Overview
Fuente: Tamara M. Powers, Departamento de química, Texas A & M University
Uno de los objetivos de la química es utilizar modelos que representan tendencias y proporcionan conocimientos sobre las propiedades de los reactivos que contribuyen a la reactividad. Sustancias se han clasificado como ácidos y bases desde la época de los griegos, pero la definición de ácidos y bases ha sido modificada y ampliado sobre los años. 1
Los antiguos griegos caracterizar sustancias por gusto y definición los ácidos como aquellos que eran de sabor amargo, tales como jugo de limón y vinagre. El término "ácido" se deriva del término latino para el "sabor amargo." Bases se caracterizaron por su capacidad para contrarrestar o neutralizar los ácidos. Las primeras bases caracterizadas fueron las de las cenizas de un fuego, que se mezclaron con las grasas para hacer jabón. De hecho, el término "alcalino" se deriva de la palabra árabe para "asar". De hecho, se ha sabido desde épocas antiguas ácidos y bases pueden combinarse para dar una sal y agua.
La primera descripción ampliamente utilizado de un ácido es el químico sueco, Svante Arrhenius, quien en 1894 ácidos definidos como sustancias que se disocian en agua para dar iones hidronio y las bases como sustancias que se disocian en agua para dar iones del hidróxido. Esta definición es limitada a los ácidos acuosos y exige que un ácido contribuyen un protón. 2 por ejemplo, en agua, HCl es un ácido se disocia para dar el ion hidronio (H3O)+ y el ion cloruro. Tricloruro de boro no se consideraría un ácido, como en agua que hidroliza para dar B(OH)3 y HCl 3; el producto ácido clorhídrico es un ácido de Arrhenius.
En 1923, Johannes Nicolaus Brønsted y Martin Lowry independientemente definición ácidos y bases en su capacidad para donar y aceptar iones hidrógeno o protones. Así vino el concepto de pares conjugados ácido-base y la ampliación de la definición de ácidos y bases en solventes distintos del agua. Por ejemplo, el amonio es un ácido, ya que puede donar un protón y generan amoníaco. Amoníaco puede aceptar un protón para dar amonio. Por lo tanto, el amoníaco es la base conjugada del amonio. Puede ocurrir esta reacción acido-base en agua, amoníaco u otros solventes.
Este video trata sobre la definición de acido-base del químico americano, Gilbert N. Lewis, que también define ácidos y bases en 1923. De hecho, este es el mismo Lewis de las estructuras de Lewis dot en Química General. Su enfoque se centra no en la capacidad de ácidos y bases para donar y aceptar protones, sino en su capacidad para aceptar y donar pares de electrones, respectivamente. Esto incluye la definición de Brønsted-Lowry, como H+ acepta un par de electrones de una base de Brønsted protonación. Sin embargo, expande considerablemente la definición de un ácido, ya que los iones metálicos y compuestos del grupo principal. Aquí comparamos 31P NMR del Lewis ácido-base aducto Ph3P BH3 trifenilfosfina gratis.
Principles
Tener en cuenta la vinculación entre trifenilfosfina y borane. Primero consideraremos ambas moléculas como ven antes que forman un aducto de Lewis.
Recordar las estructuras de puntos de Lewis y valence shell electron-pair repulsión (VSEPR) teoría de química general. La estructura de puntos de Lewis de trifenilfosfina se muestra en la figura 1. Hay tres enlaces covalentes entre el átomo de fósforo y uno de los átomos de carbono en cada uno de los tres anillos de fenilo. Dos electrones (un único par) residen en el átomo de fósforo para completar el octeto. El centro de fósforo es sp3 cruzado por hibridación y tiene una geometría electrónica tetraédrica, con el único par de electrones que residen en un sp3 orbitales. Trifenilfosfina tiene un único par que puede ser donado a otra molécula y por lo tanto se clasifica como una base de Lewis.
Figura 1. Estructura de puntos de Lewis de trifenilfosfina.
La estructura de puntos de Lewis de borano se muestra en la figura 2. Hay tres enlaces covalentes entre el átomo de boro y los átomos de hidrógeno. En este caso, el centro de boro sólo tiene seis electrones de Valencia y por lo tanto no sigue la regla de 8 e– . Borano es planar y sp2 cruzado por hibridación, con los orbitarios de2 sp formando lazos a los átomos de hidrógeno y el lone p orbital vacío. Borano es así un ácido de Lewis.
Figura 2. Estructura de puntos de Lewis de borano.
Puesto que el fósforo en trifenilfosfina tiene un orbital lleno y el boro borano tiene un orbital vacío, un aducto ácido-base de Lewis se pueden formar, con la trifenilfosfina donando sus dos electrones al boro. En aducción la formación, el centro de boro se convierte en sp3 cruzado por hibridación (ecuación 1).
(1)
Ecuación 1 se muestra la idea de la acidez de Lewis, con ácidos de Lewis aceptando pares solitarios de electrones, y bases de Lewis donantes pares de electrones. A veces, ácidos de Lewis se conocen como electrophiles y bases de Lewis como nucleófilos. Vínculos entre ácidos de Lewis y bases se llaman a menudo coordinadas enlaces covalentes o dativo y a veces se señalan con flechas en lugar de líneas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. configuración de la línea de Schlenk para la síntesis del complejo borano trifenilfosfina
Nota: Para un procedimiento más detallado, por favor revisar el video "Schlenk líneas transferencia de disolvente" de la serie de fundamentos de química orgánica ). Seguridad de línea de Schlenk debe revisarse antes de realizar este experimento. Vidrio debe ser inspeccionado para estrellas grietas antes de usar. Debe tenerse cuidado para asegurar que el O2 no se condensa en la trampa de la línea de Schlenk si utiliza líquido N2. Temperaturas líquido N2 , O2 se condensa y es explosivo en presencia de solventes orgánicos. Si se sospecha que ha sido condensado O2 o un líquido de color azul se observa en la trampa de frío, deje que la trampa fría bajo vacío dinámico. No retire el líquido N2 purgador o apagar la bomba de vacío. Con el tiempo, se evaporará el líquido O2 a la bomba; sólo es seguro remover la trampa de2 N líquida una vez que se haya evaporado todo el O2 .
- Cierre la válvula de liberación de presión.
- Encienda el gas de N2 y la bomba de vacío.
- Como el Schlenk línea vacío alcanza su presión mínima, preparar la trampa de frío con hielo seco/acetona o líquido N2 .
- Montar la trampa de frío.
2. síntesis de borano trifenilfosfina complejo3
- Añadir a un matraz Schlenk de 250 mL A g 5,3 (20,3 mmol) de trifenilfosfina y preparar el matraz Schlenk para la transferencia de la cánula de solvente.
- Añadir 20 mL de THF seco/desgasificado al matraz Schlenk A través de transferencia de la cánula. Agitar la solución para disolver la trifenilfosfina.
- Preparar un segundo matraz Schlenk (B) conteniendo 1,15 g (30,5 mmol) NaBH4 para la transferencia de la cánula.
- Fresco tanto Schlenk matraz A y B en un baño de hielo.
- Cánula de transferir el contenido del matraz Schlenk A matraz Schlenk B.
- Con presión positiva en N2 , vuelva a colocar la membrana de goma en matraz Schlenk B con un embudo de adición con una membrana de goma.
- En el embudo de adición, agregar 8 mL de THF seco/desgasificado por transferencia de la cánula.
- Con presión positiva en N2 , quitar el tabique de la parte superior del embudo y agregar 2 mL de ácido acético glacial en el embudo de adición.
- Mantener Schlenk B matraz en un baño de hielo, agregar el THF/glacial ácido acético gota a gota durante 30 minutos. Durante la adición, puede ocurrir formación de espuma. Asegúrese de que la reacción es revolviendo vigorosamente para minimizar esto.
- Después de la adición, deje que la reacción a temperatura ambiente y mezclar durante una hora adicional.
- Quite el embudo y añada lentamente 20 mL de agua.
- Preparar una solución de 2 mL de ácido acético glacial en 25 mL de agua. Lentamente, añada esta mezcla a la reacción.
- Si los cristales no se forman espontáneamente, enfriar la reacción en un baño de hielo para promover la cristalización.
- Filtrar el producto por aspiración a través de un embudo de sinterizado. Lave el resultado sólido con 20 mL de agua 3 veces.
- Permita que el producto a secar en la campana antes de preparar la muestra para el análisis de NMR.
3. 31P análisis de NMR del complejo de trifenilfosfina borano
- Preparar una muestra de NMR de la trifenilfosfina y borane trifenilfosfina en CDCl3.
- Recoger un 31NMR P de cada muestra (referenciada al ácido fosfórico) y observar cómo la señal fósforo de trifenilfosfina cambia a coordinación al borano.
En química, ácido-base modelos sirven para explicar tendencias de reactividad y características de reactivos, que es importante al diseñar una síntesis.
En 1894, Svante Arrhenius fue pionero en el concepto de ácidos y bases, describiendo específicamente como sustancias que se disocian en agua, para rendimiento de hidronio o hidróxido iones, respectivamente.
En 1923, Johannes Brønsted y Thomas Lowry definen ácidos y bases por su capacidad para donar y aceptar iones de hidrógeno en diferentes solventes, creando el concepto de pares conjugados ácido-base.
En el mismo año Gilbert Lewis propuso una alternativa, definición de ácidos y bases por su capacidad para donar y aceptar pares de electrones, en lugar de protones. Este modelo amplió la aplicación de ácidos y bases, teniendo en cuenta iones metálicos y compuestos del grupo principal.
Este video ilustra el concepto de la ácido-base de Lewis sobre la base de un complejo borano de trifenilfosfina, su síntesis y análisis.
Cuando se utiliza el ácido de Lewis- y modelo Base, la estructura molecular debe ser considerado para determinar si la molécula va donar o aceptar un par de electrones.
Por lo tanto, comenzar con el análisis de la estructura de la trifenilfosfina y borane utilizando la teoría VSEPR y luego determine el Lewis ácido y base.
Trifenilfosfina tiene tres enlaces covalentes entre el átomo de fósforo y carbono en cada uno de los tres anillos de fenilo. Dos electrones libres se quedan como un par libre de electrones para completar el octeto.
Además, trifenilfosfina es sp3 hibridadas en el centro del fósforo y tiene una geometría electrónica tetraédrica. El único par de electrones que residen en un sp3 orbitales puede ser donado a otra molécula, clasificar trifenilfosfina como una base de Lewis.
Por otro lado, borano tiene tres enlaces covalentes entre el boro y los tres átomos de hidrógeno. Desde el centro de borano tiene sólo seis electrones de Valencia no satisface la regla del octeto y por lo tanto deficientes en electrones.
La geometría es trigonal plana y los bonos son sp2 cruzado por hibridación. El solitario p orbital es vacía y alistan para aceptar electrones, que clasifica borano como un ácido de Lewis.
Si trifenilfosfina dona sus dos electrones al vacío p orbitales en borano, conduce a un cambio de la hibridación sp2 sp3 y se puede proponer que un establo aducto ácido-base de Lewis que forma.
Este tipo de enlace entre un ácido de Lewis y una base se denomina una coordinativa covalente y un enlace dativo, que se indica mediante una flecha.
Ahora que has aprendido los principios de ácidos de Lewis- y las bases, vamos a investigar si se forma un aducto estable entre trifenilfosfina y borane.
Antes de empezar, asegúrese de que está familiarizado con la línea de Schlenk y cómo usarlo para la transferencia de solvente. Use PPE apropiado e inspeccione toda la cristalería para ver estrellas.
Cerrar la válvula de liberación de presión, encender la N2 y la bomba de vacío. Montar la trampa fría y rellene con hielo seco/acetona, una vez que se alcanza la presión mínima.
Ahora, vamos a empezar la síntesis mediante la adición de 5,3 g de trifenilfosfina en un matraz Schlenk de 200 mL etiquetado como matraz Schlenk preparar de A. A para la transferencia de la cánula de solvente.
Añadir 20 mL de THF seco y desgasificada a matraz Schlenk A con la cánula de transferencia. Agitar la solución para disolver la trifenilfosfina. Mientras tanto, preparar un segundo matraz Schlenk B que contenga 1,15 g de NaBH4 para la transferencia de la cánula.
Enfriar ambos matraces de Schlenk A y B en un baño de hielo. Utilizando la cánula, transfiera el contenido del matraz A matraz B. A continuación, reemplazar la membrana de goma de Schlenk B con un embudo de adición, purgar el embudo y ajuste con un tabique nuevo.
A continuación, añada 8 mL de THF seco y desgasificada en el embudo de adición vía transferencia de la cánula. Con el sistema N2, quitar el tabique desde el embudo de adición, añadir 2 mL de ácido acético glacial y vuelva a colocar el tabique. Ahora, agregue la mezcla de ácido glacial y THF gota sabio matraz Schlenk B, agitando vigorosamente.
Después de la adición, deje que la reacción a calentar a temperatura ambiente y remover durante una hora adicional bajo N2. Continuación, cierre el suministro de N2 , quitar el embudo de adición y calmar la reacción lentamente con 20 mL de H2O.
A continuación, agregue una mezcla de ácido acético en el agua lentamente a la reacción, inducir la precipitación del producto. Enfriar el matraz si ninguna forma precipitada.
Filtrar el producto por aspiración a través de un embudo de sinterizado. Lavar el resultado sólido con 20 mL de agua helada y transferir el precipitado a un matraz para secar.
Por último, preparar una muestra de NMR de la materia prima y el producto aislado en CDCl3. Recoger un 31P RMN para cada muestra.
Ahora vamos a analizar cómo la señal fósforo de trifenilfosfina es afectada a la coordinación de borano en el producto mediante la RMN.
Trifenilfosfina gratis muestra como señal en-5,430 ppm, mientras que la señal de la trifenilfosfina borano complejo se desplaza downfield a 20,7 ppm. Esto es consistente con la eliminación del electrón densidad del centro de fósforo, que es deshielded sobre Lewis aducción formación.
Esta observación refuerza la teoría ácido-base de Lewis predecir eso borane, como un ácido de Lewis, y trifenilfosfina, como una base de Lewis, forma un aducto estable.
El modelo ácido-base de Lewis se utiliza para profundizar más en las características moleculares, que es necesario el diseño de nuevas síntesis en química orgánica e inorgánica para moléculas incluyendo metales de transición.
Históricamente, los iones de metales de transición se han mirado como ácidos de Lewis, sin embargo, también pueden servir como bases de Lewis. Por ejemplo, complejos de metal-borano pueden participar en importantes transformaciones como la hidrogenación de olefinas y la fijación de nitrógeno.
Hidrogenación de olefinas se puede realizar utilizando un catalizador nuevo basado en una especie de borano de níquel. Esta especie separa el enlace H-H heterolytically y reversible agrega el H2 a la olefina transformando a un alcano.
Además, un catalizador homogéneo complejo borano hierro catalítico puede reducir nitrógeno al amoníaco, que es una reacción crítica en la industria química.
Frustrado de Lewis de pares, o en FLP, es aductos ácido-base de Lewis, que no pueden formar un enlace dativo, debido al impedimento estérico.
La reactividad de pares frustrados de Lewis ha encontrado aplicación en el desarrollo de nuevos catalizadores de hidrogenación. Por ejemplo, fue demostrado que un complejo zwitteriónico, que se basa en los elementos del grupo principal, reversible pierde H2 para dar a este producto. Este estudio fue pionero en el desarrollo de la investigación FLP.
Sólo ha visto la introducción de Zeus a la teoría ácido-base de Lewis. Ahora debe comprender la definición de Lewis ácidos y bases, cómo sintetizar un complejo ácido-base de Lewis, y donde se aplican estos tipos de complejos. ¡Gracias por ver!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
Borano trifenilfosfina complejo:
31 RMN de P (cloroformo -d, 500 MHz, δ, ppm): 20.7 (doblete amplia)
Trifenilfosfina:
31 RMN de P (cloroformo -d, 500 MHz, δ, ppm):-5.43
La señal de RMN P 31de la trifenilfosfina borano complejo es downfield en relación con trifenilfosfina gratis. Esto es consistente con el retiro del electrón densidad del centro de fósforo, que es deshielded en aducción formación.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
El borano trifenilfosfina complejo es un ejemplo de un Lewis-aducción, por el que una base de Lewis dona electrones a un ácido de Lewis. Aunque BH3 y PPh3 no necesariamente se consideraría un ácido y base, respectivamente, con otras teorías de ácido-base, Teoría ácido-base de Lewis predice correctamente que las moléculas forman un aducto estable.
Activación de la molécula pequeña:
Mientras que los iones de metales de transición se han considerado históricamente como ácidos de Lewis, la idea de que pueden servir como bases de Lewis es ser avanzada. Por ejemplo, Jonas Peters y sus colaboradores en Caltech han demostrado que los complejos de metal-borane, que pueden donar electrones al borano ácido de Lewis (un ligando de tipo Z), pueden dar lugar a reactividad novela. Una especie de borano níquel mostró reversible agregar H2, heterolytically hiende el enlace H-H. 4 el H2-agregó es un catalizador para hidrogenaciones de olefinas. El grupo también informó de que complejos de hierro-borano catalítico pueden reducir nitrógeno a amoniaco. 5 este fue el primer ejemplo de un base de hierro catalizador homogéneo para esta reacción desafiante y crítico.
Pares de Lewis frustrado:
Otra área de investigación actual es la de "Frustrado Lewis pares", o en FLP. Se trata de Lewis ácido-base "aductos" que debido a razones estérico, no pueden formar un enlace dativo. 6 Douglas Stephan y sus colaboradores de la Universidad de Toronto reflexionó qué reactividad tales aductos tendría, particularmente con la idea de usarlos para la catálisis y la activación de la molécula pequeña. Pensando en complejos de metales de transición, que pueden aceptar y donar densidad del electrón a y de los substratos, la hipótesis de donador/aceptor propiedades de lo que denomina "Frustrado Lewis pares" podrían tener con respecto a la reactividad.
En 2006, Stephan y sus colaboradores registrados en la ciencia que la zwitteriónico (C6H2Me3)2PH (C6F4) BH (C6F5)2 reversible pierde H2 darle (C6H2Me3)2P (C6F4) B (C6F5)2. 7 esto era el primer ejemplo de la activación de2 H reversible con los elementos del grupo principal, y otros ejemplos siguieron (figura 3). Este estudio preparó el camino para el desarrollo de la investigación FLP. Desde entonces, se han desarrollado FLP que son catalizadores de hidrogenación competente y puede activar una variedad de pequeñas moléculas como el CO2. Se trata de una nueva área de activa y emocionante de la investigación.
Figura 3. Los ejemplos tempranos de reactividad de FLP con H2. Adaptado de referencia 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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.
