Lewis Zuur-Base Interactie in Ph₃P-BH₃

In de chemie worden zuur-basemodellen gebruikt om trends in de reactiviteit en eigenschappen van reagentia te verklaren, wat belangrijk is bij het ontwerpen van een synthese.

In 1894 was Svante Arrhenius de pionier van het concept van zuren en basen, door ze specifiek te beschrijven als stoffen die zich in water dissociëren, om respectievelijk hydronium of hydroxide-ionen te leveren.

In 1923 definieerden Johannes Brønsted en Thomas Lowry zuren en basen door hun vermogen om waterstofionen te doneren en te accepteren in verschillende oplosmiddelen, waardoor het concept van zuur-base geconjugeerde paren ontstond.

In hetzelfde jaar stelde Gilbert Lewis een alternatief voor, waarbij zuren en basen werden gedefinieerd door hun vermogen om elektronenparen te doneren en te accepteren, in plaats van protonen. Dit model breidde de toepassing van zuren en basen uit, waarbij rekening werd gehouden met metaalionen en hoofdgroepverbindingen.

Deze video zal het Lewis-zuur-baseconcept illustreren op basis van een trifenylfosfine boraancomplex, de synthese ervan en analyse.

Bij het gebruik van het Lewis-zuur-en basemodel moet de moleculaire structuur worden overwogen om te bepalen of het molecuul een elektronenpaar zal doneren of accepteren.

Begin daarom met de structuuranalyse van trifenylfosfine en boraan met behulp van de VSEPR-theorie, en bepaal vervolgens de Lewis-zuur en base.

Trifenylfosfine heeft drie covalente bindingen tussen het fosforatom en een koolstof in elk van de drie fenylringen. Twee vrije elektronen zijn over als een vrij elektronenpaar om het octet te vullen.

Bovendien is trifenylfosfine sp3-gehybridiseerd op het fosforcentrum en heeft een tetraëdrische elektronische geometrie. Het eenzame elektronenpaar dat in een sp3-orbitaal verblijft, kan aan een ander molecuul worden gedoneerd, waardoor trifenylfosfine als een Lewis-base wordt geclassificeerd.

Aan de andere kant heeft boraan drie covalente bindingen tussen het boor en de drie waterstofatomen. Omdat het boraancentrum slechts zes valentie-elektronen heeft, voldoet het niet aan de octetregel en is het daarom elektronisch gedeficiënt.

De geometrie is trigonaal vlak en de bindingen zijn sp2-gehybridiseerd. Het enkele p-orbitaal is leeg en klaar om elektronen te accepteren, wat boraan classificeert als een Lewis-zuur.

Als trifenylfosfine zijn twee elektronen aan het lege p-orbitaal in boraan geeft, leidt dit tot een verandering van de hybridisatie van sp2 naar sp3 en kan men voorstellen dat er een stabiel Lewis-zuur-base adduuct zal worden gevormd.

Dit type binding tussen een Lewis-zuur en base wordt vaak een coördinatieve covalente of datief binding genoemd, wat wordt aangegeven met een pijl.

Nu je de principes van Lewis-zuren en basen hebt geleerd, laten we onderzoeken of er een stabiel adduuct zal worden gevormd tussen trifenylfosfine en boraan.

Zorg ervoor dat je vertrouwd bent met de Schlenk-lijn en hoe je deze kunt gebruiken voor oplosmiddeloverdracht. Draag geschikte PPE en inspecteer alle glaswerk op sterkraken.

Sluit de drukontlastingsklep, zet de N2 en vacuümpomp aan. Monteer de koudegevangen en vul deze met droogijs/aceton, zodra de minimale druk is bereikt. Op deze manier minimaliseert u het risico van O2-condensatie in de vang, die explosief is in aanwezigheid van organische oplosmiddelen.

Laten we nu beginnen met de synthese door 5,3 g trifenylfosfine toe te voegen aan een 200 mL Schlenk-kolf gelabeld als A. Bereid Schlenk-kolf A voor op de cannulatoepassing van oplosmiddel.

Voeg 20 mL droog en ontgast THF toe aan Schlenk-kolf A met behulp van cannulatoepassing. Roer de oplossing om trifenylfosfine op te lossen. Bereid ondertussen een tweede Schlenk-kolf B met 1,15 g NaBH4 voor voor cannulatoepassing.

Koel beide Schlenk-kolven A en B in een ijsbad. Gebruik de cannule om de inhoud van kolf A over te brengen naar kolf B. Vervang vervolgens het rubberen septum van Schlenk B met een toevoegtrechter, zuiver de trechter, en bevestig hem met een nieuw septum.

Voeg vervolgens 8 mL droog en ontgast THF toe aan de toevoegtrechter via cannulatoepassing. Met het systeem onder N2, verwijder het septum van de toevoegtrechter, voeg 2 mL ijsachtige azijnzuur toe en zet het septum weer op. Voeg nu de THF- en ijsachtige zuurmengsel druppelsgewijs toe aan Schlenk-kolf B, terwijl krachtig geroerd wordt.

Laat de reactie na de toevoeging opwarmen tot kamertemperatuur en roer nog een uur onder N2. Sluit vervolgens de N2-toevoer, verwijder de toevoegtrechter en blus de reactie langzaam met 20 mL H2O.

Voeg vervolgens langzaam een mengsel van azijnzuur in water toe aan de reactie, waardoor neerslag van het product wordt geïnduceerd. Koel de kolf, als er geen neerslag ontstaat.

Filter het product door middel van zuiging door een fritteerde trechter. Was het resulterende vaste materiaal met 20 mL ijskoud water en breng het neerslag over naar een kolf voor drogen.

Bereidt ten slotte een NMR-monster voor van het uitgangsmateriaal en het geïsoleerde product in CDCl3. Verzamel een 31P-NMR voor elk monster.

Laten we nu analyseren hoe het fosfor-signaal van trifenylfosfine wordt beïnvloed bij de coördinatie met boraan in het product met behulp van NMR.

Vrij trifenylfosfine vertoont een signaal bij -5,43 ppm, terwijl het signaal van het boraan-trifenylfosfinecomplex wordt verschoven naar 20,7 ppm. Dit is consistent met de verwijdering van elektronendichtheid van het fosforcentrum, dat ontschild wordt bij de vorming van het Lewis-adduuct.

Deze waarneming versterkt de Lewis-zuur-basetheorie die voorspelt dat boraan, als Lewis-zuur, en trifenylfosfine, als Lewis-base, een stabiel adduuct zullen vormen.

Het Lewis-zuur-basemodel wordt gebruikt om meer inzicht te krijgen in moleculaire kenmerken, wat noodzakelijk is bij het ontwerpen van nieuwe syntheses in de organische en