fermi-Kontakt-Verschiebung nach hohem Feld zu erkennen (5-490 ppm). Es bleibt Mlerdings zu zeigen, da6 diese Spezies auch im Katalysecyclus aus F 430 NiL und CH3-Spendern entsteht.
Neben den in diesem Kapitel diskutierten Systemen, in denen OM-C-Bindungen essentieller Bestandteil in vivo ablaufender Prozesse sind, und der bereits erwahnten Toxizitat der Orga- nyle der Elemente Be, T1, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Se, Te, Cd, Hg sind zur Bioorganometallchemie im weiteren Sinne auch Molektile zu zahlen, denen die Ausstattung mit metallorganischen Fragmenten Eigenschaften verleiht, die sie fiir biologische Anwendungen empfehlen. Diese wer- den an entsprechenden Stellen des Textes erlautert, sie seien hier zur Vervollst~.ndigung des Kap. 13.3 nur stichwortartig genannt:
�9 Organometall-Biosensoren (S. 485) �9 Organometall-Markierung von Biomolekfilen, Organometall-Diagnostika (S. 233, 346, 355) �9 Organometall-Therapeutika (S. 105, 213, 486, 506).
