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固态—氯三(三苯基膦)合铑(Ⅰ)的室温氧化及其机理研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年9月 贵金属 Precious Metals Sep.2002 V01.23.No.3 第23卷第3期 固态一氯三(三苯基膦)合铑(I)的室温氧化 及其机理研究 熊嘉骢(昆明贵金属研究所,中国昆明650221) Study on Oxidation of Sofid RhCI(Ph3P)3 at Room Temperature and Its Mechanism Xiong Jiacong(Kunming Institute of Precious Metals,Kunming 650221,China) Abstract:RhCI(Ph3P)3(namely TrC),a coordination compound of Rh(I)with Ph3P,is a kind of efficient catalyst for organic synthesis.Studying on solid TrC by infrared absorption method and differ— ential thermal analysis shows that Ph3P,as a ligand ofTI'C,Can be oxidized at room temperature in air,leading to changes of the composition and physicochemical properties of TIE.In the oxidation process。it Was not observed that oxygen molecular could coordinate with Rh(I)or transfer in the in— terior of TFC molecules.So the mechanism of solid TrC oxidation at room temperature should be that the ligand Ph3P is oxidized by oxygen directly and then TI'C is changed into coordination compound of Rh(I)with Ph3PO. Keywords:RhC1(Ph3P)3;Oxidation at room temperature;Infrard speecta;Catralysis 摘要:Rh(I)的三苯基膦(P P)配合物RhCl(Ph3P)3(简称TrC)系有机合成的高效催化 剂。对固态TI'C的红外光谱(IR)、热分析(DTA)等研究结果发现,在室温空气中该配合物 的Ph P配位体会发生氧化,导致3TC的组成及各项理化性质发生变化。从氧化的历程中, 并未发现氧分子与Rh(I)配位或氧在1rrC配合物分子内转移,可以认为,其室温氧化机 理是氧直接氧化膦配位体,使TI'C逐步变为三苯基氧化膦(Ph P0)配位的Rh(工)配合物。 关键词:一氯三(三苯基膦)合铑(工);室温氧化;红外光谱;催化 中图分类号:0657.33文献标识码:A文章编号:1004—0676(2002)03—0018—05 Rh(工)的三苯基膦配位化合物TI'C是不饱和烃加氢、异构化、加氢甲酰化、硅氢化等有机合 成反应的高效催化剂_1j。1965年,Bennett等报道了TFC的制备[ ,此后对它的理化性质、催化性 能及反应机理等做了大量研究,发表的论文达几百篇,足见对它的研究是十分活跃的。按上述文 献,该配合物可在低碳数一元醇介质中,由可溶性铑盐与过量 P反应制取,产物通常为紫红色 结晶体;适当改变条件,还能以亚稳态的橙色变形体出现。目前,直接合成TrC的简便方法是以 水合三氯化铑(Ⅲ)(RhC13・nI-I20)与过量的Ph3P的乙醇溶液经加热回流获得[ ,反应如下: RhC13+4Ph3P RhCl(Ph3P)3+Ph3PC12 *收稿日期:2001一l1—27 作者简介:熊嘉骢(1935年~),男,高级工程师,主要从事贵金属配位化学工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 熊嘉骢:固态一氯三(三苯基膦)合铑(I)的室温氧化及其机理研究 19 可是,笔者按文献[31方法制得的紫红色晶体产物(简称RPC)与进口产品(简称Rh一100)的IR 和DTA的谱图不同,熔点及元素分析等也有很大差异,需要作进一步的研究。无疑,这对深入认 识TI'C,以及在TI'C的制备及应用等方面都有着重要的意义。 1 实 验 1.1试剂:水合三氯化铑( 39%Rh,昆明贵金属研究所);三苯基膦(化学纯,上海试剂一厂),使 用前在氮气气氛下,经乙醇和乙醇一苯2次重结晶,熔点80~81℃;氮气>99.99%;其它试剂均 为分析纯。 1.2测试仪器和分析方法:红外光谱仪有:Peking—Elemer 577型、4 000~200cm (KI压片法)和 Et本DS一701G型、4 000~200 em (KBr压片法);日本Rigaku Thermoflex热分析仪;25A型微量熔 点测定仪(日本三田材理研株式会社)。C、H元素定量分析用催化燃烧法,Cl元素定量分析用汞量 法,fu1元素定量分析用氢还原一氯铵钴法。 1.3 RPC的制备:向一份溶有0.52g(1.95mmo1)水合三氯化铑的18ml热乙醇(95%)溶液中加入溶 有3.1g(11.82mmo1)刚重结晶出的三苯基膦的80ml热乙醇溶液,将混合液加热回流2h,生成晶体 产物。乘热将晶体收集在玻砂滤器中,过滤,分别用8ml乙醇洗涤,再用乙醚(每次16m1)洗涤2 次,抽滤干后,室温真空干燥,产物为紫红色结晶体,产率 90%(按Rh计)。乙醇使用前经脱氧, 以上操作均在氮气气氛中进行。 2实验结果及讨论 RPC和Rh一100两种固态物质经元素分析确定,均属Rh—P—C1物种。RPC计算为C54}I45C fu1,与TFC的组成一致,而Rh一100的相同元素的化学计算量却偏低,测试分析结果见表1。 表1 ,C与Rh一100的测试分析结果Tab.1 Determination results of RPC and Rh一100 *制备后及时测定 **文献[3]或计算值。 2种物质在空气中的热化学性质也有明显的差异。在温度<200 ̄12的差热分析(DTA)图谱上(图 1),RPC和Rh一100均有一个与氧化相连系的强放热峰,但峰的位置和最大值不同,Rh一100位于 90~173 ̄12,最大值 139 ̄12;RPC位于90~163 ̄(2,最大值 120 ̄(2,与文献[4]一致。更高温度区 的谱图,RPC与Rh一100相似。 为了判明2种物质的组成和结构,对它们的红外吸收光谱(图2)进行研究。在RPC的谱图中, 3 040(m)(未示出)、1 580(W)、1 563(W)、1 472(Il1)、1 427(s)、1 087(s)、740(s)、695(vs)、540 (Il1)、520(VS)、506(s)和487(s)cm 属于配位Ph3P的吸收谱带[ ,游离Ph P与配位的Ph P是一 致的。远红外区296(w)em 的吸收,属于fu1(I)平面正方形构型的u(fu1一c1)谱带[7l,结合元素分 维普资讯 http://www.cqvip.com 20 贵金属 第23卷 T T 图1 RPC和Rh一100的差热分析(DTA)图谱 Fig.1 11l1e differential thermal analysis(DTA)of RPC and Rh一100 (空气,<200 ̄C;升温速率2.5 ̄C/min) 析结果,可以确定RPC为r丌C。将Rh一 100的谱图与RPC的谱图加以对照,两者 大体相似,尤其位于1 087、740、695、 520、506和487cm 的谱带,不仅频率相 同,而且吸收强度也相近,明显地显示出 Ph3P配位体的特征,表明Rh一100同属 Rh—Ph P配合物。然而与RPC不同的是,} 在Rh一100的谱图中位于1 186、1 118、I 719和540em 处所出现的强吸收谱带,甜 显示出Ph3PO的特征l , ,其中1 186em -74 属Ph PO的u(P=0)的吸收,因其配位而 向低频方向移动,它与游离Ph PO约在 1 192cm 的吸收对应;而位于1 118、719 以及540cm 谱带,则分别归属于Ph PO 的u(P—C)和 (P—C),表明Rh一100中 存在Ph PO;与此相连系,在远红外区 300em 处也出现一条类似RPC的弱谱 带,但位置约在288em‘。,与RPC谱图中 约296em 的谱带相对应,它仍属Rh(I) 物种的Rh—Cl伸缩振动的吸收[7,8],表 明Rh一100同属Rh(I)的平面正方形构 型的配合物。远红外区u(Rh—C1)频率的 差异,正好表明它们是2种不同的膦一铑 1600 1200 800 400 波数(cd ) 图2 RPC和Rh一100的红外光谱图 Fig.2 The IR spectra of RPC and Rh——100 (1600~200era。。,KI压片) (I)配合物。也许由于Ph3PO基团的引人,改变了配位体对u(Rh—C1)的影响,从而导致u(Rh— c1)频率向低频方向移动,由RPC的约296em一 移向Rh一100的约288em‘。。根据红外吸收光谱的结 果,有理由推断Rh一100属于Rh(工)一Ph3P—Ph3PO—Cl的物种。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 熊嘉骢:固态一氯三(三苯基膦)合铑(I)的室温氧化及其机理研究 21 上述推断由下列实验得到证实。在空气中将PRC加热至约120 ̄(2,伴随氧化试样增重,其中 Ph P配位体氧化为Ph3PO。所得红外谱图在1 187、1 1l8、719和540cm 处出现与Rh一100类似的 强吸收谱带,表征Ph3P的谱带1 090、746、520和507cm 减弱或消失。已知rlTC很难溶于溶剂乙 醚,当用乙醚洗涤加热氧化的试样时,被氧化的部份迅速溶解,其渣的红外光谱与RPC一致;同 样用乙醚洗涤Rh一100时,一部份也能被溶解,表征P PO的谱带在残渣中减弱或近于消失。 以上实验充分证明,a_pc属于rlTC,Rh一100不同于rlTC。根据元素分析结果计算,Rh一100 的摩尔比为Rh:C1:Ph P:Ph3PO 1:1:1:2,因此Rh一100可能是平均构成为RhC1(Ph3P)(Ph3PO)!的 混合物。 有关Trc在溶剂中的氧化已有研究[3,9,10J,而对固态TIE的室温氧化却未见具体的研究报道。实验 发现,在室温下RPC会与空气中的氧发生氧化反应,其中r%P配位体能被氧化为Ph PO,生成含Ph3PO 配位体的Rh(工)配合物,其氧化程度随时间的增长而逐渐加深,由不同时间测得的红外光谱的变化(见图 3)可得到证明。随着室温氧化的进行(a b),属于PthPO的特征吸收逐渐增强,而Ph1P的特征吸收则逐 渐减弱或近于消失,a变到d的过程,显示了RPC的氧化过程。当氧化接近C时,其红外谱图与Rh一100 趋于一致;到d时,几乎只显现PthPO的特征吸收,此后则无明显变化。与此同时,RPC的IYFA谱图在 温度区<21300(;的强放热峰的最大值,也向较高温度的方向移动,由 120 ̄(2移至 140 ̄(2,与Rh一100接 近。虽然氧化速度比较慢,可室温氧化在不断进行。 f 萎 波数(cm 9 波数(cm- ) 图3 RPC在室温空气中随时间变化的红外光谱图 Fig.3 The IR spectra of RPC exposed in air at room temperature for different time(in KBr) (1 300~1 000cm 和800~400cm~,KBr压片;a 15d,b 105d,c 145d,d 215d) 由于在氧化前后的红外谱图上,未出现表征配位氧分子的谱带( 850cm一1)[10 ̄12],因此在室温 氧化的历程中,不可能存在与铑配位的氧分子。由此可以推断,其氧化的机理并非空气中的氧先与 RPC配位,再经该配合物分子内部的转移去氧化Ph3P,而是直接氧化膦配位体,随时间的延长, 配位的Ph3P被逐一氧化为Ph3PO,使RPC fl ̄Pm(工)一Ph3P—C1配合物氧化为Rh(I)一Ph3P—Ph3PO 维普资讯 http://www.cqvip.com 贵金属 第23卷 一Cl配合物,最终转变为Rh(I)一Ph3P0一Cl配合物,反应可表示为: RhC1(Ph3P)3+ n02-- ̄RhC1(Ph3P)3一 (Ph3PO) 式中:n=1、2、3(随曝露于空气中的时间而变化)。 室温氧化的结果导致RPC的元素组成、m、DTA、熔点、溶解度、外观颜色以及催化活性等一 系列化学和物理性质的变化,生成一种不同于Trc的铑(I)一膦配合物,这不仅为RPC与Rh一100 之间的差异作出解释,而且也为Trc一类的三取代有机膦配位体的室温氧化提供了论据。对Rh一 100样品而言,虽然不清楚它的经历,但就成因来看,很难排出室温氧化的可能性。为避免因保存 或使用不慎而引起固态TFC变质,宜将该类铑膦配合物与氧气气氛隔绝。 3 结 论 固态Trc室温氧化,膦配位体Ph3P被氧化为Ph3PO,并导致该配合物的组成及各项理化性质 变化,但氧化的历程中未发生氧分子与Rh(I)配位或在TFC配合物分子内部转移。因此可以认 为,其氧化机制是氧直接氧化膦配位体,并随时间延长,氧化程度加深,生成Ph3P0配位的铑(I) 配合物。 参考文献 [1]James B R.Homogeneous Hydrogenation[M].Wiley—lnterscience,1993. 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