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Silane Hot Paper
Isolierbare Silicium-basierte Polykationen mit Lewis-Superaciditt
Andr Hermannsdorfer und Matthias Driess*
Professor Helmut Schwarz gewidmet
Abstract: Molekulare Silicium-Polykationen des Typs R2Si2+
und RSi3+(R=H, organische Gruppe) sind Lewis-Supersu-
ren und bisher in kondensierter Phase unbekannt. Wir berich-
ten ber die Synthese einer Reihe isolierbarer Terpyridinkom-
plexe von R2Si2+und RSi3+,[R
2Si(terpy)]2+(R=Ph 12+;R
2=
C12H822+, (CH2)332+) und [RSi(terpy)]3+(R=Ph 43+,C
6H11
53+, m-Xylyl 63+) in Form ihrer Triflat-Salze. Die Stabilisie-
rung dieser Spezies wird durch hçhere Koordination erreicht,
was aber niedrigere Fluoridionenaffinitten (FIA) zur Folge
hat. Trotzdem bleibt ein signifikantes Maß an Lewis-Super-
aciditt erhalten, wie durch Berechnungen und Experimente
besttigt wird. Die Komplexe aktivieren C(sp3)-F-Bindungen,
was anhand der Fluoridabstraktion von 1-Fluoradamantan
(AdF) und der katalytischen Hydrodefluorierung von AdF
demonstriert wird. Weiterhin veranschaulicht die Bildung der
kristallinen Addukte [2(F)]+und [5(H)]2+die hohe Reaktivitt
gegenber Fluorid- und Hydriddonoren.
Hauptgruppenelement-Lewis-Suren haben in den letzten
zwei Dekaden großes Forschungsinteresse erfahren, wobei
das neu entstandene Konzept der frustrierten Lewis-Paare
deutlich zu dieser Entwicklung beigetragen hat.[1–3] Die Suche
nach geeigneten Lewis-Suren (LA) fokussiert sich oft auf
Lewis-Supersuren (LSA), welche laut Krossing definiert
sind als “molekulare LA, die in der Gasphase strker Lewis-
sauer sind als monomeres SbF5”.[4] Jngste Berichte ber
Lewis-supersaure perhalogenierte Bis(catecholat)germane[5]
und -silane[6] verdeutlichen das Potential molekularer Haupt-
gruppenelement-LA. Dabei sind Silicium-basierte LA auf-
grund der großen Hufigkeit und geringen Toxizitt dieses
Elements besonders attraktiv. In diesem Kontext sind Silyli-
umionen, R3Si+, bereits als Katalysatoren in der organischen
Synthese etabliert[7,8] und wegen ihrer hohen Fluoridionen-
affinitten (FIA) als LSA einzuordnen.[3,9] Erwartungsgemß
stellen SiIV-Dikationen des Typs R2Si2+strkere LA dar
(FIA(SiF22+)=2167 kJmol1),[10] aber solche Spezies sind
bisher in kondensierter Phase unbekannt. Lediglich SiH22+
und SiF22+wurden in massenspektrometischen Untersuchun-
gen beobachtet.[11] Ein gesicherter experimenteller Nachweis
fr RSi3+-Spezies steht noch aus, wobei die Potentialkurve
von SiH3+laut Berechnungen repulsiv ist.[12] Um solche
Gasphasenmolekle in kondensierter Phase zugnglich zu
machen, mssen diese zustzlich stabilisiert werden. Die
Komplexbildung mit neutralen Lewis-Basen stellt dabei einen
vielversprechenden Ansatz zur Bildung isolierbarer Si-ba-
sierter Polykationen dar (Abbildung 1). Allerdings geht die
erhçhte Stabilitt auf Kosten von erniedrigter Elektrophilie
und Lewis-Aciditt. Dementsprechend sind zahlreiche di-
und tetrakationische Silicium-Komplexe mit hexakoordinier-
ten SiIV-Atomen sogar wasserstabil.[13]
Wir zeigen hier, dass Lewis-supersaure Eigenschaften von
siliciumbasierten Polykationen bei der Stabilisierung durch
einen Terpyridinliganden (terpy) und in Gegenwart von
Triflat-Gegenionen (CF3SO3=OTf) erhalten bleiben. Be-
rechnungen (FIA >SbF5) und Experimente (Fluoridabstrak-
tion von SbF6) besttigen die Lewis-Superaciditt, und
Reaktivittsuntersuchungen verdeutlichen, dass die Polyka-
tionen zu den strksten bisher bekannten siliciumbasierten
LA gehçren.
Die Lewis-Aciditt der Dikationen R2Si2+und ihrer
Komplexe [R2Si(terpy)]2+wurde durch Berechnung isodes-
mischer FIA mithilfe des TMS-Referenzsystems[14] quantifi-
ziert (Tabelle 1, fr Einzelheiten siehe Hintergrundinforma-
tionen (SI)). Wie erwartet sind dikationische R2Si2+(FIA
>1450 kJmol1) strkere LA als R3Si+(700–
950 kJmol1).[3,15] Zwar fhrt die Koordination des terpy-
Liganden in [R2Si(terpy)]2+zu um 35–40% niedrigeren FIA
Abbildung 1. Bisher untersuchte Si-basierte Monokationen und Polyka-
tionen (L=Terpyridin; diese Arbeit) mit Fluoridionenaffinitten (FIA
[kJmol1]).
[*] M. Sc. A. Hermannsdorfer, Prof. Dr. M. Driess
Institut fr Chemie, Metallorganische Chemie und anorganische
Materialien, Technische Universitt Berlin
Straße des 17. Juni 115, Sekr. C2, 10623 Berlin (Deutschland)
E-Mail: matthias.[email protected]
Hintergrundinformationen und die Identifikationsnummer (ORCID)
eines Autors sind unter: https://doi.org/10.1002/ange.202011696 zu
finden.
2020 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH GmbH. Dieser
Open Access Beitrag steht unter den Bedingungen der Creative
Commons Attribution Non-Commercial NoDerivs License, die eine
Nutzung und Verbreitung in allen Medien gestattet, sofern der
ursprngliche Beitrag ordnungsgemß zitiert und nicht fr kom-
merzielle Zwecke genutzt wird und keine nderungen und Anpas-
sungen vorgenommen werden.
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Zitierweise:
Internationale Ausgabe: doi.org/10.1002/anie.202011696
Deutsche Ausgabe: doi.org/10.1002/ange.202011696
1Angew. Chem. 2020,132, 1 6 2020 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH GmbH
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im Vergleich zu den “freien” R2Si2+, jedoch liegen diese
Werte immer noch deutlich ber den vom SbF5vorgegebenen
Grenzwert von 500 kJmol1. Da FIA von Kationen in der
Gasphase oft große Beitrge von Ladungsneutralisation und
elektrostatischer Anziehung enthalten, wurde eine Abscht-
zung der Solvatationskorrektur in CH2Cl2mithilfe von C-
PCM[16] durchgefhrt.[3,17] Daraus resultiert eine ausgeprgte
Abschwchung der FIAsolv von R2Si2+und [R2Si(terpy)]2+.
Die verringerte positive Teilladung um die Si-Zentren in den
terpy-ligierten R2Si2+-Einheiten lsst sich durch die Darstel-
lung der elektrostatischen Potentiale auf einer bei
0.025eBohr3begrenzten Isoelektronendichte-Oberflche
visualisieren (Abbildung 2). Blaue Bereiche stellen Regionen
der Ionenoberflche mit hohem Potential (hohe positive
Teilladung) dar, wohingegen die Delokalisierung der positi-
ven Ladungen in [R2Si(terpy)]2+zu Bereichen mit niedrige-
rem Potential (rote Farbgebung=geringere positive Teilla-
dung) fhrt. Dieser Effekt ist besonders ausgeprgt um die
Siliciumzentren.
Im Gegensatz zur Synthese des Phosphordikations [PhP-
(terpy)]2+aus PhPCl2[18] schlugen Versuche fehl, entsprechen-
de Silicium-Komplexe aus Dichlorsilanen darzustellen. Al-
lerdings wurden die stabilen Komplexsalze 1[OTf]2,2[OTf]2
und 3[OTf]2durch die Reaktion der Silylditriflate R2Si(OTf)2
(R2=Ph2, (CH2)3,C
12H8) mit terpy in 73 bis 93% Ausbeute
erhalten (Schema 1) und vollstndig charakterisiert. In den
Festkçrperstrukturen sind die Si-Zentren penta- (12+) bzw.
hexakoordiniert (22+und 32+, Abbildung 3), aber 1H-, 13C- und
19F-NMR-Spektren lassen erkennen, dass die Si-OTf-Wech-
selwirkungen in Lçsungen labil sind.
Die Lewis-Superaciditt von 1[OTf]2,2[OTf]2, und 3-
[OTf]2wurde durch Reaktionen mit [PPh4][SbF6]inCD
3CN
besttigt. In allen Fllen wurde durch 19F-NMR-Spektrosko-
pie die Fluoridabstraktion von SbF6und Bildung von “SiF”-
Spezies beobachtet (Abbildung 4). Kation 12+reagierte dabei
zu Ph2SiF2(d19F142.9 ppm, 1JSiF =291 Hz),[19] whrend die
Produkte der Reaktionen mit 22+und 32+nicht eindeutig
identifiziert werden konnten. Um Ligandenaustausch- und
andere Nebenreaktionen zu vermeiden wurde 1-Fluoradam-
antan (AdF) als F-Quelle eingesetzt. Außerdem ist die
C(sp3)F-Bindungsaktivierung ein fundamentaler Schritt bei
katalytischen Hydrodefluorierungen (HDF) und Silyliumio-
nen abstrahieren nachweislich Fvon Fluoralkanen.[2,7,20] 19F-
NMR-Spektren der Reaktionen von 12+,22+und 32+mit AdF
zeigten die vollstndige Umsetzung von AdF in weniger als
1 h. hnlich zu den Ergebnissen mit SbF6wurde dabei mit
12+die Bildung von Ph2SiF2beobachtet. Mit 22+bildete sich
ausschließlich das Addukt [2(F)]+(d29Si 135.9 ppm, d19F
112.5 ppm, 1JSiF =224 Hz), welches in einer Ausbeute von
42% isoliert wurde und ein hexakoordinertes Siliciumzen-
trum enthlt (Abbildung 4). Dieselbe Spezies wurde auch im
Reaktionsgemisch von 2[OTf]2und [PPh4][SbF6] detektiert.
Mit 3[OTf]2und AdF wurde ein komplexes Produktgemisch
Tabelle 1: Berechnete Fluoridionenaffinitten (FIA) und solvatations-
korrigierte FIAsolv der Kationen R2Si2+und ihrer Terpyridinkomplexe in
kJmol1.
Ph2Si2+12+(C12H8)Si2+22+(CH2)3Si2+32+
FIA[a] 1459 934 1541 982 1622 1000
FIAsolv[b] 673 263 767 306 691 296
[a] B3LYP-D3BJ/def2svp//PW6B95-D3BJ/def2qzvpp [b] B3LYP-D3BJ/
def2svp, C-PCM in CH2Cl2.
Abbildung 2. Projektion der berechneten elektrostatischen Potentiale
(B3LYP-D3BJ/def2svp) auf die bei 0.025eBohr3begrenzte Isodichte-
Oberflche der Kationen R2Si2+(oben) und ihrer terpy-Komplexe [R2Si-
(terpy)]2+(unten).
Schema 1. Bildung der Triflatsalze der Dikationen 12+,22+und 32+.
Abbildung 3. Moleklstrukturen von 12+,[2(OTf)]+und [3(OTf)]+(El-
lipsoide 50% Wahrscheinlichkeit).
Abbildung 4. Reaktion von [R2Si(terpy)][OTf]2mit [PPh4][SbF6] oder 1-
Fluoradamantan (AdF) mit Moleklstruktur von [2(F)]+(Ellipsoide
50% Wahrscheinlichkeit; Si-F 1.6693(14) ).
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2www.angewandte.de 2020 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH GmbH Angew. Chem. 2020,132,16
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erhalten, da die gespannte Silacyclobutaneinheit bei diesen
Bedingungen wohl nicht stabil ist. Tatschlich wird von
Ringspaltungsreaktionen bei der Umsetzung von 1,1-Diflu-
orsilacyclobutan mit KF berichtet.[21]
Im Vergleich zu R2Si2+deuten die ermittelten FIA fr
RSi3+eine deutlich gesteigerte Lewis-Aciditt an und errei-
chen fast 2000 kJmol1(Tabelle 2). Der bergang zu den
tetrakoordinierten [RSi(terpy)]3+resultiert in einer Abnahme
um nur ca. 20% (>1500 kJmol1), womit die FIA die des
dikoordinierten Boreniumkations [(catecholat)B]+
(1210 kJmol1) bersteigen.[3,22] Die Solvatationsverringe-
rung ist fr 43+,53+und 63+sehr ausgeprgt, aber die FIAsolv
liegen dennoch mehr als 200 kJmol1ber der FIAsolv von
SbF5. Die Abbildung der elektrostatischen Potentiale auf der
Isoelektronendichte-Oberflche illustriert das “Verschmie-
ren” der positiven Teilladungen ber die Komplexkationen
beim Vergleich von RSi3+und [RSi(terpy)]3+(Abbildung 5).
Allerdings bleiben auch fr [RSi(terpy)]3+Bereiche mit
hohem Potential um die Si-Atome erhalten (blaue Farbge-
bung), was mit den hohen FIA trotz der erhçhten Koordina-
tionszahl in Einklang ist.
Die Triflatsalze 4[OTf]3,5[OTf]3und 6[OTf]3wurden aus
den RSi(OTf)3-Vorlufern in 83 bis 91% Ausbeute erhalten
(Schema 2) und zeigen nach Monaten unter inerter Atmo-
sphre keine Zersetzung. Aus den Kristallstrukturen von
4[OTf]3und 6[OTf]3wird deutlich, dass es durch Wechsel-
wirkung mit den Anionen zur weiteren Stabilisierung der Si-
Zentren kommt (Abbildung 6A). NMR-spektroskopische
Daten zeigen den dynamischen Austausch von koordinieren-
den und “freien” Triflat-Anionen fr Lçsungen von
5[OTf]3und 6[OTf]3, whrend zwei Singuletts im 19F-NMR-
Spektrum von 4[OTf]3in CD2Cl2zu beobachten sind (Si-OTf
und OTf).
Die Fluoridabstraktion von SbF6durch 4[OTf]3,5[OTf]3
und 6[OTf]3qualifiziert die Trikationen als LSA. Nach
Vereinigung der Komplexsalze mit [PPh4][SbF6]inCD
3CN
wurde die Bildung von Spezies mit SiF-Bindungen NMR-
spektroskopisch belegt. F-Abstraktion von AdF ergab je-
weils zwei nicht-identifizierte Produkte mit 4[OTf]3und
6[OTf]3und ein einziges Produkt mit 5[OTf]3(wahrscheinlich
[5(F)][OTf]2, siehe SI). Die Bildung der entsprechenden SiF-
Spezies wurde ebenso in den jeweiligen Reaktionen mit
[PPh4][SbF6] beobachtet.
Die Lewis-Acidittsbestimmung nach Gutmann und Be-
ckett (GB), welche auf der Vernderung des 31P-NMR-
Verschiebungen (D31P) von OPEt3bei Koordination einer LA
beruht,[23] ergab das niedrigste D31P fr 12+·OPEt3(23.5 ppm,
vgl. Abbildung S26). Dies stimmt gut mit der niedrigeren FIA
im Vergleich zu den gespannten Silafluoren- und Silacyclo-
butanderivaten 22+und 32+(D31P=28.6, 27.7 ppm) berein,
deren D31P den Wert fr B(C6F5)3·OPEt3in CH2Cl2(26 ppm)
bersteigen.[24] Kristallstrukturanalysen belegen die Bildung
von oktaedrischem [2(OPEt3)]2+und [3(OPEt3]2+(Abbil-
dung S101 und S102). Fr 4[OTf]3und 5[OTf]3wurde die
Bildung von Bisaddukten und nicht-identifizierten Spezies
beobachtet (D31P 35.5–48.9 ppm), was eine aussagekrftige
Bestimmung mit der GB-Methode erschwerte (siehe SI).
Bemerkenswerterweise bildet 6[OTf]3mit OPEt3das Mono-
addukt [6(OPEt3)]3+, in dem, wie NMR-spektroskopisch
(d29Si 92.0 ppm) und rçntgenkristallographisch besttigt
werden konnte, ein pentakoordiniertes Si-Zentrum vorliegt
(Abbildung 6B). Das resultierende D31P (61.1 ppm) fr [6-
(OPEt3)]3+bersteigt nicht nur D31P von OPEt3-Silylium-
Addukten (43.92.7 ppm),[9,22,25] sondern auch den D31P-
Wert des Boreniumadduktes [(catecholat)B(OPEt3)]+
(60.7 ppm).[9,22] Wegen des großen Einflusses von sterischen
und HSAB-Effekten auf die GB-Methode sind Vergleiche
zwischen verschiedenen Verbindungsklassen mit Vorsicht zu
Tabelle 2: Berechnete Fluoridionenaffinitten (FIA) und solvatations-
korrigierte FIAsolv der Kationen RSi3+und ihrer Terpyridinkomplexe in
kJmol1.
PhSi3+43+CySi3+53+m-XylSi3+63+
FIA[a] 1951 1522 [c] 1542 1890 1519
FIAsolv[b] 764 563 566 767 564
[a] B3LYP-D3BJ/def2svp//PW6B95-D3BJ/def2qzvpp [b] B3LYP-D3BJ/
def2svp, C-PCM in CH2Cl2. [c] Fr CySi3+wurde kein globales Minimum
gefunden.
Abbildung 5. Projektion der berechneten elektrostatischen Potentiale
(B3LYP-D3BJ/def2svp) auf die bei 0.025eBohr3begrenzte Isodichte-
Oberflche der Kationen RSi3+(oben) und ihrer terpy-Komplexe [RSi-
(terpy)]3+(unten). Fr CySi3+wurde keine Minimumgeometrie gefun-
den.
Schema 2. Bildung der Triflatsalze der Trikationen 43+,53+und 63+.
Abbildung 6. Moleklstruktur von [4(OTf)2]+,[6(OTf)]2+(A) und [6-
(OPEt3)]3+(B) (Ellipsoide 50% Wahrscheinlichkeit).
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3Angew. Chem. 2020,132, 1 6 2020 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH GmbH www.angewandte.de
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betrachten,[26] jedoch wird die Einordnung von 63+unter den
strksten bisher bekannten Silicium-LA besttigt.
5[OTf]3und 6[OTf]3reagieren mit Triethylsilan unter
Hydridabstraktion (Abbildung 7), wobei in beiden Fllen
Et3SiOTf (d29Si 46–47 ppm)[27] gebildet wird. Die Bildung von
[5(H)][OTf]2verluft langsam und wurde durch die unab-
hngige Synthese aus CySi(H)(OTf)2und terpy belegt. Eine
Kristallstrukturanalyse besttigte die Konnektivitt des pen-
takoordinierten Dikations. Dagegen reagiert 6[OTf]3mit
Et3SiH innerhalb weniger Stunden mit eindeutigen NMR-
spektroskopischen Hinweisen fr die Aktivierung des terpy-
Liganden in para-Position (Abbildung 7, d29Si 94.8 ppm,
siehe SI). Von hnlicher Lewis-Aciditt an Kohlenstoffzen-
tren wurde krzlich fr N-Heterocyclus-ligierte Borkatio-
nen[28] und terpy-stabilisierte PV-Dikationen[29] berichtet. Au-
ßerdem beinhaltet der katalytische Zyklus der Hydrosilylie-
rung von Pyridinen vermutlich einen Hydridtransfer zu N-
Silylpyridiniumkationen.[30] Wir schreiben die Aktivierung
des terpy-Rckgrats der verringerten rumlichen Zugng-
lichkeit des Si-Zentrums in 63+zu.
Schließlich wurde die Anwendung der Siliciumkationen in
der katalytischen HDF von AdF bei einer Katalysatorbela-
dung von 10 Mol-% gezeigt (Tabelle 3). Die geringen Aus-
beuten an Et3SiF lassen sich auf die Bildung stabiler Fluori-
daddukte und Fluorsilane zurckfhren (siehe oben). Die
katalytische Effizienz korreliert dabei gut mit der Lewis-
Aciditt (12+<22+,32+<43+,53+) mit Ausnahme von 6[OTf]3,
fr welches die konkurrierende Nebenreaktion mit Et3SiH
vermutlich zur Deaktivierung fhrt.
Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass die Stabili-
sierung von R2Si2+- und RSi3+-Spezies mit dem Chelatligan-
den Terpyridin zu stabilen Komplexkationen fhrt, bei wel-
chen es sich trotzdem um Lewis-Supersuren handelt. Theo-
retische und experimentelle Lewis-Acidittsbestimmungen
belegen, dass terpy-ligierte Siliciumtrikationen zu den strks-
ten bisher bekannten Silicum-LA gehçren. Die H-Abstrak-
tion von Et3SiH deutet auf hohe Hydridionenaffinitten fr
53+und 63+hin und stellt einen vielversprechenden Aus-
gangspunkt fr Untersuchungen von E-H-Bindungsaktivie-
rungen dar.
Danksagung
Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzel-
lenzcluster EXC 2008–390540038 UniSysCat) fr finanzielle
Hilfe. A.H. dankt der Einstein Stiftung Berlin fr ein
Doktorandenstipendium. Open Access Verçffentlichung
ermçglicht und organisiert durch Projekt DEAL.
Interessenkonflikt
Die Autoren erklren, dass keine Interessenkonflikte vorlie-
gen.
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Abbildung 7. Reaktivitt von 5[OTf]3und 6[OTf]3gegenber Et3SiH mit
Moleklstruktur von [5(H)]2+.
Tabelle 3: Katalytische Hydrodefluorierung von 1-Fluoradamantan.[a]
Katalysator Ausbeute (Et3SiF) [%] Umsatz (C-F) [%]
1[OTf]2823
2[OTf]231 48
3[OTf]230 51
4[OTf]354 >99
5[OTf]356 >99
6[OTf]340 83
[a] Reaktionsbedingungen: CH3CN-Lçsungen, 10 mol% Katalysator,
0.13 M AdF, 2 q. Silan. Umsatz und Ausbeute nach 26 h bei Raum-
temperatur durch Integration von 19F-NMR-Spektren mit internem
Standard (PhF).
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4www.angewandte.de 2020 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH GmbH Angew. Chem. 2020,132,16
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[12] Experimentelle Untersuchungen von Kollisionen von Si3+mit H
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10263; c) D. V. Gutsulyak, A. van der Est, G. I. Nikonov, Angew.
Chem. Int. Ed. 2011,50, 1384 1387; Angew. Chem. 2011,123,
14201423.
[31] Die Hinterlegungsnummern 2023615, 2023616, 2023617,
2023618, 2023619, 2023620, 2023625 und 2023626 (Triflatsalze
von 12+,32+,22+,[2(F)]+,43+,63+,[6(OPEt3)]3+und [5(H)]2+)
erlauben Zugriff auf die ausfhrlichen kristallographischen
Daten zu dieser Verçffentlichung. Die Daten sind kostenlos
beim Access-Structures-Service des Cambridge Crystallographic
Data Centre und des Fachinformationszentrums Karlsruhe
erhltlich: www.ccdc.cam.ac.uk/structures.
Manuscript received: August 26, 2020
Accepted manuscript online: September 16, 2020
Version of record online: && &&,&&&&
A
ngewandte
Chemi
e
Zuschriften
5Angew. Chem. 2020,132, 1 6 2020 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH GmbH www.angewandte.de
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Ü
Ü
Zuschriften
Silane
A. Hermannsdorfer,
M. Driess*
&&&& &&&&
Isolierbare Silicium-basierte Polykationen
mit Lewis-Superaciditt
Durch Koordination eines Terpyridinli-
ganden an die Gasphasenspezies R2Si2+
und RSi3+werden isolierbare polykatio-
nische Komplexe erhalten, bei denen es
sich dennoch um Lewis-Supersuren
handelt. Umfassende Lewis-Acidittsbe-
stimmungen und Reaktivittsuntersu-
chungen belegen fr einen trikationi-
schen Siliciumkomplex die hçchste
bisher fr Silicium-basierte Kationen be-
kannte Lewis-Aciditt.
A
ngewandte
Chemi
e
Zuschriften
6www.angewandte.de 2020 Die Autoren. Verçffentlicht von Wiley-VCH GmbH Angew. Chem. 2020,132,16
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