Interaction des acides et bases de Lewis au sein du complexe Ph₃P-BH₃

Lewis Acid-Base Interaction in Ph<sub>3</sub>P-BH<sub>3</sub>

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Lewis Acid-Base Interaction in Ph₃P-BH₃

6.21: Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy

6.28: Dye-sensitized Solar Cells

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09:00 min

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April 30, 2023

Overview

Source : Tamara M. Powers, département de chimie, Texas A & M University

Un des objectifs de la chimie est d’utiliser des modèles qui représentent les tendances et donnent des indications sur les propriétés des réactifs qui contribuent à la réactivité. Des substances ont été classées comme les acides et les bases depuis l’époque de la Grèce antique, mais la définition des acides et des bases a été modifiée et élargie au cours des années. ¹

Les Grecs de l’antiquité définirait les substances par goût et défini des acides que ceux qui ont le goût aigre, comme le jus de citron et le vinaigre. Le terme « acide » est dérivé du terme Latin pour « goût aigre ». Bases sont caractérisés par leur capacité à neutraliser ou à neutraliser les acides. Les premières bases caractérisés étaient ceux des cendres d’un feu, qui ont été mélangés avec les graisses pour fabriquer du savon. En fait, le terme « alcalin » est dérivé du mot arabe pour « griller ». En effet, on sait depuis les temps anciens que les acides et les bases peuvent être combinés pour donner un sel et eau.

La première description répandu d’un acide est celui de la chimiste suédois Svante Arrhenius, qui, en 1894 acides définis comme des substances qui se dissocient dans l’eau pour donner des ions hydronium et bases comme des substances qui se dissocient dans l’eau pour donner des ions hydroxyde. Cette définition est donc limitée aux acides aqueuses et nécessite qu’un acide contribuer un proton. ² par exemple, dans l’eau, HCl est un acide, tel qu’il se dissocie pour donner l’ion hydronium (H₃O)⁺ et l’ion chlorure. Le trichlorure de bore n’est pas considéré comme un acide, comme dans l’eau qu’il s’hydrolyse pour donner B(OH)₃ et 3 HCl ; le produit HCl est un acide d’Arrhenius.

En 1923, Johannes Nicolaus Brønsted et Martin Lowry défini indépendamment des acides et des bases sur leur capacité à donner ou accepter des ions d’hydrogène, ou protons. Ainsi, est venu le concept d’acide-base paires conjuguées et l’élargissement de la définition des acides et des bases dans des solvants autres que l’eau. Par exemple, l’ammonium est un acide, car il peut donner un proton et générer l’ammoniac. L’ammoniac peut accepter un proton, pour donner d’ammonium. Ainsi, l’ammoniac est la base conjuguée de l’ammonium. Cette réaction acido-basique peut se produire dans l’eau, ammoniaque ou autres solvants.

Cette vidéo traite de la définition de l’acide-base du chimiste américain, Lewis, qui a également défini des acides et des bases en 1923. C’est d’ailleurs le même Lewis de structures de Lewis-dot en chimie générale. Son approche met l’accent non pas sur la capacité des acides et des bases à donner ou accepter des protons, mais plutôt sur leur capacité à accepter et à faire un don de paires d’électrons, respectivement. Cela englobe la définition de Brønsted-Lowry, comme H⁺ accepte une paire d’électron d’une base de Brønsted lors de protonation. Cependant, il élargit considérablement la définition d’un acide, qui englobe désormais des ions métalliques et composés du groupe principal. Ici, nous comparons les ³¹P RMN d’un Lewis acido-basique adduit Ph₃P-BH₃ de triphénylphosphine gratuit.

Principles

Étudier la liaison entre la triphénylphosphine et borane. Nous examinerons tout d’abord ce que les deux molécules ressemblent avant ils forment un adduit de Lewis.

Rappeler les structures de Lewis dot et la théorie de répulsion (VSEPR) de paires d’électrons couche de valence, de chimie générale. La structure de Lewis dot de triphénylphosphine est illustrée à la Figure 1. Il existe trois liaisons covalentes entre l’atome de phosphore et de l’un des atomes de carbone dans chacun des trois noyaux phényles. Deux électrons (un doublet) se trouvent sur l’atome de phosphore pour compléter l’Octuor. Le centre de phosphore est sp³ hybridé et possède une géométrie tétraédrique d’électronique, avec le doublet d’électrons résidant dans une orbitale sp³ . Triphénylphosphine a une paire d’électrons qui peut être donnée à une autre molécule et est donc considérée comme une base de Lewis.

Figure 1. Structure de Lewis dot de triphénylphosphine.

La structure de Lewis dot du borane est illustrée à la Figure 2. Il existe trois liaisons covalentes entre les atomes d’hydrogène et de l’atome de bore. Dans ce cas, le centre de bore seulement a six électrons de valence et par conséquent, ne suit pas la règle 8 e^–. Borane est donc plan et sp² hybride, avec les orbitales de² sp formant des liaisons avec les atomes d’hydrogène et le lone p orbitale étant vide. Borane est donc un acide de Lewis.

Figure 2. Structure de Lewis dot du borane.

Étant donné que le phosphore dans la triphénylphosphine a une orbitale remplie et le bore du borane possède une orbitale vide, un adduit de Lewis acido-basique peut former, avec la triphénylphosphine donnant ses deux électrons au bore. À la formation d’un adduit, le centre de bore devient sp³ hybridé (équation 1).

(1)

Équation 1 illustre l’idée de l’acidité de Lewis, avec des acides de Lewis acceptant des doublets d’électrons, et bases de Lewis faisant don de paires d’électrons. Parfois, les acides de Lewis sont appelés électrophiles et bases de Lewis comme nucléophiles. Les liens entre les bases et les acides de Lewis sont souvent appelés des liaisons covalentes ou datif coordonnées et sont parfois désignées avec des flèches par opposition aux lignes.

Procedure

1. installation de la ligne de Schlenk pour la synthèse du complexe triphénylphosphine Borane

Remarque : Pour une procédure plus détaillée, veuillez consulter la vidéo de « Schlenk lignes transfert de solvant » dans la série Essentials of Organic Chemistry ). Sécurité de canalisation de Schlenk devrait être révisée avant la tenue de cette expérience. Verrerie doit être inspecté pour fissures star avant d’utiliser. Il faut pour s’assurer que O₂ n’est pas condensée dans le piège de ligne Schlenk si vous utilisez le liquide N₂. À température₂ N, O₂ se condense et est explosif en présence de solvants organiques. Si l’on soupçonne que O₂ a été condensée ou un liquide bleu est observé dans le piège froid, laissez le piège froid sous vide dynamique. Ne pas enlever le liquide N₂ collecteur ou éteignez la pompe à vide. Au fil du temps, le liquide O₂ va s’évaporer dans la pompe ; il sera sécuritaire d’enlever le piège de₂ N liquid une fois tous les O₂ s’est évaporée.

Fermez le robinet de purge.
Allumez le gaz₂ N et la pompe à vide.
Comme le Schlenk ligne vide atteint sa pression minimale, préparer le piège froid avec liquide N₂ ou neige carbonique et d’acétone.
Assembler le piège froid.

2. synthèse du Borane complexe triphénylphosphine³

Ajouter 5,3 g (20,3 mmol) de triphénylphosphine dans un ballon de Schlenk 250 mL A et préparer le ballon de Schlenk le transfert de la canule de solvant.
Ajouter 20 mL de THF sec/dégazé le ballon de Schlenk A par virement de la canule. Agiter la solution pour dissoudre la triphénylphosphine.
Préparer un deuxième ballon de Schlenk (B) contenant de NaBH 1,15 g (30,5 mmol)₄ pour le transfert de la canule.
Refroidir les Schlenk fiole A et B dans un bain de glace.
Canule de transvaser le contenu du ballon de Schlenk A dans ballon de Schlenk B.
Avec une pression positive N₂ , remplacer le bouchon en caoutchouc sur ballon de Schlenk B avec un addition entonnoir muni d’un septum en caoutchouc.
Pour l’entonnoir de l’addition, ajoutez 8 mL de THF sec/dégazé par transfert de la canule.
Avec une pression positive N₂ , enlever la cloison du haut de l’entonnoir et ajouter 2 mL d’acide acétique glacial à l’entonnoir de l’addition.
Maintien de Schlenk ballon B dans un bain de glace, ajouter le THF/acide acétique glacial goutte à goutte pendant 30 min. Lors de l’ajout, moussage peut se produire. Veillez à ce que la réaction est en remuant vigoureusement pour minimiser cela.
Après l’addition, permettre la réaction à la température ambiante et mélanger pendant une heure supplémentaire.
Retirez l’entonnoir à robinet et lentement ajouter 20 mL d’eau.
Préparer une solution de 2 mL d’acide acétique glacial dans 25 mL d’eau. Lentement, ajouter ce mélange à la réaction.
Si les cristaux ne se forme pas spontanément, refroidir la réaction dans un bain de glace pour favoriser la cristallisation.
Filtrer le produit par aspiration à travers un entonnoir fritté. Laver le résultant solide avec 20 mL d’eau 3 fois.
Laissez le produit sécher dans le capot avant la préparation de l’échantillon pour analyse par RMN.

3. analyse de NMR ³¹P du complexe triphénylphosphine Borane

Préparer un échantillon de NMR de triphénylphosphine et de borane triphénylphosphine complexe dans CDCl₃.
Recueillir un ³¹P RMN de chaque échantillon (référencé à l’acide phosphorique) et d’observer comment le signal de phosphore de triphénylphosphine décale à la coordination de borane.

En chimie, acide-base modèles sont utilisés pour expliquer les tendances dans la réactivité et les caractéristiques des réactifs, qui est important lors de la conception d’une synthèse.

En 1894, Svante Arrhenius pionnier du concept d’acides et bases, décrivant spécifiquement comme des substances qui se dissocient dans l’eau, à céder hydronium ou ions hydroxyde, respectivement.

En 1923, Johannes Brønsted et Thomas Lowry défini acides et les bases de leur capacité à donner ou accepter des ions d’hydrogène dans différents solvants, créant le concept d’acide-base conjugués paires.

Dans la même année, Gilbert Lewis a proposé une alternative, définissant les acides et les bases de leurs capacités à donner ou accepter des paires d’électrons, au lieu de protons. Ce modèle a étendu l’application des acides et des bases, en tenant compte des ions métalliques et composés du groupe principal.

Cette vidéo illustre le concept d’acide-base de Lewis sur la base d’un complexe de borane triphénylphosphine, sa synthèse et l’analyse.

Lors de l’utilisation de l’acide de Lewis- et le modèle de Base, la structure moléculaire doit être examinée pour déterminer si la molécule va donner ou accepter une paire d’électrons.

Donc, commencer par l’analyse de la structure de la triphénylphosphine et borane en utilisant la théorie VSEPR et déterminer ensuite le Lewis acid et basique.

Triphénylphosphine a trois liaisons covalentes entre l’atome de phosphore et le carbone dans chacun des trois noyaux phényles. Deux électrons libres sont conservées comme une paire d’électrons libre pour remplir l’Octuor.

En outre, triphénylphosphine est sp³hybridé au centre phosphore et possède une géométrie tétraédrique électronique. Le doublet d’électrons résidant dans un sp³ orbitales peut être donné à une autre molécule, classant la triphénylphosphine comme une base de Lewis.

En revanche, borane a trois liaisons covalentes entre le bore et les trois atomes d’hydrogène. Depuis le centre de borane a seulement six électrons de valence, il ne respecte pas la règle de l’octet et est donc déficient en électron.

La géométrie est trigonale plane et les liens sont sp²hybridées. Le seul p orbitale est vide et prêt à accepter des électrons, qui classifie borane comme acide de Lewis.

Si triphénylphosphine donne ses deux électrons sur le vide p orbitale en borane, elle conduit à un changement de l’hybridation de sp² à sp³ et l’on peut proposer qu’une écurie Lewis acido-basique adduit formera.

Ce type de liaison entre une base et un acide de Lewis est souvent appelé une coordination covalent, ou une liaison dative, qui est indiquée à l’aide d’une flèche.

Maintenant que vous avez appris les principes des acides de Lewis- et les bases, nous allons étudier si un adduit stable se forme entre la triphénylphosphine et borane.

Avant de commencer, assurez-vous que vous êtes familier avec le ligne de Schlenk et comment l’utiliser pour le transfert de solvant. Porter les EPI approprié et d’inspecter toute la verrerie pour fissures star.

Fermer le robinet de purge, tourner sur la N₂ et la pompe à vide. Assembler le piège froid et remplissez-le avec neige carbonique et d’acétone, une fois que la pression minimale est atteinte.

De cette façon, vous réduisez le risque de condensation₂ O dans le piège, ce qui est explosif en présence de solvants organiques.

Maintenant, nous allons commencer la synthèse en ajoutant 5,3 g de triphénylphosphine dans un ballon de Schlenk 200 mL étiqueté comme A. préparer Schlenk ballon A pour le transfert de la canule de solvant.

Ajouter 20 mL de THF sec et dégazé à ballon de Schlenk A à l’aide de transfert de la canule. Agiter la solution pour dissoudre la triphénylphosphine. Pendant ce temps, préparer un deuxième ballon de Schlenk B contenant 1,15 g de NaBH₄ pour le transfert de la canule.

Cool les deux flacons de Schlenk A et B dans un bain de glace. À l’aide de la canule, transvaser le contenu du ballon A dans ballon B. Ensuite, remplacer le bouchon en caoutchouc de Schlenk B avec un entonnoir addition, purger l’entonnoir et fixez-le avec un septum de nouveau.

Ensuite, ajoutez 8 mL de THF sec et dégazé à l’entonnoir de l’addition par virement de la canule. Avec le système sous N₂, enlever la cloison de l’entonnoir de l’addition, ajouter 2 mL d’acide acétique glacial et remettre le bouchon sur. Maintenant, ajoutez le THF et mélange acide glacial tomber sage de Schlenk fiole B, en remuant vigoureusement.

Après l’addition, permettre la réaction pour se réchauffer à température ambiante et mélanger pendant une heure supplémentaire sous le N₂. Puis fermez l’alimentation en₂ N, enlever l’entonnoir de l’addition et étancher la réaction lentement avec 20 mL d’H₂O.

Ensuite, ajoutez un mélange d’acide acétique dans l’eau lentement à la réaction, induisant la précipitation du produit. Refroidir, si aucune forme précipitée.

Filtrer le produit par aspiration à travers un entonnoir fritté. Laver le résultant solide avec 20 mL d’eau froide glacée et transférer le précipité dans un ballon pour le séchage.

Enfin, préparer un échantillon de NMR de la matière première et le produit isolé dans CDCl₃. Recueillir un ³¹P RMN pour chaque échantillon.

Maintenant nous allons analyser comment le signal de phosphore de triphénylphosphine est affecté à la coordination de borane dans le produit à l’aide de la RMN.

Spectacles de triphénylphosphine gratuit comme signal ppm-5,430, tandis que le signal de la triphénylphosphine borane complexe est décalé vers les bas champs à 20,7 ppm. Ceci est cohérent avec la suppression des électrons densité depuis le centre de phosphore, qui est déblindé sur Lewis la formation d’adduits.

Ce constat renforce la théorie acido-basique de Lewis prédire que borane, comme acide de Lewis, et triphénylphosphine, comme une base de Lewis, se forme un adduit stable.

Le modèle d’acide-base de Lewis est utilisé pour obtenir plus d’informations sur les caractéristiques moléculaires, qui est nécessaire lors de la conception de nouvelles synthèses en chimie organique et inorganique de molécules dont les métaux de transition.

Historiquement, les ions de métaux de transition ont été considérées comme des acides de Lewis, cependant, ils peuvent également servir comme bases de Lewis. Par exemple, les complexes métal-borane peuvent participer à des transformations importantes comme l’hydrogénation des alcènes et fixation de l’azote.

Hydrogénation de l’oléfine peut être effectuée à l’aide d’un nouveau catalyseur basé sur une espèce de borane nickel. Cette espèce fend la liaison H-H heterolytically et réversiblement ajoute la H-₂ à l’oléfine transformant à un alcane.

En outre, un catalyseur homogène complex fer-borane catalytiquement peut réduire l’azote en ammoniac, qui est une réaction critique dans l’industrie chimique.

Paires de Lewis frustré ou FLPs, sont adduits d’acide-base de Lewis, qui ne peuvent pas constituer une liaison dative, en raison de l’encombrement stérique.

La réactivité des frustrés paires de Lewis a été appliquée dans le développement de nouveaux catalyseurs d’hydrogénation. Par exemple, il a été démontré qu’un complexe zwitterionique, qui repose sur les éléments du groupe principal, perd réversiblement H₂ pour donner à ce produit. Cette étude a lancé le développement de la recherche FLP.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la théorie acide-base de Lewis. Vous devez maintenant comprendre la définition de Lewis acides et bases, comment synthétiser un complexe d’acide-base de Lewis, et où ces types de complexes sont appliquées. Merci de regarder !

Results

Borane triphénylphosphine complexe :

³¹ RMN du (chloroforme –d, 500 MHz, δ, ppm) : 20,7 (large doublet)

Triphénylphosphine :

³¹ RMN du (chloroforme –d, 500 MHz, δ, ppm) :-5.43

Le signal de RMN du ³¹de la triphénylphosphine borane complexe est champ faible par rapport à la triphénylphosphine gratuit. Ceci est cohérent avec l’enlèvement d’électron densité depuis le centre de phosphore, qui est déblindé sur la formation d’adduits.

Applications and Summary

La triphénylphosphine borane complexe est un exemple d’un Lewis-adduit, auquel cas une base de Lewis donne des électrons à un acide de Lewis. Bien que BH₃ et PPh₃ ne seraient pas nécessairement considérées un acide et la base, respectivement, à l’aide d’autres théories d’acide-base, théorie acido-basique de Lewis prédit correctement que les molécules forment un adduit stable.

Activation de petites molécules :

Tandis que les ions de métaux de transition ont historiquement été considérées comme des acides de Lewis, l’idée qu’ils peuvent servir de bases de Lewis est érigée. Par exemple, Jonas Peters et ses collaborateurs à Caltech ont montré que métal-borane complexes, qui peuvent donner des électrons pour le borane acide de Lewis (un ligand de Z-type), peuvent donner lieu à la nouvelle réactivité. Une espèce de borane nickel s’est avérée réversible ajouter H₂, heterolytically clivant la liaison H-H. ⁴ H de la₂-ajouté espèces sont un catalyseur d’hydrogénation des oléfines. Le groupe a également signalé que les complexes fer-borane peuvent réduire catalytiquement azote d’ammonium. ⁵ c’est le premier exemple d’un catalyseur homogène à base de fer pour cette réaction difficile, mais critique.

Paires de Lewis frustré :

Un autre domaine actuel de recherche est celui de « Paires de Lewis frustrés », ou FLPs. Voici les Lewis acide-base « adduits » qui, pour des raisons stériques, ne peut former une liaison dative. ⁶ Douglas Stephan et ses collègues de l’Université de Toronto réfléchi quel réactivité telle adduits aurait, en particulier avec l’idée de les utiliser pour la catalyse et l’activation de petites molécules. Penser à des complexes de métaux de transition, qui peuvent accepter et faire un don de densité électronique vers et à partir de substrats, ils l’hypothèse donneur/accepteur propriétés de ce qu’on appelle « Paires de Lewis frustrés » pourraient avoir en ce qui concerne la réactivité.

En 2006, Stephan et ses collaborateurs ont signalé en sciences qui le zwitterion (C₆H₂Me₃)₂PH (C₆F₄) BH (C₆F₅)₂ perd réversiblement H₂de donner (C₆H₂Me₃)₂P (C₆F₄) B (C₆F₅)₂. ⁷ c’est le premier exemple d’activation de₂ H réversible avec des éléments du groupe principal, et d’autres exemples suivi (Figure 3). Cette étude a ouvert la voie pour le développement de la recherche FLP. Depuis lors, les FLPs ont été développés qui sont les catalyseurs d’hydrogénation compétente et peut activer une variété de petites molécules dont le CO₂. Il s’agit d’un domaine de recherche nouveau actif et passionnant.

Figure 3. Les premiers exemples de réactivité de FLPs avec H₂. Adapté de référence 5.

References

Lesney, Today's Chemist at Work, 2003, 47-48.
Miessler, P. J. Fischer and D. A. Tarr, Inorganic Chemistry, Pearson, 2014.
McNulty, J.; Zhou, Y. Tetrahedron Letters, 2004, 45, 407-409.
Harman and J. C. Peters, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 5080-5082.
Anderson, J. Rittle and J. C. Peters, Nature, 2013, 501, 84-87.
Stephan, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10018-10032.
Welch, R. R. S. Juan, J. D. Masuda and D. W. Stephan, Science, 2006, 314, 1124-1126.

Transcript

In chemistry, acid-base models are used to explain trends in reactivity and characteristics of reactants, which is important when designing a synthesis.

In 1894, Svante Arrhenius pioneered the concept of acids and bases, describing them specifically as substances that dissociate in water, to yield hydronium or hydroxide ions, respectively.

In 1923, Johannes Brønsted and Thomas Lowry defined acids and bases by their ability to donate and accept hydrogen ions in different solvents, creating the concept of acid-base conjugate pairs.

In the same year Gilbert Lewis proposed an alternative, defining acids and bases by their abilities to donate and accept electron pairs, instead of protons. This model expanded the application of acids and bases, taking into account metal ions and main-group compounds.

This video will illustrate the Lewis acid-base concept on the basis of a triphenylphosphine borane complex, its synthesis, and analysis.

When using the Lewis Acid-and Base model, the molecular structure needs to be considered to identify whether the molecule will donate or accept an electron pair.

Therefore, start with the structure analysis of triphenylphosphine and borane using the VSEPR theory, and then determine the Lewis acid and base.

Triphenylphosphine has three covalent bonds between the phosphorous atom and a carbon in each of the three phenyl rings. Two free electrons are left as a free electron pair to fill the octet.

Furthermore, triphenylphosphine is sp3 hybridized at the phosphorous center and has a tetrahedral electronic geometry. The lone-pair of electrons residing in an sp3 orbital can be donated to another molecule, classifying triphenylphosphine as a Lewis base.

On the other hand, borane has three covalent bonds between the boron and the three hydrogen atoms. Since the borane center has only six valence electrons it does not fulfill the octet rule and is therefore electron-deficient.

The geometry is trigonal planar and the bonds are sp2 hybridized. The lone p orbital is empty, and ready to accept electrons, which classifies borane as a Lewis acid.

If triphenylphosphine donates its two electrons to the empty p orbital in borane, it leads to a change of the hybridization from sp2 to sp3 and one can propose that a stable Lewis acid-base adduct will form.

This type of bond between a Lewis-acid and base is often called a coordinative covalent, or a dative bond, which is indicated using an arrow.

Now that you’ve learned the principles of Lewis acids-and bases, let’s investigate whether a stable adduct will form between triphenylphosphine and borane.

Before you start, make sure you are familiar with the Schlenk Line and how to use it for solvent transfer. Wear appropriate PPE and inspect all glassware for star cracks.

Close the pressure release valve, turn on the N2 and vacuum pump. Assemble the cold trap and fill it with dry ice/acetone, once minimum pressure is reached. This way you minimize the risk of O2 condensation in the trap, which is explosive in presence of organic solvents.

Now, let’s start the synthesis by adding 5.3 g of triphenylphosphine to a 200 mL Schlenk flask labeled as A. Prepare Schlenk flask A for the cannula transfer of solvent.

Add 20 mL of dry and degassed THF to Schlenk flask A using cannula transfer. Stir the solution to dissolve triphenylphosphine. Meanwhile, prepare a second Schlenk flask B containing 1.15 g of NaBH4 for cannula transfer.

Cool both Schlenk flasks A and B in an ice bath. Using the cannula, transfer the contents of flask A into flask B. Next, replace the rubber septum of Schlenk B with an addition funnel, purge the funnel, and fit it with a new septum.

Next, add 8 mL of dry and degassed THF to the addition funnel via cannula transfer. With the system under N2, remove the septum from the addition funnel, add 2 mL of glacial acetic acid, and put the septum back on. Now, add the THF and glacial acid mixture drop wise to Schlenk flask B, while stirring vigorously.

After the addition, allow the reaction to warm up to room temperature and stir for an extra hour under N2. Then close the N2 supply, remove the addition funnel, and quench the reaction slowly with 20 mL of H2O.

Next, add a mixture of acetic acid in water slowly to the reaction, inducing product precipitation. Cool the flask, if no precipitate forms.

Filter the product by suction through a fritted funnel. Wash the resulting solid with 20 mL of ice cold water, and transfer the precipitate to a flask for drying.

Lastly, prepare an NMR sample of the starting material and the isolated product in CDCl3. Collect a 31P NMR for each sample.

Now let’s analyze how the phosphorous signal of triphenylphosphine is affected upon the coordination to borane in the product using the NMR.

Free triphenylphosphine shows as signal at -5.43 ppm, while the signal of the borane triphenylphosphine complex is shifted downfield to 20.7 ppm. This is consistent with the removal of electron density from the phosphorous center, which is deshielded upon Lewis adduct formation.

This observation reinforces the Lewis acid-base theory predicting that borane, as a Lewis acid, and triphenylphosphine, as a Lewis base, will form a stable adduct.

The Lewis acid-base model is used to gain more insight into molecular characteristics, which is necessary when designing new syntheses in organic and inorganic chemistry for molecules including transition metals.

Historically, transition metal ions have been regarded as Lewis acids, however, they can also serve as Lewis bases. For example, metal-borane complexes can participate in important transformations such as hydrogenation of olefins and nitrogen fixation.

Olefin hydrogenation can be performed using a new catalyst based on a nickel borane species. This species cleaves the H-H bond heterolytically and reversibly adds the H2 to the olefin transforming it to an alkane.

Furthermore, an iron-borane complex homogeneous catalyst can catalytically reduce nitrogen to ammonia, which is a critical reaction in the chemical industry.

Frustrated Lewis Pairs, or FLPs, are Lewis acid-base adducts, which cannot form a dative bond, due to steric hindrance.

The reactivity of frustrated Lewis pairs has found application in the development of new hydrogenation catalysts. For instance, it was shown that a zwitterionic complex, which is based on main group elements, reversibly loses H2 to give this product. This study pioneered the development of FLP research.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the Lewis acid-base theory. You should now understand the definition of Lewis acids- and bases, how to synthesize a Lewis acid-base complex, and where these types of complexes are applied. Thanks for watching!