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钨(VI)和钨(V)氟化物与N-杂环卡宾及环状(烷基)(氨基)卡宾的相遇:一段愉快的旅程

期刊:angewandte chemie international editionDOI:10.1002/anie.202504498

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创研究的学术论文。以下是针对该研究的学术报告:


主要作者及研究机构
本研究由Udo Radius、Melanie Rathmann、Leonhard Eyßelein、Ivo Krummenacher、Rüdiger Bertermann、Holger Braunschweig、Michael Gerken和Maik Finze共同完成。研究团队主要来自德国维尔茨堡大学(Julius-Maximilians-Universität Würzburg)的无机化学研究所,部分作者还隶属于维尔茨堡大学的可持续化学与硼催化研究所(Institute for Sustainable Chemistry & Catalysis with Boron)。此外,Michael Gerken来自加拿大莱斯布里奇大学(University of Lethbridge)的先进氟技术研究中心。该研究发表于《Angewandte Chemie International Edition》期刊,预计于2025年正式出版,目前已作为“接受文章”在线发布。

学术背景
本研究聚焦于高氧化态钨(VI)和钨(V)氟化物与N-杂环卡宾(N-Heterocyclic Carbenes, NHCs)及环状(烷基)(氨基)卡宾(Cyclic (alkyl)(amino)carbenes, CAACs)的配位化学。钨(VI)氟化物(WF6)是一种高电负性的过渡金属氟化物,广泛应用于半导体行业的前驱体材料。然而,尽管已知WF6能与氮基配体形成配合物,但其与软碳基配体(如NHCs和CAACs)的反应性尚未得到充分研究。本研究旨在探索这些软碳基配体是否能够稳定高氧化态的钨氟化物,并进一步研究其还原反应,以扩展钨氟化物的化学范围。

研究流程
研究主要分为以下几个步骤:
1. 钨(VI)氟化物配合物的合成与表征
研究团队将不同NHCs和CAACs与气态WF6在正己烷中反应,成功合成了六种钨(VI)氟化物配合物,分别为[(NHC)WF6](NHC = IiPrMe, 1; BiPr, 2; IMes, 3; IPr, 4; SiPr, 5)和[(CAACMe)WF6](6)。这些配合物通过核磁共振(NMR)、红外光谱(IR)、拉曼光谱、元素分析和单晶X射线衍射(SC-XRD)进行表征。SC-XRD分析表明,配合物2和3呈现扭曲的单帽三角棱柱几何结构,而配合物6则采用五角双锥几何结构。

  1. 钨(V)氟化物配合物的合成与表征
    通过使用非金属还原剂TMS-PyrMe-TMS,研究团队将钨(VI)配合物1-6还原为钨(V)氟化物配合物[(NHC)WF5](NHC = IiPrMe, 7; BiPr, 8; IMes, 9; IPr, 10; SiPr, 11)。配合物7-11通过NMR、IR、拉曼光谱和元素分析进行表征。SC-XRD分析显示,这些配合物呈现接近八面体的几何结构。此外,配合物6的还原反应通过更强的还原剂TMS-Pyr-TMS进行,成功合成了二聚体[(CAACMe)WF5]2(12),并通过SC-XRD验证其结构。随后,研究团队将配合物12与第二当量的CAACMe反应,合成了单核双卡宾配合物[(CAACMe)2WF5](13)。

  2. 磁性及电子顺磁共振(EPR)研究
    研究团队通过磁化率测量和EPR光谱研究了配合物12和13的磁性行为。结果表明,这两种配合物均表现出以金属为中心的d1自由基特性。EPR光谱进一步支持了这些配合物的单电子性质。

主要结果
1. 钨(VI)配合物的合成与结构
研究成功合成了六种钨(VI)氟化物配合物,并通过SC-XRD揭示了其几何结构。配合物2和3的扭曲单帽三角棱柱结构以及配合物6的五角双锥结构为高氧化态钨氟化物的配位化学提供了新的见解。

  1. 钨(V)配合物的合成与结构
    通过还原反应,研究团队合成了五种钨(V)氟化物配合物7-11,并揭示了其接近八面体的几何结构。此外,配合物12和13的合成进一步扩展了钨(V)氟化物的化学范围,特别是配合物13的单核双卡宾结构为高氧化态钨配合物的设计提供了新的思路。

  2. 磁性及EPR研究
    配合物12和13的磁性及EPR研究表明,这些配合物具有以金属为中心的d1自由基特性。这一发现为理解高氧化态过渡金属配合物的电子结构提供了重要依据。

结论与意义
本研究首次报道了钨(VI)和钨(V)氟化物与NHCs及CAACs的配位化学,成功合成了多种高氧化态钨氟化物配合物,并揭示了其几何结构和电子特性。这些发现不仅扩展了钨氟化物的化学范围,还为高氧化态过渡金属配合物的设计提供了新的思路。此外,研究还展示了NHCs和CAACs在稳定高氧化态金属氟化物中的潜力,为相关领域的进一步研究奠定了基础。

研究亮点
1. 首次报道了钨(VI)和钨(V)氟化物与NHCs及CAACs的配位化学,填补了该领域的研究空白。
2. 通过SC-XRD揭示了多种高氧化态钨氟化物配合物的几何结构,特别是配合物6的五角双锥结构为首次发现。
3. 成功合成了多种钨(V)氟化物配合物,并通过磁性及EPR研究揭示了其电子特性。
4. 展示了NHCs和CAACs在稳定高氧化态金属氟化物中的潜力,为相关领域的研究提供了新的方向。

其他有价值的内容
研究团队还通过密度泛函理论(DFT)计算对配合物的几何结构和电子特性进行了理论分析,进一步支持了实验结果。此外,研究还探讨了配合物中氟化物配体的动态交换行为,为理解高氧化态金属配合物的配位动力学提供了新的视角。


这篇报告详细介绍了该研究的背景、流程、结果及其科学意义,希望能够为相关领域的研究者提供有价值的参考。

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