mechanistic insights into homogeneous and asymmetric iron ......evolution and the formation of b‐n...

215
Mechanistic Insights into Homogeneous and Heterogeneous Asymmetric Iron Catalysis by Jessica Sonnenberg A thesis submitted in conformity with the requirements for the degree of Doctor of Philosophy Department of Chemistry University of Toronto © Copyright by Jessica Sonnenberg 2014

Upload: others

Post on 20-Jun-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

 

 

Mechanistic Insights into Homogeneous and 

Heterogeneous Asymmetric Iron Catalysis 

 

by 

 

Jessica Sonnenberg 

 

 

 

A thesis submitted in conformity with the requirements 

for the degree of Doctor of Philosophy 

 

Department of Chemistry 

University of Toronto 

 

© Copyright by Jessica Sonnenberg 2014 

   

Page 2: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

ii  

Mechanistic Insights into Homogeneous and Heterogeneous Asymmetric Iron Catalysis 

Jessica Sonnenberg 

Doctor of Philosophy 

Department of Chemistry 

University of Toronto 

2014 

Abstract 

Our group has been focused on replacing toxic and expensive precious metal catalysts with iron for the 

synthesis  of  enantiopure  compounds  for  industrial  applications.  During  an  investigation  into  the 

mechanism of asymmetric transfer hydrogenation with our first generation  iron‐(P‐N‐N‐P) catalysts we 

found substantial evidence for zero‐valent iron nanoparticles coated in chiral ligand acting as the active 

site.  Extensive  experimental  and  computational  experiments were  undertaken which  included NMR, 

DFT,  reaction  profile  analysis,  substoichiometric  poisoning,  electron  microscope  imaging,  XPS  and 

multiphasic analysis, all of which supported the fact that NPs were the active species in catalysis.  

Reversibility of  this asymmetric  reaction on  the nanoparticle surface was  then probed using oxidative 

kinetic  resolution  of  racemic  alcohols,  yielding modest  enantiopurity  and  high  turnover  frequencies 

(TOF)  for  a  range  of  aromatic  alcohols.  Efficient  dehydrogenation  of  ammonia‐borane  for  hydrogen 

evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active 

systems, with a maximum TOF of 3.66 H2/s‐1. 

Page 3: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

iii  

We have also begun to focus on the development of iron catalysts for asymmetric direct hydrogenation 

of ketones using hydrogen gas. New chiral iron‐(P‐N‐P) catalysts were developed and shown to be quite 

active and selective for a wide range of substrates. Mechanistic investigations primarily using NMR and 

DFT  indicated that a highly active trans‐dihydride species was being formed during catalyst activation. 

Lastly, a new  library of chiral P‐N‐P and P‐NH‐P  ligands were developed, as well as their corresponding 

iron  complexes,  some  of which  show  promise  for  the  development  of  future  generations  of  active 

asymmetric direct hydrogenation catalysts.   

Page 4: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

iv  

Acknowledgements 

I would  like  to  start  by  thanking my  supervisor,  Professor  Robert Morris  for  all  of  his  guidance  and 

support throughout the past four years, as well for his encouragement to pursue new directions with my 

research. My research project took many unexpected turns and he supported my choice to explore new 

areas of chemistry, and has encouraged me to really push the research to its limits through which I have 

grown greatly, both as a chemist and as a person.  I would also  like to extend a huge thank you to the 

Morris group members, past and present, for fruitful discussions, suggestions and friendships.  

Most importantly, I would like to thank the love of my life and my best friend, my husband, Chris, for his 

relentless support and encouragement. He has kept me focussed and on track  in all aspects of my  life, 

and has been patient and understanding throughout all of my research and extra‐curricular endeavors. 

He has always been my most enthusiastic and proud supporter throughout all of my milestones both in 

life  and  in  research,  and has been  there  to pull me back up  again during  the  lows. He has  kept me 

grounded and motivated no matter what chemistry or life threw at me and I would not be where I am 

today without his love, patience and support. I love you baby  

I would also  like to thank my parents, Darren and Elaine,  for being my unyielding support system and 

mentors for so many years. They have always encouraged me to be the absolute best that I can be and 

have been there to guide and help me every step of the way. They celebrated every accomplishment, no 

matter how small, and were always proud and encouraging of everything I did. Since I was very young 

they have always been exceptional mentors that taught by example; they taught me to work hard, try 

my best, be strong, and always believe  in myself, no matter what. More  importantly,  they  taught me 

that life is all about balance – no matter how successful you are, life is nothing without family, friends, 

love, and a cold beer around a campfire with the people you care about. My parents have always been 

my heroes and I owe them everything. 

And then there  is my  little brother, Steven. Normally  it  is the older sibling that  is supposed to be wise, 

but I have learned more from Steven than I ever could have taught him. Through friendly competition, in 

both  games  and  academics,  he  always  kept  me  at  my  best.  Even  with  moving  away  for  school, 

relationships and friendships that did or didn’t  last, and starting our own  lives he has always been my 

best friend and role model.  My brother has taught me how to trust, both others and myself, always be 

proud of who I am and what I have accomplished, be compassionate and kind, and to always be myself.  

Page 5: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

v  

I would also like to thank my grandma, Eleanor, my Aunt Isabell, my grandparents Phyllis and Ernie, my 

Aunt Diane and my friend Marnie for always being there for me and helping me every step of the way. 

Thank‐you also to my best friends, Susan, Kerstin, Jessica and Vanessa – you have always kept  life fun 

and exciting. 

Lastly, I would  like to dedicate this thesis to my grandpa, Joseph Frost. He was always my number one 

fan and cheerleader and I wish he could be here to celebrate this milestone with me. 

   

Page 6: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

vi  

Table of Contents   

Contents Abstract ......................................................................................................................................................... ii 

Acknowledgements ...................................................................................................................................... iv 

Table of Contents ......................................................................................................................................... vi 

List of Figures ............................................................................................................................................... xi 

List of Schemes............................................................................................................................................ xv 

List of Tables .............................................................................................................................................. xvii 

List of Abbreviations ................................................................................................................................. xviii 

Summary of Numbered Compounds .......................................................................................................... xxi 

Chapter 1:  Introduction – Mechanistic Approaches and Iron‐Based Catalysis ...................................... 1 

1.1 Overview ................................................................................................................................................. 1 

1.2 The Importance of Identifying the True Catalyst .................................................................................... 1 

1.3 Ex Situ Techniques .................................................................................................................................. 3 

1.3.1 Electron Microscopy and Energy Dispersive X‐ray Spectroscopy ................................................ 3 

1.3.2 X‐ray Photoelectron Spectroscopy .............................................................................................. 5 

1.3.3 X‐ray Diffraction and Mössbauer Spectroscopy .......................................................................... 6 

1.4 In Operando Techniques ......................................................................................................................... 6 

1.4.1 Reaction Profiles and Kinetic Investigations ................................................................................ 7 

1.4.2 Poisoning Experiments ................................................................................................................. 8 

1.4.3 Extended X‐ray Absorption Fine Structure ................................................................................ 10 

1.4.4 Magnetometry ........................................................................................................................... 11 

1.4.5 Dynamic Light Scattering ........................................................................................................... 12 

1.4.6 NMR Experiments ...................................................................................................................... 13 

1.4.7 Chirality ...................................................................................................................................... 15 

1.4.8 Polymer‐Bound Substrates ........................................................................................................ 16 

1.5 Going Green – Iron‐Based Catalysis ...................................................................................................... 17 

1.6 Summary ............................................................................................................................................... 21 

1.7 Thesis Outline ........................................................................................................................................ 22 

Chapter 2: Iron Nanoparticles Catalysing the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones ....... 22 

Page 7: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

vii  

Chapter 3: Oxidative Kinetic Resolution of Aromatic Alcohols using Iron Nanoparticles .................. 23 

Chapter 4: Evidence for Iron Nanoparticles Catalysing the Rapid Dehydrogenation of Ammonia‐

Borane ................................................................................................................................................. 24 

Chapter 5: Synthesis and Mechanistic Studies of Iron P‐N‐P’ and P‐NH‐P Asymmetric Hydrogenation 

Catalysts .............................................................................................................................................. 24 

1.8 References ............................................................................................................................................ 26 

Chapter 2:  Iron Nanoparticles Catalysing the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones ......... 34 

2.1 Abstract ................................................................................................................................................. 34 

2.2 Introduction .......................................................................................................................................... 35 

2.3 Results and Discussion .......................................................................................................................... 37 

2.3.1 Spectroscopic Investigation of Catalysis .................................................................................... 37 

2.3.2 Studying Reactive Intermediates ............................................................................................... 39 

2.3.3 Mass Balance Experiment .......................................................................................................... 42 

2.3.4 Mechanistic Evaluations with DFT ............................................................................................. 43 

2.3.5 Probes for Heterogeneity........................................................................................................... 44 

2.3.6 Reaction Profile .......................................................................................................................... 45 

2.3.7 Poisoning Experiments ............................................................................................................... 45 

2.3.8 X‐ray Photoelectron Spectroscopy ............................................................................................ 48 

2.3.9 Electron Microscopy .................................................................................................................. 49 

2.3.10 Superconducting Quantum Interference Device Magnetometry ............................................ 50 

2.3.11 Polymer‐bound Substrate Experiments ................................................................................... 51 

2.3.12 STEM/EDX/Poisoning Experiments .......................................................................................... 53 

2.3.13 Description of Fe NPs ............................................................................................................... 55 

2.4 Case Study ............................................................................................................................................. 56 

2.5 Conclusions ........................................................................................................................................... 60 

2.8 Experimental ......................................................................................................................................... 61 

2.8.1 General Procedures ................................................................................................................... 61 

2.8.2 Syntheses ................................................................................................................................... 62 

2.8.3 Catalysis – Standard Run ............................................................................................................ 63 

2.8.4 Catalysis – Poisoning Experiments ............................................................................................. 63 

2.8.5 Catalysis – NMR Scale Reactions ................................................................................................ 63 

2.8.6 Mass Balance Experiments ........................................................................................................ 64 

Page 8: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

viii  

2.8.7 Experimental for Polymer‐bound Substrate Experiments ......................................................... 64 

2.8.8 Determining the Ratio of Fe on the Surface of Fe NP ................................................................ 66 

2.8.9 Catalysis – HCl Addition Experiments ........................................................................................ 67 

2.7 References ............................................................................................................................................ 69 

Chapter 3:  Oxidative Kinetic Resolution of Aromatic Alcohols using Iron Nanoparticles .................... 74 

3.1 Abstract ................................................................................................................................................. 74 

3.2 Introduction .......................................................................................................................................... 75 

3.3 Results and Discussion .......................................................................................................................... 76 

3.3.1 Catalytic Runs ............................................................................................................................. 76 

3.3.2 Evidence for Nanoparticles ........................................................................................................ 81 

3.4 Conclusions ........................................................................................................................................... 88 

3.5.1 General Procedures ................................................................................................................... 89 

3.5.2 Gas Chromatography ................................................................................................................. 89 

3.5.3 Synthesis .................................................................................................................................... 90 

3.5.4 Microscopy ................................................................................................................................. 90 

3.5.5 Solid State NMR ......................................................................................................................... 91 

3.5.6 Catalysis – Standard Run ............................................................................................................ 93 

3.5.7 Catalysis – Poisoned Run............................................................................................................ 93 

3.6.8 Polymer‐bound Substrate Experiments ..................................................................................... 93 

Chapter 4:  Evidence for Iron Nanoparticles Catalysing the Rapid Dehydrogenation of Ammonia‐

Borane  97 

4.1 Abstract ................................................................................................................................................. 97 

4.2 Introduction .......................................................................................................................................... 98 

4.3 Experimental ....................................................................................................................................... 100 

4.3.1 General Procedures ................................................................................................................. 100 

4.3.2 Syntheses ................................................................................................................................. 100 

4.3.3 Catalysis ................................................................................................................................... 100 

4.4 Results and Discussion ........................................................................................................................ 103 

4.4.1 AB Dehydrogenation with Precatalysts (1, 2, 5 and 6) in Protic Solvents ................................ 103 

4.4.2 AB Dehydrogenation with Precatalysts (1, 2, 5‐7) in Non‐Protic Solvents .............................. 104 

4.4.3 Effect of Varying Conditions of AB Dehydrogenation with Precatalyst (5) .............................. 107 

4.4.4 AB Dehydrogenation with In Situ Generated Catalysts ........................................................... 110 

Page 9: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

ix  

4.4.5 Dimethylamine‐borane (DMAB) Dehydrogenation with Precatalysts (1) and (5) ................... 113 

4.4.6 Electron Microscopy Imaging ................................................................................................... 115 

4.5 Conclusions ......................................................................................................................................... 118 

4.6 References .......................................................................................................................................... 119 

Chapter 5:  Synthesis and Mechanistic Studies of Iron P‐N‐P’ and P‐NH‐P Asymmetric Hydrogenation 

Catalysts  122 

5.1 Abstract ............................................................................................................................................... 122 

5.2 Introduction ........................................................................................................................................ 123 

5.3 Results and Discussion ........................................................................................................................ 126 

5.3.1 NMR Investigation of the Mechanism ..................................................................................... 126 

5.3.2 Modifying the Catalyst Chirality ............................................................................................... 132 

5.3.3 Catalytic Asymmetric Hydrogenation of Acetophenone ......................................................... 136 

5.3.4 Synthesis of Fe Complexes Bearing Multiple Stereogenic Centres .......................................... 137 

5.3.5 Changing the Catalyst Structure Using 6,5‐(P‐N‐P) Ligands ..................................................... 141 

5.4 Conclusions ......................................................................................................................................... 151 

5.5. Experimental ...................................................................................................................................... 152 

5.5.1 General Considerations ............................................................................................................ 152 

5.5.2 Synthesis of Precatalysts for NMR Studies .............................................................................. 152 

5.5.3 Synthesis of trans‐dihydride complex (13) .............................................................................. 153 

5.5.4 Hydrogenation Studies ............................................................................................................. 157 

5.5.5 Synthesis of PN Precursors (14defg) ........................................................................................ 157 

5.5.6 Synthesis of mer‐trans‐[Fe(Br)(CO)2(P‐N‐P′)][BF4] precatalysts (10d‐f) ................................... 160 

5.5.7 Synthesis of [Fe(PN)2(CO)(Br)][BPh4] (15) ................................................................................ 162 

5.5.8 Synthesis of P‐N‐P Ligands (16a,c‐g) ........................................................................................ 162 

5.5.9 Synthesis of P‐NH‐P Ligands (17a,c‐f) ...................................................................................... 165 

5.5.10 Synthesis of [Fe(P‐N‐P)(NCMe)3][BF4]2 (18a,c‐g).................................................................... 168 

5.5.11 Synthesis of [Fe(P‐NH‐P)(NCMe)3][BF4]2 (19a,c‐f) .................................................................. 170 

5.5.12 Synthesis of Fe(P‐N‐P)(CO)Br2 (20) ........................................................................................ 172 

5.5.13 Transfer Hydrogenation Catalysis .......................................................................................... 173 

5.5.14 Ammonia‐Borane Dehydrogenation Catalysis ....................................................................... 173 

5.6 References .......................................................................................................................................... 174 

Chapter 6:  Conclusions and Future Directions ................................................................................... 178 

Page 10: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

x  

6.1 Conclusions ......................................................................................................................................... 178 

6.2 Future Directions ................................................................................................................................ 184 

6.2.1 Investigating the True Nature of the Catalyst .............................................................................. 184 

6.2.2 Broadening the Scope of the P‐N‐P System ................................................................................. 185 

6.2.3 New Catalytic Directions .............................................................................................................. 187 

6.2.4 The Iron Age ................................................................................................................................. 188 

6.3 References .......................................................................................................................................... 189 

 

   

Page 11: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xi  

List of Figures 

Figure 1.1: Prototype solution phase cell for electron microscopy analysis. Reprinted with permission of 

Reference 47. Copyright 2013 American Chemical Society. ......................................................................... 5 

Figure 1.2: Sigmoidal reaction curve depicting the hydrogenation of cyclohexene over time. Curve shows 

all three phases (nucleation, catalysis and completion) of the reaction profile. Also shown is the 

predicted curve using F‐W Kinetics. Reprinted with permission from Reference 63. Copyright 2009 

American Chemical Society. .......................................................................................................................... 8 

Figure 1.3: Distinguishing homogeneous from heterogeneous Fe catalysis for the dehydrogenation of 

amine‐boranes. Reprinted with permission from Reference 37. Copyright 2014 American Chemical 

Society. ........................................................................................................................................................ 10 

Figure 1.4: Standard plots obtained using SQUID Magnetometry analysis. Top ‐ hysteresis loops through 

varying magnetic fields at two set temperatures (3 K and 40 K). Bottom ‐ ZFC‐FC experiment depicting a 

blocking temperature. Reproduced from Reference 74 with permission from The Royal Society of 

Chemistry. ................................................................................................................................................... 12 

Figure 1.5: Space‐filling model depicting Ru NPs selectively coated by NHC ligands as determined by 13C 

solid state NMR spectroscopy. Two NHC ligands tested are also shown for clarity. Reprinted with 

permission of Reference 38. Copyright 2011 Wiley‐VCH. .......................................................................... 14 

Figure 1.6: Illustrative examples of iron catalysts developed for a wide range of catalytic 

transformations. ......................................................................................................................................... 20 

Figure 2.7: 31P {1H} spectrum (161 MHz, iPrOH, C6D6 internal reference) of a TH run in 0.65 mL 

isopropanol for the production of 1‐phenylethanol from acetophenone (0.60 M) by use of (1) (0.025 M) 

and KOtBu (0.14 M) at 26°C. ....................................................................................................................... 38 

Figure 2.8: Molecular structure of (3). ........................................................................................................ 40 

Figure 2.9: Complete energetics profile and structures depicting the favourable formation of Fe(0). ..... 44 

Figure 2.10: Standard catalytic runs using (1) and (2), and poisoning runs using (1) and (2) and 10% PMe3 

added at t = 10min. ..................................................................................................................................... 46 

Figure 2.11: Conversion profiles for the TH of acetophenone to phenylethanol using (2) at ambient 

temperature (28 0C) in the presence of various poisons at the given amounts relative to catalyst, 

introduced at the given times. .................................................................................................................... 48 

Figure 2.12: STEM images of TH with (1) (left) and (2) (right). ................................................................... 49 

Page 12: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xii  

Figure 2.13: Temperature dependence of the Zero Field Cooling‐Field Cooling (ZFC‐FC) SQUID 

experiment with (2). ................................................................................................................................... 51 

Figure 2.14: Reaction profiles for the conversion of acetophenone to 1‐phenylethanol over time using 

the 6,5,6‐system (a) and the 5,5,5‐system (b). Plots depict the effect of adding HCl following by 

reactivation with KOtBu. ............................................................................................................................. 59 

Figure 3.15: STEM image taken at ‐100oC of activated catalyst; a) [left] solution prepared using (2) and 

NaOiPr at room temperature (28oC) in acetone, using iPrOH as the substrate (C:B:S = 1:8:230); b) [right] 

solution prepared using (2) and KOtBu at room temperature (28oC) in benzophenone/THF, using iPrOH 

as the substrate (C:B:S = 1:8:230). .............................................................................................................. 82 

Figure 3.16: Reaction profiles for the catalytic oxidation of racemic 1‐phenylethanol (2.2 mmol) to 

acetophenone at 45oC in THF with benzophenone (7.7 mmol), and runs in which the solvent 

(THF/benzophenone) or substrate (1‐phenylethanol) were added at 45oC 10 minutes prior to reaction 

commencement. ......................................................................................................................................... 83 

Figure 3.17: Corresponding enantiopurity in (R)‐phenylethanol over time profile to Figure 3.16. ........... 84 

Figure 3.18: Standard and poisoned catalytic runs for the oxidation of 1‐phenylethanol in acetone using 

NaOiPr at 28oC and in benzophenone/THF using KOtBu at 45oC, with C:B:S = 1:8:400. ............................ 85 

Figure 3.19: 13C {1H} solid state NMR spectrum of phenylethanol‐bound Wang Resin (Wang‐PE) swollen 

in CD2Cl2, spun at 10 kHz. ............................................................................................................................ 92 

Figure 3.20: 13C {1H} solid state NMR spectrum of acetophenone‐bound Wang Resin (Wang‐B) swollen in 

CD2Cl2, spun at 10 kHz. ................................................................................................................................ 92 

Figure 4.21: Precatalyst structures for systems investigated for ammonia‐borane dehydrogenation 

reactions including ligands tested. ............................................................................................................. 99 

Figure 4.22: Catalytic dehydrogenation of AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL iPrOH at 22oC using 2.5 mol% 

Fe and 20 mol% KOtBu. Fe:AB:KOtBu = 1:40:8. ........................................................................................ 104 

Figure 4.23: Catalytic dehydrogenation of AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL THF at 22oC using 2.5 mol% Fe 

and 20 mol% KOtBu. ................................................................................................................................. 106 

Figure 4.24: Catalytic dehydrogenation of AB. Standard Run: AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL THF at 22oC 

using 2.5 mol% Precatalyst (5) and 20 mol% KOtBu, Fe:AB:KOtBu = 1:40:8. Variations from standard 

conditions as listed in legend. ................................................................................................................... 108 

Figure 4.25: Catalytic dehydrogenation of AB. Standard Run: AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL THF at 22oC 

using 2.5 mol% Precatalyst (5) and base. ................................................................................................. 109 

Page 13: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xiii  

Figure 4.26: Catalytic dehydrogenation of AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL THF at 22oC using 4 or 2.5 

mol% Fe, 2.6 or 1.6 mol% ligand and 32 or 20 mol% KOtBu. Fe:Ligand:AB:KOtBu = 1:0.6:25:8 or 

1:0.6:40:8. Where Fe‐H20 = [Fe(H2O)6][BF4]2. ........................................................................................... 111 

Figure 4.27: Catalytic dehydrogenation of AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL THF at 22oC using 4 mol% 

FeBr2, ligand (8) and 32 mol% KOtBu (relative to AB). Fe:AB:KOtBu = 1:25:8. ......................................... 113 

Figure 4.28: In situ 11B NMR (128 MHz) spectrum of catalytic dehydrogenation of Me2NHBH3 (entry 24 of 

Table 4.6) after 30min. Fe:B:KOtBu = 1:45:8. ........................................................................................... 115 

Figure 4.29: TEM images of entry 33 [left] and entry 32 [right]. .............................................................. 116 

Figure 5.30: Catalysts used for the direct hydrogenation of polar double bonds. ................................... 124 

Figure 5.31: Free energy profile of the amino metal hydride catalytic pathway. .................................... 132 

Figure 5.32: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of precatalyst (10d). Hydrogen 

atoms of Ph and Cy groups removed for clarity, as is the BF4 counterion. Selected bond lengths (Å) and 

angles (deg): Fe(1)‐P(1): 2.245(2); Fe(1)‐P(2):  2.277(2); Fe(1)‐N(1):  1.998(5); Fe(1)‐Br(1):  2.473(1); N(1)‐

C(2):  1.286(8); N(1)‐C(3): 1.511(7):  O(1)‐C(11):  1.13(1); O(2)‐C(12):  1.044(8); P(2)‐Fe(1)‐P(1):  

170.25(7); C(11)‐Fe(1)‐C(12):  172.5(4). .................................................................................................... 135 

Figure 5.33: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of [Fe(PN)2(CO)Br][BF4] (15). 

Hydrogen atoms of Ph groups and the BF4 anion are removed for clarity. Selected bond lengths (Å) and 

angles (deg): Fe(1)‐P(1): 2.2701(9); Fe(1)‐P(1a):  2.2702(9); Fe(1)‐N(1):  2.045(3); Fe(1)‐N(1a): 2.045(3); 

Fe(1)‐Br(1):  2.451(2); Fe(1)‐C(3): 1.76(1); O(1)‐C(3):  1.17(1); P(1)‐Fe(1)‐P(1a):  172.20(5); N(1)‐Fe(1)‐

N(1a): 92.1(2); P(1)‐Fe(1)‐N(1): 83.3(1). ................................................................................................... 139 

Figure 5.34: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of precatalyst (18a). Hydrogen 

atoms of Ph groups and BF4 anion are removed for clarity. Selected bond lengths (Å) and angles (deg): 

Fe(1)‐P(1): 2.2732(8); Fe(1)‐P(2):  2.3044(8); Fe(1)‐N(1):  1.972(2); Fe(1)‐N(2):  1.922(2); Fe(1)‐N(3): 

1.932(2); Fe(1)‐N(4): 1.907(2); N(1)‐C(7):  1.279(3); N(1)‐C(8): 1.485(3): P(2)‐Fe(1)‐P(1):  173.82(3); N(1)‐

Fe(1)‐P(1):  89.82(6); N(1)‐Fe(1)‐P(2): 84.76(6). ....................................................................................... 145 

Figure 5.35: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of precatalyst (18e). Hydrogen 

atoms of Ph groups and BF4 anion are removed for clarity. Selected bond lengths (Å) and angles (deg): 

Fe(1)‐P(1): 2.287(1); Fe(1)‐P(2):  2.256(1); Fe(1)‐N(1):  1.976(3); Fe(1)‐N(2):  1.896(4); Fe(1)‐N(3): 

1.928(4); Fe(1)‐N(4): 1.925(3); N(1)‐C(3):  1.291(5); N(1)‐C(2): 1.495(5): P(2)‐Fe(1)‐P(1):  173.44(4); N(1)‐

Fe(1)‐P(1):  84.32(9); N(1)‐Fe(1)‐P(2): 89.12(9). ....................................................................................... 146 

Figure 5.36: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of precatalyst (20). Hydrogen 

atoms of Ph groups removed for clarity. Selected bond lengths (Å) and angles (deg): Fe(1)‐P(1): 

2.2668(8); Fe(1)‐P(2):  2.2653(8); Fe(1)‐N(1):  1.987(2); Fe(1)‐Br(1):  2.4821(5); Fe(1)‐Br(2): 2.4787(5); 

Page 14: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xiv  

Fe(1)‐C(10): 1.776(4); N(1)‐C(2):  1.489(3); N(1)‐C(3): 1.283(3):  O(1)‐C(10):  1.097(5); P(2)‐Fe(1)‐P(1):  

174.36(3); C(10)‐Fe(1)‐Br(1):  178.2(1); Br(2)‐Fe(1)‐Br(1): 96.52(2). ........................................................ 148 

Figure 5.37: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of Fe(P‐N‐P)Br2 (iPr). Hydrogen 

atoms of Ph groups removed for clarity. Selected bond lengths (Å) and angles (deg): Fe(1)‐P(1): 2.620(4); 

Fe(1)‐P(2):  2.500(3); Fe(1)‐N(1):  2.25(1); Fe(1)‐Br(1):  2.453(2); Fe(1)‐Br(2): 2.377(2); N(1)‐C(2):  1.48(2); 

N(1)‐C(6): 1.30(2):  P(2)‐Fe(1)‐P(1):  158.8(1); Br(2)‐Fe(1)‐Br(1): 122.3(1); N(1)‐Fe(1)‐P(1): 78.1(3); N(1)‐

Fe(1)‐P(2): 80.8(3). .................................................................................................................................... 150 

Figure 5.38: 1H NMR spectrum (600 MHz, THF‐d8) of methoxide‐hydride (11a). Peaks: ‐21.6 (dd) and ‐

22.7 (dd) ppm, 2JPH = 52.0 and 56.4 Hz. .................................................................................................... 153 

Figure 5.39: 1H NMR spectrum (500 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13).............................................. 154 

Figure 5.40: 1H NMR {31P‐fully decoupled} spectrum (500 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13). Peaks: ‐

9.05 (d) and ‐9.16 (d) ppm, 2JHH = 9.8 Hz. .................................................................................................. 154 

Figure 5.41: Simulated 1H NMR spectrum of trans‐dihydride (13). Simulated using hydride shifts ‐9.05 

and ‐9.16 ppm, 2JHH = 9.8 Hz, 2JPP = 118.0 Hz, and 

2JHP = 42.0, 42.0, 43.0, and 43.0 Hz. ............................ 155 

Figure 5.42:31P {1H} NMR spectrum (202 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13) doublets at 118.0 and 95.8 

ppm (2JPP = 118 Hz), cis‐dihydride doublets at 114.6 and 93.0 ppm (2JPP = 72.5 Hz) and Fe0 complex (12) at 

102.8 and 81.5 ppm. ................................................................................................................................. 155 

Figure 5.43: 1H NMR spectrum (500 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13) at ‐9.1 ppm and cis‐dihydride at 

‐8.1 and ‐20.6 ppm. ................................................................................................................................... 156 

Figure 5.44: 1H NMR spectrum (600 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13c) at ‐8.56 (ddd) and ‐8.94 (td) 

ppm  and  cis‐dihydride at ‐7.31 (ddd) and ‐21.0 (td) ppm. ..................................................................... 156 

Figure 6.45: Potential chiral PN ligands for use in the synthesis of new Fe(P‐N‐P)(CO)2Br[BF4] 

precatalysts. .............................................................................................................................................. 186 

   

Page 15: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xv  

List of Schemes 

Scheme 1.1: Asymmetric transfer hydrogenation of acetophenone using Fe NPs modified with chiral P‐

N‐N‐P ligands............................................................................................................................................... 22 

Scheme 1.2: Oxidative kinetic resolution of racemic 1‐phenylethanol using Fe NPs modified with chiral P‐

N‐N‐P ligand. ............................................................................................................................................... 23 

Scheme 1.3: The dehydrogenation of ammonia borane to form H2 and B‐N compounds using Fe NPs. .. 24 

Scheme 1.4: Direct hydrogenation of ketones to chiral alcohols using Fe‐(P‐N‐P’) precatalysts. .............. 25 

Scheme 2.5: Typical reaction scheme for TH, and pre‐catalyst (1) and ((R,R)‐2) structures. **Note this 

shows the (R,R) catalyst giving the (S) alcohol** ........................................................................................ 36 

Scheme 2.6: Synthesis of ferraaziridine complex (3). ................................................................................. 39 

Scheme 2.7: Observation of (4) and proposed structure. .......................................................................... 42 

Scheme 2.8: Polymer‐bound substrate experimental overview. ............................................................... 52 

Scheme 2.9: Iron‐(P‐N‐N‐P) transfer hydrogenation catalysts developed by our group. Left: First 

Generation, 6,5,6‐system and proposed formation of active species. Right: Second Generation, 5,5,5‐

system and proposed formation of active species. .................................................................................... 57 

Scheme 3.10: Precatalyst structure and reaction schemes for transfer hydrogenation (TH) [Top] and 

oxidative kinetic resolution [Bottom]. ........................................................................................................ 76 

Scheme 3.11: Polymer‐bound substrate experimental overview and peaks of interest from 13C {1H} solid 

state NMR spectra. ..................................................................................................................................... 87 

Scheme 4.12: Generalized reaction scheme and product distribution for optimized catalytic system. .. 100 

Scheme 5.13: Activation of [Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4] precatalysts (10a‐c) with LiAlH4 and alcohol. ........ 126 

Scheme 5.14: Activation of iron‐alkoxide (11) with base and hydrogen to generate active dihydride (13) 

and iron (0) dicarbonyl (12). ..................................................................................................................... 128 

Scheme 5.15: Synthesis of [Fe(P‐N‐P)(CO)2Br][BF4] catalysts (10a‐f). ...................................................... 133 

Scheme 5.16: Synthetic pathway for the formation of chiral PN complexes (14d‐f). .............................. 134 

Scheme 5.17: Synthetic pathway for the formation of the chiral PN compound (S,S)‐(14g). .................. 138 

Page 16: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xvi  

Scheme 5.18: Synthesis of [Fe(PN)2(CO)Br][BPh4] (15). ............................................................................ 140 

Scheme 5.19: Condensation reaction of phosphine aldehyde with (14) to generate enantiopure P‐N‐P 

ligands (16). ............................................................................................................................................... 142 

Scheme 5.20: Reduction of P‐N‐P ligands (16) to form chiral P‐NH‐P ligands (17). ................................. 143 

Scheme 5.21: Synthesis of [Fe(P‐N‐P)(NCMe)3][BF4]2 (18) and [Fe(P‐NH‐P)(NCMe)3][BF4]2 (19) from P‐N‐P 

(16) and P‐NH‐P (17), respectively. ........................................................................................................... 144 

Scheme 6.22: Synthesis of new Fe(P‐N‐P')(CO)2Br[BF4] precatalysts bearing different groups on 

phosphorus. .............................................................................................................................................. 186 

Scheme 6.23: Synthesis of phosphine aldehydes bearing PR2 functionality. ........................................... 187 

Scheme 6.24: Synthesis of chiral P‐N‐O ligands using previously developed methodologies. ................. 187 

 

   

Page 17: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xvii  

List of Tables 

Table 2.1. Relative weight percent of Fe:S on grids (A) and (B) determined using EDX at ‐100oC on a 

STEM. .......................................................................................................................................................... 54 

Table 2.2: IR peaks for modified resin experiments ................................................................................... 66 

Table 3.3: Kinetic Resolution of racemic 1‐phenylethanol (2.2 mmol) using (2) (0.0056 mmol) and base 

(0.045 mmol) [C:B:S = 1:8:400]. .................................................................................................................. 78 

Table 3.4: Kinetic Resolution of various racemic alcohols using (2) (0.0056 mmol) and KOtBu (0.045 

mmol) at 45oC in a stock solution of benzophenone (1.4 g, 7.7 mmol) in THF (4.7 mL, 58 mmol). ........... 80 

Table 3.5: GC temperatures and retention times for substrates tested .................................................... 90 

Table 4.6: Reaction conditions for all catalytic hydrogen evolution reactions using iron catalysts. ........ 101 

Table 5.7: Comparative 31P {1H} NMR shifts, 2JPP coupling constants and IR v(CO) stretches for 

Precatalysts (10b‐f). .................................................................................................................................. 136 

Table 5.8: Catalytic activity and selectivity for the ADH of acetophenone to 1‐phenylethanol at 50oC.. 137 

 

   

Page 18: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xviii  

List of Abbreviations 

AB  ammonia‐borane 

ADH  asymmetric direct hydrogenation 

ATH  asymmetric transfer hydrogenation 

atm  atmosphere 

BF4  tetrafluoroborate 

BT   blocking temperature 

Bu  butyl 

C:B:S  catalyst to base to substrate 

CO  carbon monoxide 

COSY  correlation spectroscopy 

DCM  dichloromethane 

DFT  Density Functional Theory 

DH  direct hydrogenation 

DLS  dynamic light scattering 

dpen  1,2‐diphenylethylenediamine 

e.e.  enantiomeric excess 

EA  elemental analysis 

EDX  energy dispersive X‐ray 

equiv.  equivalent 

Et  ethyl 

EXAFS  extended X‐ray absorption fine structure 

fac  facial 

GC  gas chromatography 

HMBC  heteronuclear multiple‐bond correlation 

HSQC  heteronuclear single‐quantum correlation 

iPr  iso‐propyl 

iPrOH  iso‐propanol 

IR  infrared 

KBr  potassium bromide 

Page 19: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xix  

KOtBu  potassium tert‐butoxide 

LiAlH4  lithium aluminum hydride 

MAS  magic angle spinning 

Me  methyl 

MeCN  acetonitrile 

MeOH  methanol 

mer  meridional 

MgSO4  magnesium sulfate 

MHz  megahertz 

MS  mass spectrometry 

Na2SO4  sodium sulfate 

NaBH4  sodium borohydride 

NaOiPr  sodium isopropoxide 

NaOMe  sodium methoxide 

NaOtBu  sodium tert‐butoxide 

NEt3  triethylamine 

NH4Cl  ammonium chloride 

NHC  N‐heterocyclic carbene 

NMR  nuclear magnetic resonance 

NOESY  nuclear Overhauser effect spectroscopy 

NP  nanoparticle 

ORTEP  Oak Ridge Thermal Ellipsoid Plot 

PCC  pyridinium chlorochromate 

PCy2  dicyclohexylphosphino 

PF6  hexafluorophosphate 

PiPr2  diisopropylphosphino 

PMe3  trimethyl phosphine 

P‐NH‐NH‐P  tetradentate diphosphinediamine ligand 

P‐NH‐P  tridentate diphosphineamine ligand 

P‐N‐N‐P  tetradentate diphosphinediimine ligand 

P‐N‐P  tridentate diphosphineimine ligand 

PPh2  diphenylphosphino 

Page 20: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xx  

ppm  parts per million 

RT  room temperature 

SEM  scanning electron microscope 

SQUID  super conducting quantum interference device 

STEM  scanning transmission electron microscopy 

tAm  tert‐amyl 

tAmOH  tert‐amyl alcohol 

tBu  tert‐butyl 

TEM  transmission electron microscopy 

TH  transfer hydrogenation 

THF  tetrahydrofuran 

TOF  turnover frequency 

UV‐Vis  ultraviolet visible 

XPS  X‐ray photoelectron spectroscopy 

ZFC‐FC  zero‐field‐cooled field‐cooled 

 

   

Page 21: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xxi  

Summary of Numbered Compounds 

 

Page 22: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xxii  

 

Page 23: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xxiii  

H2N

PPh2R1

R2

Fe

NH2

BrPh2P

CO

NH2

Ph2P

Ph

Ph

[BPh4]

(15)

PPh2

N PPh2

R1R2

(16a) R1 = R2 = H

(S,S)-(16c) R1 = Me, R2 = Ph

(S)-(16d) R1 = Ph, R2 = H

(S)-(16e) R1 = CH2Ph, R2 = H

(S)-(16f) R1 = iPr, R2 = H

(S,S)-(16g) R1 = R2 = Ph

(14a) R1 = R2 = H

(S,S)-(14c) R1 = Me, R2 = Ph

(S)-(14d) R1 = Ph, R2 = H

(S)-(14e) R1 = CH2Ph, R2 = H

(S)-(14f) R1 = iPr, R2 = H

(S,S)-(14g) R1 = R2 = Ph

PPh2

NH PPh2

R1R2

(17a) R1 = R2 = H

(S,S)-(17c) R1 = Me, R2 = Ph

(S)-(17d) R1 = Ph, R2 = H

(S)-(17e) R1 = CH2Ph, R2 = H

(S)-(17f) R1 = iPr, R2 = H

(S,S)-(17g) R1 = R2 = Ph

Ph

Ph

 

Page 24: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

xxiv  

PPh2

N PPh2Fe

NCMe

NCMe

NCMe

R1R2

[BF4]2

PPh2

NH

PPh2Fe

NCMe

NCMe

NCMe

R1R2

[BF4]2

(18a) R1 = R2 = H

(S,S)-(18c) R1 = Me, R2 = Ph

(S)-(18d) R1 = Ph, R2 = H

(S)-(18e) R1 = CH2Ph, R2 = H

(S)-(18f) R1 = iPr, R2 = H

(S,S)-(18g) R1 = R2 = Ph

(19a) R1 = R2 = H

(S,S)-(19c) R1 = Me, R2 = Ph

(S)-(19d) R1 = Ph, R2 = H

(S)-(19e) R1 = CH2Ph, R2 = H

(S)-(19f) R1 = iPr, R2 = H

PPh2

N PPh2Fe

CO

Br

Br

H H BF4

(20)

 

Page 25: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

1  

Chapter 1: Introduction – Mechanistic 

Approaches and Iron‐Based Catalysis 

Partially adapted from Sonnenberg, J.F., Morris, R.H. Catal. Sci. Tech. 2014, 4, 3426‐3438 

1.1 Overview 

The focus of this introductory chapter is two‐fold; first is to highlight why it is important to understand 

the true mechanism of catalysis. This will  include an overview of the existing and commonly employed 

methodologies for distinguishing homogeneous from heterogeneous systems. To highlight the difficulty 

in  truly  identifying  the  active  species  in  catalysis,  this  chapter will  examine  ex‐situ  and  in  operando 

techniques that have been employed to distinguish homogeneous from nanoparticle catalysis involving 

transition metal systems.  The ex‐situ techniques  include electron microscopy and energy dispersive X‐

ray spectroscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy, Mössbauer spectroscopy and X‐ray diffraction.  The 

in  operando  techniques  involve  reaction  profile  and  kinetic  investigations,  poisoning  experiments, 

EXAFS, magnetometry, dynamic  light scattering, NMR experiments, asymmetric  induction and polymer 

coordination. The second goal of this chapter  is to emphasize the  importance of transitioning to more 

sustainable catalysts based on non‐precious metals, both  in the  lab and  in  industry. The use of  iron  in 

catalysis will then be briefly discussed. 

1.2 The Importance of Identifying the True Catalyst 

What  is  the  true  nature  of  an  active  catalyst?  Answering  this  question  traditionally  involved  an 

investigation  into whether  a  catalyst was  homogeneous  or  bulk metal,  but  as  nanoparticle  catalysis 

becomes more prevalent  this question becomes  increasingly difficult and more  important  to answer. 

Determining whether a catalyst  is homogeneous or heterogeneous  is not straightforward, especially  in 

the case of nanoparticle (NP) or cluster catalysis, and there is no single test that can conclusively prove 

what the true nature of a catalyst is. There have been several noteworthy reviews on how to distinguish 

homogeneous from heterogeneous catalysis,1‐10 and this chapter will be focussed primarily on methods 

specific to soluble  transition metal NPs, as they relate more directly  to the topics of this  thesis. Many 

Page 26: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

2  

conventional  heterogeneous  and  nanoparticle  catalysts  are  supported  systems,  and  although  very 

important and versatile,11 these will also not be the focus of this thesis. Critical to this field is the work of 

Finke, whose 2003 and 2014 reviews suggested using a suite of tests and experiments, that each provide 

evidence  for  heterogeneity  or  homogeneity which, when  combined  together,  provide more  valuable 

insights.1,10 In his 2003 review he refers to the suite of potential tests as the ‘toolkit’, and we will focus 

on  reviewing,  further expanding, and adding  to  this  toolkit.  It  is also  important  to address  the advice 

detailed  by  Platt  in  his  1964  article  entitled  ‘Strong  Inference’ where  he  details  the  importance  of 

disproof‐based science.12  In his article he discusses the  importance of devising alternative hypotheses, 

and  executing  experiments  to  test  these  alternative  hypotheses,  followed  by  repeating  this  process 

(asking, ‘what test could disprove your hypothesis?’). This disproof based experimentation and problem 

solving must be applied to answering the title question, whereby a series of tests must be undertaken, 

each  guiding  the next, much  like  a  knowledge  tree,  to build  a  fact‐based  assessment of  the  catalyst 

mechanism. The application of this methodology has been recently detailed extensively as  it applies to 

the question of homogeneity versus heterogeneity by Stracke and Finke.10 

It  is  important  to  first consider why such a strong emphasis has been placed on determining  the  true 

nature of a catalytic system: it is only through a complete understanding of the catalytic mechanism that 

we can start to make significant improvements to catalytic activity, recyclability, selectivity and stability. 

For NP systems, reaction conditions such as temperature, concentration, pressure and the nature of the 

reagents, as well as the synthetic methods used to generate the NPs (type of reductants, solvents, time, 

temperature, pressure, concentration, etc.) can all affect the size, shape, morphology, crystallinity and 

dispersity of  the NPs.13,14 The  type, binding nature and concentration of stabilizers or  ligands can also 

have a large influence on the NP structure and behaviour.11,13,15‐17 All of these factors will, in turn, affect 

the  catalyst’s performance.9 For NPs, many of  these  factors  can be  sequentially modified  to properly 

monitor and tailor the catalyst to better suit the desired catalytic application, making  it critical to first 

understand how the catalyst operates. Homogeneous systems, much like NPs, are strongly influenced by 

their environments, and therefore understanding the mechanism and energies of transition states can 

allow  for  rational  modifications  to  the  catalyst  structure  or  reaction  conditions  for  improved 

performance. This type of sequential modification and analysis methodology has been recently used by 

our group for a homogeneous asymmetric transfer hydrogenation (TH) catalyst which  is now the most 

efficient catalyst  in  its field.18‐20 This process would not have been successful without first determining 

the  true nature of  the  catalyst, and by understanding  the  structure, energetics and behaviour of  the 

active site in the catalytic environment, further improvements to the precatalyst structure were logically 

Page 27: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

3  

implemented. For  further details, the  importance of distinguishing homogeneous  from heterogeneous 

catalysis is reviewed elsewhere.1,2  

In  the  following  two sections, we provide a detailed  list of potential experiments and  tests separated 

into ex situ and  in operando  techniques, which can be undertaken  to  investigate  the  true nature of a 

catalyst. We emphasize how each technique can apply to mechanism elucidation, and give examples of 

catalysts that have been studied using those methods. It is critical to remember that no single technique 

can  provide  conclusive  proof  of  heterogeneity,  but  rather  a  combination  of multiple  ex  situ  and  in 

operando studies is necessary to draw strong conclusions about the true nature of the catalyst. 

1.3 Ex Situ Techniques 

For our purposes, ex situ techniques refer to experiments that require the catalytic solutions to be dried 

as powders or  films  to allow  for analysis of  the metal containing  species. These  techniques are often 

able to provide evidence for the presence of nanoparticles during catalysis (different from proving that 

NPs are  the active  catalyst), and are  therefore commonly employed as  initial probing experiments  to 

determine if a more rigorous analysis is needed. 

1.3.1 Electron Microscopy and Energy Dispersive X‐ray Spectroscopy 

Electron microscopy is a well‐studied, advanced technique,21 that is one of the most common methods 

of  probing  and  analysing  nanoparticle  samples.  Transmission  (TEM),  Scanning  (SEM)  and  Scanning 

Transmission  (STEM)  electron microscopes  can  be  used  to  visually  detect  the  presence  (or  lack)  of 

nanoparticles, as well as examine their size, shape and distributions.22 It is important to first address the 

shortfalls of this technique as an analytical tool. First, the presence of nanoparticles does not prove they 

are  the active  catalytic  species because 1) nanoparticles may  form as an  inactive  side  reaction or an 

active homogeneous catalyst may gradually deactivate into nanoparticles23 or 2) the electron beam may 

induce nanoparticle formation from a homogeneous sample.24‐27 One must also be aware that reports 

do exist of the electron beam inducing phase changes on a heterogeneous surface, which can influence 

the  resultant  structure  observed  by  EM.28  The  lack  of  nanoparticles  also  cannot  be  used  to  prove 

homogeneous catalysis as these instruments do have lower levels of detection and the characterization 

of particles below 1 nm  in diameter  is not often possible.2,29 Another complicating  issue on the use of 

EM  for  catalytic  solution analysis arises  from  the potential high  concentration of non‐volatile organic 

contaminants  present.  We  encountered  this  problem  while  studying  iron  NPs  contaminated  with 

Page 28: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

4  

substrate. During analysis, the organics were rapidly decomposed by the electron beam, making imaging 

difficult, and resulting in the need to lower the temperature of the instrument to ‐100 0C, as discussed in 

further detail in Chapters 2 and 3.30,31 

There  are  countless  examples of nanoparticle  catalysts being  analysed using  electron microscopy  for 

both base metal32‐37 and precious metal16,38‐43 systems. Select examples include the detection of small (2 

nm) monodisperse  iron nanoparticles for C‐C bond hydrogenation by Kelsen et. al.,32 the breakthrough 

iridium  nanocluster  analysis  work  by  Lin  and  Finke  showing  the  time  sensitive  nature  of  Ir~300 

nanoclusters  as  the monodisperse  particles  agglomerate  over  time,40  and  the  detection  of  0.5‐2  nm 

platinum nanoparticles coated onto TiO2 single crystal thin films for CO2 photoreduction by Biswas and 

coworkers.44 TEM  can also be used  to monitor how a NP  catalyst  changes before and after  catalysis, 

which can provide useful mechanistic insights.45 

In  addition  to  standard  imaging  capabilities, many  electron microscopes  are  also  capable  of  running 

Energy‐Dispersive X‐ray Spectroscopy (EDX) which allows for elemental analysis in selective windows, in 

conjunction with imaging.46 Our group took this methodology one step further by using EDX to analyse 

samples  from  activated  catalytic  solutions  and poisoned  catalyst  solutions, pioneering  a new  field of 

applications  using  this  technique.30  As  detailed  in  Chapter  2,  we  were  able  to  use  EDX  analysis  to 

conclusively  show  that  the poison was only bound  to  the Fe NPs, providing  strong evidence  (using a 

combination  of  ex  situ  and  in  operando  techniques)  that  the  NPs  were  the  active  species  during 

catalysis.  

Recently,  Miller  and  co‐workers  published  the  first  example  of  in  situ  liquid  sample  analysis  with 

electron microscopy.47  Their  newly  developed  TEM  cell  allowed  for  the  continuous  passage  of  liquid 

through the cell during microscope imaging as shown in Figure 1.1, eliminating the need for freezing or 

drying  liquid  samples prior  to analysis. This has  the potential  to  completely  change  the way  catalytic 

chemists answer the title question. Using this technology,  it may be possible,  in the future, to monitor 

the  formation  of  nanoparticles  in  real  time  using  electron  microscopy,  and  monitor  changes  as 

substrates,  poisoning  agents  and more  precatalyst  are  added.  This would  also  eliminate  any  doubts 

about  the effect of drying on NP  formation, size and shape. Although  these applications have not yet 

been realized, Miller et.al. were able to successfully image discrete gold nanorods and polymer particles, 

indicating that catalytic analysis may be feasible. 

Page 29: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

5  

 

Figure  1.1:  Prototype  solution  phase  cell  for  electron microscopy  analysis.  Reprinted with  permission  of  Reference  47. 

Copyright 2013 American Chemical Society. 

1.3.2 X‐ray Photoelectron Spectroscopy 

X‐ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) is a useful technique for determining the valency of metals and 

the binding  state of organic  ligands by  comparing  spectra  to  literature values.48 Samples are  run  in a 

similar fashion to those for electron microscopy where the sample  is typically dried and analysed as a 

powder or film, and therefore the same concerns must also be addressed, as discussed previously. The 

window, or area examined, is large, and XPS is therefore useful for indicating the valencies of all metal 

species present during catalysis (both homogeneous and heterogeneous). This method was used by Cho 

et. al.  to analyse their Au NP catalysts which were active  for cyanosilylation.49 They  found that during 

catalysis  there was both homogeneous  (leached  gold)  and heterogeneous  (Au NP)  species  that were 

active for catalysis that were present in a ~4:1 ratio, respectively. Grosvenor et. al. used this technique 

for  the  study  ferrous  (Fe2+) and  ferric  (Fe3+)  compounds, which allowed  for a detailed analysis of  the 

spectra  of  the multiple  oxidation  states  of  iron  in  Fe3O4.50  XPS  analyses  can  be  selectively  run  on 

individual elements, and  is not  limited to metals, which we were able to take advantage of by probing 

phosphorus excitation peaks of our catalytic solutions, as detailed in Chapter 2. Also taking advantage of 

this capability was Manners and coworkers51 who were able to show the binding of phosphine poisoning 

agents onto  a Rh(0) NP  surface by  analysing  the phosphorus  spectra. During  the dehydrocoupling of 

amine‐boranes  they  found  that  their catalysts were deactivating, and confirmed  that small phosphine 

Page 30: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

6  

poisoning  agents,  such  as  PMe3,  could  poison  catalysis.  They  confirmed  that  this was  going  through 

phosphine ligation on the NP surface using XPS analysis. 

1.3.3 X‐ray Diffraction and Mössbauer Spectroscopy 

Both  of  these  techniques, much  like  those  discussed  in  1.3.1  and  1.3.2,  are  typically  done  on  dried 

samples, diminishing their ability to determine the identity of the active catalytic species. However, they 

are both very powerful  tools  for detecting and characterizing NPs. The complete characterization of a 

confirmed  NP  catalyst  can  be  immensely  valuable  in  evaluating  the  influence  of  changing  reaction 

conditions and  synthetic methodologies.  In addition, monitoring how a  catalyst  changes over  time  to 

determine  its deactivation pathways  is also of great  interest, and  is  feasible using both  techniques.40 

Similar to XPS, spectral data can be obtained and compared to  literature values to determine both the 

valency and structure of the metal centre.13,52,53 The detection of zero‐valent metal centres, such as the 

iron NPs characterized using both methods by Linn et. al.54 provided strong evidence for the presence of 

a nanoparticle or heterogeneous species. Although Mössbauer  is typically run on dried samples, single 

crystals and polycrystalline samples, this technique can also be applied to solutions, however they are 

typically frozen.55 The use of rapidly frozen solution samples has been applied to monitoring the kinetics 

of  biological  reactions  containing  reactive  iron  species  of  varying  oxidation  states  to  monitor  the 

changes in iron species over time.56‐58 A major limitation of Mössbauer is that it is typically only run on 

57Fe, as most other common metals used in catalysis are not Mössbauer active.55 

1.4 In Operando Techniques 

Studying a catalyst in its reactive state can be very informative. Unlike the ex situ techniques discussed 

in  section  1.3  where  the  catalytic mixture  needed  to  be  dried  to  allow  for  analysis,  the  following 

techniques allow one to observe and study the catalyst in solution. Studying the catalyst in the solution 

state allows it to be observed in its ‘natural habitat’. By studying dried powders one can only determine 

whether  nanoparticles  are  present,  but  not  whether  they  are  the  active  species,  with  limited 

exceptions.30 With solution  techniques, one need not be concerned about  the effect of drying on  the 

active species,23 and it is possible to directly observe the catalyst interacting with a substrate.59  

Page 31: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

7  

1.4.1 Reaction Profiles and Kinetic Investigations 

The most  common  identifiers of NP catalysis come  from directly monitoring  the  reaction. A  common 

early  indicator  is  a  dark  or  non‐transparent  reaction  solution.  This  is  indicative  of  zero‐valent metal 

centres  and  colloidal  suspensions  which  are  often  generated  under  strongly  reducing  reaction 

conditions, such as the presence of strong base, reductants, and hydrogen gas.1 Dark or non‐transparent 

solutions  by  no means  prove NP  formation,  but  the  observation  of  a  resultant  dark  solution  should 

prompt further investigations into the true nature of the system.  

Next is the characteristic sigmoidal reaction curve, as depicted in Figure 1.2. The three main sections of 

the curve are 1) initiation, 2) catalysis and 3) completion. Initiation refers to the formation of the active 

sites, and  this process has been  studied  in detail by Finke and  co‐workers, who  suggest  that  to  truly 

understand how a catalyst operates, one must  study  the kinetics  in detail  to determine  the  rate  law, 

including  running  all  relevant  control  experiments,  to  fully  understand  where  the  precatalyst mass 

goes.10,60‐63 Depending on  the mechanism of catalyst activation,  this  initiation phase can encompass a 

wide range of transformations, often including some kind of nucleation and growth phase, although the 

process  is exceptionally more complex and must often be studied on a case‐by‐case basis. The size of 

the  final,  active  nanoclusters  can  also  be  predicted  based  on  low  energy  conformations  containing 

specific numbers of metal atoms, or ‘magic numbers’.62,64 Following the formation of the active species 

is phase 2,  rapid  catalytic activity,  followed by  the  completion of  the  reaction  (phase 3). A  thorough 

kinetic  investigation,  if done correctly, can provide strong evidence for nanoparticle catalysis; however 

this  is not always  feasible depending on  the catalytic system under  investigation. For our  iron system 

discussed in Chapter 2, due to how air sensitive and fast reacting the system was, as well as the fact that 

several side reactions were taking place yielding inactive and partially unidentified species, we were not 

able  to monitor  the consumption of precatalyst mass during  the  reaction.30 This prevented a detailed 

kinetic investigation of the activation of our system,  inhibiting effective modelling of NP formation and 

catalysis. To fully understand the intricacies of catalyst formation, kinetic studies to determine the rate 

constants  and  product  formation  are  crucial,  and  this  has  been  studied  in  detail  by  Finke  and  co‐

workers, and we direct any interested reader to their work.1,7,10,27,60‐62,65 To give an example of the power 

of  kinetic  analysis, using  the  Finke‐Watzky  (F‐W) Kinetic model, which  they derived  for  their  system, 

Finke  and  co‐workers were  able  to  accurately  predict  reaction  profiles  based  on  rate  constants  and 

equations specific to NP nucleation and growth, as depicted in Figure 1.2.61,63 

Page 32: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

8  

 

Figure 1.2: Sigmoidal  reaction curve depicting  the hydrogenation of cyclohexene over  time. Curve  shows all  three phases 

(nucleation, catalysis and completion) of the reaction profile. Also shown is the predicted curve using F‐W Kinetics. Reprinted 

with permission from Reference 63. Copyright 2009 American Chemical Society. 

As  a  caveat,  the  presence  of  a  sigmoidal  reaction  curve  does  not  guarantee  that  a  catalyst  is 

heterogeneous, as has been demonstrated by our group.19 Also, the  lack of a sigmoidal reaction curve 

does not disprove NP catalysis, but rather suggests the NP activation is much faster than catalysis.33,36 

1.4.2 Poisoning Experiments 

Following the sigmoidal reaction profile, the next most common test for a NP catalyst is poisoning. There 

are  two main  types of poisoning  tests commonly employed: mercury and  substoichiometric. Mercury 

poisoning  is  a well‐established  tool,  commonly  used  for  bulk  heterogeneous  and  some NP  catalytic 

systems. To successfully use this test, one should add an excess of mercury after the commencement of 

catalysis to ensure that  it  is reacting with the activated catalyst, not the catalyst precursor, by forming 

an amalgam with  the exposed  surface and  inhibiting  catalysis.1,27,49,51,66‐69 This methodology has been 

widely used for nearly 100 years68 and its applications have been thoroughly reviewed previously.1,2 It is 

important, however, to draw attention to the potential false‐positive and false‐negative results that are 

possible with this method. First  is that mercury can poison homogeneous catalysts, and this has been 

shown by Dyson.70 In his article he discusses the difficulties associated with distinguishing homogeneous 

from heterogeneous  catalysis  as  it pertains  to  arene hydrogenation,  and  suggests  that mercury may 

react with metals and ligands, deactivating homogeneous systems. This would provide a ‘false‐positive’ 

result for heterogeneous catalysis. Mercury reacting with metal precursors deactivating homogeneous 

Page 33: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

9  

pathways has also been shown with Pt  (0) species.23,71 Secondly, mercury  is not able  to  form a stable 

amalgam with  all metals72  and  therefore  successful  catalysis  (not  poisoned)  cannot  act  as  proof  of 

homogeneity. There have been many  recent examples of  this  issue, particularly with  iron, where  the 

active catalyst was tolerant to an excess of mercury and was shown to be NPs.30,73,74 

The next  type of NP poisoning  test  involves  the use of  substoichiometric amounts of  small poisoning 

agents such as phosphines, thiols, amines and alcohols.1,2,7,75 For a homogeneous catalyst system, one 

would  expect  to  need  one  or  more  equivalents  of  poison  to  inhibit  catalysis  (every  metal  centre 

represents an active site).  In a NP system, much of the metal  introduced as the precatalyst  forms the 

core of the active species, whereas the remaining metal makes up the reactive NP surface, resulting  in 

proportionately  fewer active  sites. This would  indicate  that much  less  than one equivalent of poison 

(relative  to metal)  is needed  to  inhibit NP  catalysis. The difficulty with  this  technique  is  choosing  the 

correct poison that will bind to and block the active sites of the catalyst, keeping  in mind the  issue of 

stoichiometry (can a single poison block more than one active site?).7,76 This method of testing is widely 

used and studied and  is extensively used  in  the study of Fe NP catalysts  in our group, as discussed  in 

Chapters  2  and  3. We  have  significantly  expanded  the  breadth  of  tests  that  can  be  done  using  this 

technique, as discussed  in Section 1.3.1  for  the use of poisoning  jointly with TEM and EDX analysis  to 

probe the true nature of a catalyst. To further elaborate on the wide applicability of this technique, we 

would  like  to  highlight  a  single  example  out  of  the Manners  group. Manners  and  coworkers  have 

recently  published  the  use  of  two  similar  iron  catalysts  for  the  dehydrogenation  of  amine‐boranes, 

[CpFe(CO)2]2  (A) and CpFe(CO)2I  (B)  (Cp =  η‐C5H5) both of which  require photo‐irradiation  to activate. 

During studies to further understand the mechanism, they observed different reactive intermediates in 

the case of (A) versus (B).37 Following activation of either (A) or (B), they allowed catalysis to reach 50% 

conversion before splitting the reaction into two batches. One batch was allowed to react normally, and 

10%  PMe3 was  added  to  the  other  batch.  The  batches  that were  not  treated with  PMe3  proceeded 

normally, whereas  the  batches with  PMe3 were  affected:  (A) was  completely  stopped,  and  (B) was 

slowed. Addition of 1 equivalent of PMe3  instead of 10% (relative to Fe) completely stopped catalysis. 

This  series  of  tests  provided  strong  evidence  that  (A)  formed  a  heterogeneous  NP  catalyst  when 

activated, whereas  (B) was homogeneous  in nature. This was  further probed using  a wide  variety of 

techniques  including TEM, EDX, DLS  (vide supra) and computational  (DFT) studies,  to provide a strong 

collection of evidence for the true nature of the catalyst in both cases, as outlined by Figure 1.3. 

Page 34: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

10  

 

Figure  1.3:  Distinguishing  homogeneous  from  heterogeneous  Fe  catalysis  for  the  dehydrogenation  of  amine‐boranes. Reprinted with permission from Reference 37. Copyright 2014 American Chemical Society. 

1.4.3 Extended X‐ray Absorption Fine Structure 

EXAFS is gaining wide popularity as a powerful technique capable of identifying and characterizing metal 

species  in  the  solution  state during  catalysis.77,78  Lamberti and  coworkers have  recently published an 

extensive  review  on  the  use  of  various  EXAFS  experiments  as  they  apply  to  in  operando  and  in  situ 

studies  of  heterogeneous  catalysis,  and we  strongly  recommend  their  review  article  (and  references 

therein) for further details on the wide applicability of this technique.77 

To illustrate how this technique can be used to probe the true identity of an active catalyst, consider the 

puzzling  case  of  rhodium  catalysed  benzene  hydrogenation  using  [RhCp*Cl2]2  precatalyst  recently 

explored  by  Bayram  et.  al.79  For  their  investigation,  they  built  a  pressure  reactor with  a  specialised 

window that allowed for the transmission of an X‐ray beam. Using this setup they were able to monitor 

the consumption of  the  [RhCp*Cl2]2 precursor, and  the  selective  formation of a new  rhodium  species 

which was responsible for catalytic activity. This new species was identified as a Rh4 ligated cluster using 

theoretical  and  literature  analyses.80 Detailed  kinetic  studies  and  quantitative  poisoning  experiments 

were then undertaken to identify Rh4 clusters as the true active species in catalysis, lending tremendous 

support  to  the power of  this  in operando  technique.  It  is also  important  to note  that although EXAFS 

identified the main metal species present, it is not stand‐alone proof of cluster catalysis; for this a suite 

of tests were required.  

Page 35: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

11  

Similar  EXAFS  experiments were done on  zero‐valent  iron NPs by  von Wangelin  and  coworkers who 

were  studying  alkene  hydrogenation  from  in  situ  prepared  zero‐valent  iron NPs.  They were  able  to 

quantitatively  determine  the  environment  surrounding  the  iron  atoms  in  both  the  metal  halide 

precursor and within the NP,34 confirming the previously hypothesized formation and structure of a THF‐

ligated iron cluster upon activation.81 Stein et. al. have also used EXAFS and small‐angle X‐ray scattering 

(SAXS) to study the true active species in Pt catalysed hydrosilation using Karstedt’s Pt (0) precatalyst.23 

This system was long believed to operate via a colloidal Pt (0) mechanism,5,71 but was shown to in fact be 

monomeric,  homogeneous  species  acting  as  the  active  catalyst, which was  determined  using  a wide 

range of tests. 

1.4.4 Magnetometry 

Much like EXAFS analysis, magnetic measurements, particularly Superconducting Quantum Interference 

Device (SQUID) Magnetometry, are capable of analysing catalytic solutions of first row transition metals, 

in  situ.  The  use  of  this  technique  to  identify  NPs  relies  heavily  on  the  diverse  range  of magnetic 

properties of metals in different states, particularly diamagnetic, paramagnetic and superparamagnetic 

species.82,83 The two standard SQUID experiments typically run are zero field cool‐field cool (ZFC‐FC) and 

hysteresis runs.74 The first  is a ZFC‐FC experiment, where samples are first supercooled to ~2 K  in zero 

field, then warmed gradually under the influence of a set magnetic field to ~100 K, and then cooled back 

to 2 K under the same field yielding a plot like the one in obtained by de Vries and coworkers in Figure 

1.4  (bottom). For a diamagnetic sample, one would expect a slightly negative and  flat  (constant) plot, 

whereas  for a paramagnetic  sample, one would expect a  complete overlay of  the FC plot. Figure 1.4 

(bottom) instead demonstrates a broad peak around 10‐12 K. This is the blocking temperature (BT) and 

indicates the point at which the nanoparticles break out of their blocked regime and begin to become 

ferromagnetic,  indicative of metal nanoparticles.30,74,84 The second set of experiments typically run are 

hysteresis  loops, such as  those  in Figure 1.4  (top). At set  temperatures,  the  instrument scans  forward 

and backward through a range of magnetic fields. At temperatures above the BT, such as 40 K in Figure 

1.4, the plots exactly overlap each other, but at temperatures below the BT (3 K) hysteresis is observed, 

and the width of separation of the traces is referred to as the coercive field. 

Page 36: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

12  

 

Figure 1.4: Standard plots obtained using SQUID Magnetometry analysis. Top  ‐ hysteresis  loops  through varying magnetic 

fields at two set temperatures  (3 K and 40 K). Bottom  ‐ ZFC‐FC experiment depicting a blocking temperature. Reproduced 

from Reference 74 with permission from The Royal Society of Chemistry. 

These experiments are not as common as they require fairly specialized equipment, but have begun to 

see widespread use in the characterization of iron NPs in the 2‐3 nm range,85,86 the 3‐4 nm range30,74 and 

the 7 nm range.84 

1.4.5 Dynamic Light Scattering 

Dynamic Light Scattering  (DLS)  is a very powerful technique for determining the various sizes of metal 

species in solution, allowing for facile in operando studies of catalytic solutions.87 In his review, Crabtree 

explains that unlike electron microscopy, which is limited to dry, ex‐situ analysis, DLS gives a much more 

realistic picture of the species present during catalysis.2 He also emphasizes the versatility of DLS in that 

it can often detect particles smaller than the detection limit of traditional microscopy, yielding the same 

sizing information. Historically this technique has seen much more widespread use to either confirm or 

Page 37: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

13  

disprove the presence of NPs,5,23,71,88 but has not been exploited by catalytic chemists  in recent years, 

with  few  exceptions.37  It  is  once  again  important  to  point  out  that  although  this  technique  can 

demonstrate  the presence of NPs,  it cannot act as stand‐alone proof of a heterogeneous mechanism; 

further in operando studies are needed in conjunction with DLS. It becomes important to point out that 

data analysis is not always straightforward. For real life samples there is often a distribution of particle 

sizes and  the experimentally determined particle  radius  is actually a weighted average,  called  the  ‘z‐

average size’.87 Therefore  it  is critical to ensure that disproportionately  large agglomerates or organics 

such as polymers and dust are not included in analysis as they can drastically skew the average. Another 

important note with this technique is that the signal scales with the size of the particles.89 This indicates 

that very small particles may be below the detection  limits of the  instrument,  indicating that although 

an experiment may suggest that there are no NPs present, it is possible that the catalyst is in fact very 

small heterogeneous particles or clusters. 

1.4.6 NMR Experiments 

No  longer only useful  for characterizing starting materials and metal precursors, NMR spectroscopy  is 

one of the most powerful tools for garnering mechanistic insights and identifying reactive intermediates 

in  catalysis. NMR  spectroscopy  has  been  used  extensively  in  homogeneous  catalysis  to  identify  and 

characterize  reactive  intermediates,  commonly  metal  hydrides,  fluxional  species  and  isotopically 

enriched  intermediates.20,90‐96 Although  the use of NMR experiments  to determine  the mechanism of 

homogeneous catalysis is enormous, the use of it to study NP systems is fairly limited. Many catalytically 

active NP  solutions  contain paramagnetic and  superparamagnetic  species which  can  complicate NMR 

analysis  for  heterogeneous  systems,  but  a messy  NMR  spectrum  is  by  no means  evidence  for  NP 

catalysis. NMR spectroscopy  is an  incredibly powerful technique that allows for the sequential analysis 

of a large number of different atoms that may be present in the NP itself, or in the ligand, for example 

31P, 29Si, 11B, 19F, 7Li and 195Pt NMR experiments.10 During the analysis of our iron TH catalyst system we 

attempted to analyse the catalytic mixtures by NMR spectroscopy.97 Conveniently, our systems have a 

phosphorus containing  ligand, which enabled  the use of  31P NMR spectroscopy. As detailed  further  in 

Chapter 2, analysis  indicated  the presence of  free  ligand,  indicating  that some  ligand had become de‐

coordinated from iron during activation, lending support for the formation of zero‐valent NPs. The other 

compound present was  identified as  an electron  rich  ferraaziridinido  complex where one  side of  the 

ligand arm  folded upwards  to coordinate  to  the metal centre.97  Initially, assuming  this was  the active 

species,  it was  independently synthesized and tested for catalysis but found to be completely  inactive. 

Page 38: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

14  

This  indicated  that our  true active  species was NMR  silent, and  rigorous  computational  studies were 

undertaken to determine the role of the ferraaziridine complex in catalysis. DFT indicated that it was an 

intermediate to a very stable, low energy Fe(0)‐(P‐N‐N‐P) species, supporting the formation of iron NPs 

during  catalysis  and  providing  a  potential  pathway  to  NP  formation.  This  example  illustrates  the 

importance  of  independently  synthesizing  and  testing  potential  intermediates  determined  by  NMR 

spectroscopy,  and  demonstrates  the  power  of  combining  multiple  techniques  to  determine  an 

activation mechanism. 

Another application of NMR experiments  for NP  catalysis  is  the use of  solid  state NMR as  shown by 

Chaudret and coworkers to probe the surface chemistry and reactivity of ruthenium NPs.38,98 Using 2 nm 

Ru  NPs  formed  in  the  presence  of  polymer  (polyvinylpyrrolidone  ‐  PVP)  or  ligand  (bis‐

(diphenylphosphino)butane  ‐ dppb),  the  location and dynamics of  13CO on  the surface of  the particles 

could be directly monitored in the solid state using magic‐angle spinning (MAS) 13C NMR spectroscopy. 

Using the NMR data, they were able to determine the location (face, edge or vertex) of the CO as well as 

its bonding geometry (bridging or linear) as a function of the type of ligand/stabilizer and CO exposure 

conditions.98  Chaudret  and  coworkers  took  this  one  step  further  and  characterized  N‐heterocyclic 

carbene  (NHC)  stabilized Ru NPs, and were  similarly able  to determine  location and dynamics of CO, 

NHC and hydride  ligands on  the surface as a  function of NHC sterics, as depicted  in Figure 1.5. These 

results were  then analysed  in  conjunction with  catalytic behaviour, allowing  for  in depth mechanistic 

information  to  be  determined  correlating  ligand  sterics with  surface/active  site  effects  and  catalytic 

activity.38 

           

Figure 1.5: Space‐filling model depicting Ru NPs  selectively  coated by NHC  ligands as determined by  13C  solid  state NMR 

spectroscopy. Two NHC ligands tested are also shown for clarity. Reprinted with permission of Reference 38. Copyright 2011 

Wiley‐VCH. 

Page 39: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

15  

1.4.7 Chirality 

The observation of asymmetric induction is no longer a valid proof for homogeneity as well‐defined and 

enantioselective NP catalysts are becoming more widely reported. Well‐defined NP catalysts coated  in 

chiral  ligands have been shown to perform asymmetric catalysis to yield chiral products.11 We recently 

published the use of chiral tetradentate P‐N‐N‐P ligands on iron NPs for the asymmetric TH of ketones to 

chiral alcohols with modest enantioselectivities of 65% for acetophenone conversion.30 Using the achiral 

variant of the P‐N‐N‐P ligand we saw no enantioselectivity, indicating that the ligand was responsible for 

inducing chirality, as opposed to an inherently chiral metal surface.99 We then took these systems a step 

further  and  tested our  chiral  iron NP  system  for  the  reverse  reaction, oxidative  kinetic  resolution of 

racemic alcohols to generate enantioenriched alcohols. Although rates were moderate, we successfully 

showed the first application of chiral NPs for this type of catalysis.31 The use of chiral ligands to induce 

asymmetric  transformations on NP  surfaces has been employed  recently by Gao  for  iron NPs  coated 

with macrocyclic  P‐N‐N‐P‐N‐N  ligands  for  direct  asymmetric  hydrogenation100  and  by  Chaudret  and 

coworkers  for asymmetric TH using  ruthenium NPs coated  in chiral N‐donor  ligands.101 Knoppe et. al. 

have also shown that a chiral gold cluster can be formed using achiral thiolate ligands (intrinsically chiral 

cluster), and the Au38(SR)24 cluster is capable of racemizing in solution under modest conditions.102‐104 

Initial discoveries  in  this  field came  from Osawa105 who used  tartaric acid on Raney nickel  for ketone 

hydrogenation  and  from  Orito  et.  al.  who  used  platinum  on  carbon  with  cinchonidine  (CD)  for 

hydrogenation.106,107 The Orito reaction has since been built upon by Bönnemann and Braun108 who used 

palladium and platinum colloids treated with cinchonidine to hydrogenate ketones, and more recently 

by Baiker et. al.109‐111 who bound cinchonidine coated platinum colloids to magnetite particles to allow 

for  facile  separation and  reuse. The Orito Reaction has been  studied and  improved upon  significantly 

over the past couple decades, and those interested in more information are encouraged to read recent 

reviews.112‐114 

To round out our discussion of chirality and NPs for asymmetric  induction, we would  like to address a 

recent article by McBreen and  coworkers who described  the use of a  scanning  tunneling microscope 

(STM) to visually analyse the orientation of chiral modifiers and prochiral substrates on a platinum [111] 

surface.59 Using STM they could map out the most common orientations of ligand relative to substrate 

and  run  catalysis  to  determine  the  product  enantiopurity.  Then,  using  DFT  calculations,  they  could 

separately predict  the  lowest  energy  conformations  (orientations of  ligand  relative  to  substrate)  and 

Page 40: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

16  

resulting product ee, which was consistent with experimental data. This not only proves the applicability 

of NPs to asymmetric catalysis, but demonstrates that much  like homogeneous systems, chirality on a 

surface can be predictable. 

1.4.8 Polymer‐Bound Substrates 

The use of multiphasic systems to test heterogeneity is a highly useful and underutilized qualitative tool. 

The general concept of this type of test is that a substrate is bound within the pores of porous polymer, 

such  as  a  commercially  available  resin,  and  catalysis  is  run  using  the  resin  as  the  substrate. 

Homogeneous  catalysts  are  small  enough  to  permeate  the  pores  and  do  catalysis,  yielding  product, 

whereas  heterogeneous  catalysts  are  too  large  and  the  polymer  remains  unchanged.2  This  was 

conventionally  used  to  determine  if  homogeneous  catalysts  were  leaching  from  heterogeneous 

catalysts, such as the work done by Davies et. al. who showed that palladium was  leaching from Pd/C 

yielding active homogeneous species.115 This was done by coordinating the aryl iodide substrate inside a 

porous polymer, and  supporting  the  cross‐coupling Pd catalyst  separately; catalysis  took place, which 

indicated  that  Pd was  leaching  into  solution,  entering  the  polymer  and  doing  cross‐coupling.  In  his 

review, Crabtree also emphasizes  the  importance of  this  test as  it can  indicate whether metal species 

have  leached  into  solution,  which  can  cause  product  contamination,  an  important  issue  in  the 

pharmaceutical industry.2 

Collman et. al. reported the use of a C=C cross‐linked Merrifield resin to distinguish homogeneous from 

heterogeneous hydrogenation using the resin directly as the substrate.116 These resins were used for a 

series  of  precious metal  catalysts  and  proved  highly  effective  at  distinguishing  homogeneous  from 

heterogeneous  systems. We  also  recently  applied  this  technique  for  our  iron  NP  TH  system30  and 

oxidative kinetic resolution systems,31 as detailed in Chapters 2 and 3 respectively. For our systems, we 

were able to tether substrates within the pores of a polymer and demonstrate that small reagents and 

homogeneous  catalysts  could  permeate  the  pores,  whereas  no  conversion  was  seen  using  our  Fe 

systems, supporting our proposition that the active species were Fe NPs. These systems were analysed 

using semi‐solid state 13C NMR spectroscopy on pre‐swollen polymer beads117 to  indicate the presence 

of  C=O  versus  C‐OH  bonding  states.118  Other  useful  analysis methods  for  the  functionalized  beads 

include the use of  IR spectroscopy,30 or selectively untethering the functional group from the polymer 

post‐catalysis and running standard analysis  techniques  (NMR, GC, etc.).119 Although  there are several 

limitations  to  this methodology,  specifically  the  types of  substrates  that can be assembled within  the 

Page 41: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

17  

pores of the polymer,  it has proven to be a powerful tool for a variety of applications. A few points to 

keep in mind with the application of this technique: 1) the catalyst being tested must be active towards 

the substrate  incorporated  into the polymer, 2) the polymer cannot act as a poison to catalysis, 3) the 

catalyst must be  active on  the  timescale of polymer  catalysis  (permeating  the pore  and  catalysing  a 

reaction inside a polymer will take longer than for free substrate and the catalyst must remain active for 

the test to be accurate), and 4) an accurate method of polymer analysis must be designed/devised. For 

our studies, this technique was best viewed as a more qualitative mechanistic probe, as opposed to a 

quantitative, kinetic probe; however it still yielded highly valuable information. 

1.5 Going Green – Iron‐Based Catalysis 

So  far  we  have  focussed  on  the  importance  of  distinguishing  homogeneous  from  heterogeneous 

catalysis, and a wide variety of techniques to do so. The majority of these techniques are applicable to 

all  transition metal  catalysts,  and  so we would  like  to  focus one  step  further  and  look  at  iron‐based 

catalytic systems. 

Catalysis  is ubiquitous  in academia and  industry;  it yields most of the pharmaceutical products people 

take every day, generates the plastics and materials that go  into most commercial products, and  is at 

the  forefront of  the energy  sector. The problem with  this ubiquity  is  the  compounds with which  this 

catalysis  is run. The majority of catalytic reactions are done using precious metal catalysts, specifically 

rhodium,  iridium,  ruthenium, platinum and palladium. Not only are  these metals very expensive, but 

their availability  is rapidly diminishing and cannot sustain our growing needs. Research groups all over 

the world have begun to redirect their focus towards the development of more sustainable base metal 

catalysts  to  address  this  issue.  Complexes  based  on  iron,  cobalt,  copper  and  nickel  have  begun  to 

emerge  in  the  literature  as  potential  green  alternatives.120‐122 Not  only  are  these metals  significantly 

cheaper  and  more  earth  abundant,  but  they  are  also  much  less  toxic,  which  is  important  when 

evaluating  allowable  trace  metal  impurities  in  final  products  for  consumer  use.  In  2008  US 

Pharmacopeia  released  a  document  outlining  the  allowable  daily  levels  of  various  elements  in  the 

human body.123 Precious metals such as  Ir, Os, Pt, Pd, Rh and Ru all scored 100 μg/day/50 kg person, 

whereas Cu  scored 500, Ni and Co 1000, and  iron at 15,000 μg/day/50 kg person. Not only does  this 

show  how much  less  toxic  iron  is  than  it’s  precious metal  counterparts,  but  also  how much more 

rigorous  (and expensive) of a clean‐up process  is  required  to  remove any  trace metal  impurities with 

Page 42: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

18  

precious metals versus iron.124,125 This therefore provides metrics on how important it is to start moving 

towards base metals in catalysis, particularly iron.  

In order  to make a  real  impact on  industry, new  catalysts need  to be equally efficient,  selective and 

stable compared to the well‐established precious metal catalysts already in use, and this has proven to 

be quite problematic. Base metals are much smaller and have different reactivities than larger precious 

metals, and hence  interact differently with  the organic  ligands  typically used with precious metals  to 

induce specific reactions. Regardless of  these many  roadblocks, significant progress has been made  in 

the development of  iron based catalysts.20,122,126‐129 As we proceed  through our discussions of  transfer 

hydrogenation,  oxidative  kinetic  resolution,  ammonia‐borane  dehydrogenation  and  direct 

hydrogenation in Chapters 2‐5 respectively, we will highlight significant iron systems developed in each 

area of catalysis. Here, we would  like to briefly highlight some of the key  iron catalyst discoveries that 

have  been  made  in  recent  years  that  have  set  the  standards  for  these  types  of  sustainable 

transformations. 

 We would be remiss to not mention the tremendous influence heterogeneous iron catalysts have had in 

industry. Both the Haber‐Bosch Process for the synthesis of ammonia (fertilizer  industry)130,131 and the 

Fischer‐Tropsch  Process  for  the  conversion  of  hydrogen  and  carbon  monoxide  into  useful  liquid 

hydrocarbons  for  the  fuels and energy sector132,133 use heterogeneous  iron catalysts under  immensely 

high pressures and temperatures. Magnetite (Fe3O4) NPs are becoming ubiquitous as catalyst supports, 

as  they  are magnetically  recoverable,  allowing  for  easily  recycled  catalysts  to  be  developed.11,134,135 

Magnetite particles are also commonly used in the high tech field for magnetic memory,13 although that 

is far beyond the scope of this thesis. 

In the area of homogeneous catalysis countless reviews detail the broad applicability of iron as both an 

efficient and  selective  catalyst.120‐122,126,127,136 Much of  this work has been  inspired by nature; namely, 

mimicking the active sites of hydrogenases and nitrogenases in an effort to reproduce the high catalytic 

turnover exhibited by naturally occurring enzymes.137‐142 Namely, [FeFe], [NiFe] and [Fe]‐ hydrogenases 

are  incredibly  efficient  at  forming  and  releasing H2  gas  from  protons  and  electrons,  and  the  FeMo‐

cofactor of the nitrogenase enzyme is able to direct the eight electron conversion of N2 gas and protons 

to  ammonia. Although  there has been  tremendous  success  and breakthroughs  in  this  area,  they  are 

beyond the scope of this thesis and will not be discussed further.  

Page 43: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

19  

Major  breakthroughs  in  the  area  of  homogeneous  iron  catalysis  have  been made  by  the  groups  of 

Morris, Milstein, Casey, Chirik, Peters, Beller and many others, as illustrated in Figure 1.6. Our group has 

been heavily involved in the area of ketone hydrogenation using iron‐(P‐N‐N‐P) catalysts, as depicted by 

our first, second and third generation systems  in Figure 1.6. The first generation system  is the focus of 

Chapters 2‐4, and was originally published as a direct hydrogenation catalyst,143,144 and  later as a more 

efficient transfer hydrogenation system capable of achieving turnover frequencies (TOF) of 2600 h‐1 and 

enantioselectivities of 65% for acetophenone.145 Our second generation with the smaller coordinating P‐

N‐N‐P rings showed a marked improvement, yielding TOF of up to 30,000 h‐1 and enantioselectivities up 

to 90%  for acetophenone.18,146,147 By  further evaluating  the mechanism19,91,148 our  third generation of 

iron catalysts were developed with a P‐N‐NH‐P ligand scaffold capable of achieving TOF up to 720,000 h‐

1  and  comparable  enantioselectivities  to  the  second  generation.20  Moving  away  from  transfer 

hydrogenation  and  looking  at direct hydrogenation, which will be  the  focus of Chapter 5, Casey  and 

Guan  developed  a  Shvo‐type  system  using  iron  capable  of  hydrogenating  aldehydes  and  ketones  at 

modest  temperatures  and  pressures  that  was  shown  to  operate  via  an  outer  sphere  (bifunctional) 

mechanism.149,150 Beller and coworkers then used the Casey & Guan  iron catalyst  in conjunction with a 

chiral phosphoric acid co‐catalyst to achieve enantioselectivities of up to 96% for  imine hydrogenation 

under harsh  conditions.151 Concurrently, Milstein  and  coworkers developed  a  tridentate  P‐N‐P pincer 

complex  on  iron  with  pendant  hydride  and  carbon  monoxide  functionality  which  was  able  to 

hydrogenate ketones under much milder conditions, achieving TOFs of 430 h‐1, but without the presence  

of a chiral functionality.152,153 Employing a similar P‐N‐P  ligand scaffold, Beller et. al. recently published 

an  iron complex capable of releasing H2 gas  from methanol and water with TOFs up  to 600 h‐1,154  the 

mechanism  for which  is  a major  area of discussion  in Chapter 5.  Lastly  are  the olefin hydrogenation 

catalysts developed by Chirik and coworkers155‐160 and by Peters and coworkers,161,162 which both contain 

highly reactive Fe‐N bonds and pincer ligands, and take advantage of the multitude of accessible stable 

oxidation states of iron. Also taking advantage of these highly reactive Fe‐N bonds was Yuki et. al. who 

were able to transform dinitrogen into silylamine using iron pentacarbonyl and ferrocene precursors.163 

These examples represent only a small sector of the wide range of applications of iron in homogeneous 

catalysis, but they illustrate the power of using base metals in the place of precious metal systems. 

Page 44: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

20  

N

PiPr2

PiPr2

FeHCO

BrN

PiPr2

PiPr2

FeHBH3CO

HFe

TMS

TMS

OH

OCOC

H

O

O

OPFe

TMS

TMS

OH

OCOC

H

O

OHiPr

iPr iPr

iPr

iPr

iPr

Milstein

Beller

N N

PPh2

PPh2

Fe

L

N

RR

Morris

[BF4]2

Direct Hydrogenation 2008 (L = NCMe)Transfer Hydrogenation 2009 (L = CO)

N N

PPh2

PPh2

Fe

CO

Br

RR [BPh4]

Transfer Hydrogenation 2009

N N

PPh2

PPh2

Fe

CO

Cl

RR [BF4]

Transfer Hydrogenation 2013

Direct Hydrogenation 2011, 2012 Direct Hydrogenation 2007

Casey

Direct Hydrogenation 2011

ChirikN

N NFeAr ArN2 N2

Olefin Hydrogenation 2004Hydrosilation 2012

Peters

Olefin Hydrogenation 2004

N

PiPr2

PiPr2

FeBrCO

HH

Hydrogen Generation (MeOH) 2013Ester Hydrogenation 2014

H

 

Figure 1.6: Illustrative examples of iron catalysts developed for a wide range of catalytic transformations. 

 

 

Page 45: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

21  

1.6 Summary 

Determining whether  a  catalyst  is  homogeneous  or  heterogeneous  can  be  quite  challenging,  and  it 

requires  a  combination  of many  techniques  to  determine  the  true  nature  of  a  catalytic  system.  By 

employing  both  ex  situ  and  in  operando  techniques, with  an  emphasis  on  the  importance  of  kinetic 

investigations, one can begin to piece together a catalytic mechanism, enabling rational modifications to 

be made to  improve catalyst activity, selectivity, stability and recyclability. Common ex situ techniques 

include  electron  microscopy  with  energy  dispersive  X‐ray  spectroscopy,  X‐ray  photoelectron 

spectroscopy, Mössbauer and X‐ray diffraction. These techniques are very useful for characterizing NPs 

and for determining whether there are NPs present in a catalytic mixture. Once NPs are  identified, the 

determination of whether they are the active species in catalysis is necessary, and this requires the use 

of  in operando studies. Magnetometry and dynamic  light scattering are useful  techniques  for probing 

NPs, but once  again provide minimal  insights  into  the  true nature of  the  active  species. Much more 

powerful  techniques  include  investigating  the  reaction  profile  and  kinetics  for  the  presence  of  an 

induction period and sigmoidal reaction curve, as well as elucidation of the rate law, which is ultimately 

quite telling. The use of poisons and substoichiometric poisoning agents in particular, often provide the 

strongest evidence for NP catalysis because the poisoning agents bind directly to the active sites during 

catalysis. Analytical tools such as NMR spectroscopy and extended X‐ray absorption fine structure have 

proven quite valuable  for monitoring reactions  throughout  the activation and catalytic phases and  for 

observing the changes in the species formed, which is useful for both homogeneous and heterogeneous 

catalysis. With the development of discrete and well defined NP catalysts, highly structured systems that 

give  rise  to  asymmetric  and  reproducible  catalysis  are  becoming  reliably  reported,  indicating  that 

chirality  is no  longer proof of homogeneity. The use of porous polymers containing  substrates  is also 

growing  in  popularity  as  an  effective method  for  determining  catalyst  size  range,  which  can  often 

provide  strong  evidence  for  mono‐  versus  multi‐metallic  catalytic  systems.  With  more  and  more 

publications appearing in the literature on NP catalysts and methods for determining the mechanism of 

catalysis, we predict  that new and more creative  techniques will begin  to appear  to answer  this very 

important question. Also significant for the future of sustainable catalysis is the replacement of precious 

metals with  base metals,  particularly  iron,  in  the  pharmaceutical,  fine  chemical,  fragrance  and  food 

flavouring industries. Significant progress has been made towards the development of new, sustainable 

iron  catalysts, many  of which  are  now  beginning  to  rival  their  precious metal  counterparts  in  both 

efficiency and selectivity. 

Page 46: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

22  

1.7 Thesis Outline 

The  ultimate  goals  of  the  four‐year  project  outlined  in  this  thesis were  to  explore  existing  catalysts 

developed in our group and attempt to elucidate a mechanism, explore other areas of catalysis using the 

previously studied catalyst system to determine  its applicability, and develop new  iron‐based catalysts 

capable of directly employing H2 gas in hydrogenation. 

Chapter 2: Iron Nanoparticles Catalysing the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones 

The initial project goal was to investigate the first generation Fe‐(P‐N‐N‐P) catalyst depicted in Figure 1.6 

(top  left)  to determine  its mechanism  for  transfer hydrogenation of ketones  in  the presence of basic 

isopropanol.  This was  done  using  a  series  of  NMR  and  DFT  experiments  which  suggested  that  the 

catalyst  may  be  heterogeneous  in  nature.  The  system  was  then  tested  using  a  wide  series  of 

experiments to provide strong evidence that the true catalyst was 4 nm zero‐valent  iron nanoparticles 

as  depicted  in  Scheme  1.1.  The  results  that  are  described  in  this  chapter  were  published  in 

Organometallics97 and  the  Journal of  the American Chemical Society.30 We would  like  to acknowledge 

Demyan Prokopchuk for running the DFT experiments described therein, Dr. Nils Meyer for growing the 

crystal of  (3)  that  initiated  this project and Dr. Alan Lough  for solving  the crystal  structure of  (3). We 

would also like to acknowledge Dr. Neil Coombs for his help in running and characterizing the Fe(0) NPs 

by STEM, and Dr. Paul Dube for running SQUID experiments. 

 

Scheme 1.1: Asymmetric transfer hydrogenation of acetophenone using Fe NPs modified with chiral P‐N‐N‐P ligands. 

Page 47: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

23  

Chapter 3: Oxidative Kinetic Resolution of Aromatic Alcohols using Iron Nanoparticles 

Following  the  successful  characterization  of  the  Fe(0) NPs  in  transfer  hydrogenation, we  tested  the 

catalyst  for the reverse reaction, oxidative kinetic resolution. Racemic 1‐phenylethanol was selectively 

converted  into  acetophenone  and  R‐alcohol  under mild  conditions,  as  depicted  in  Scheme  1.2.  This 

methodology was  then applied  to a wide  substrate  scope  to determine  the broad applicability of  the 

system. The results that are described in this chapter were published by invitation in Topics in Catalysis 

in a special themed  issue.31 We would  like to acknowledge Dmitry Pichugin for his help  in running and 

analysing solid state NMR data, and Dr. Neil Coombs for his help in running and characterizing the Fe(0) 

NPs by STEM. 

 

Scheme 1.2: Oxidative kinetic resolution of racemic 1‐phenylethanol using Fe NPs modified with chiral P‐N‐N‐P ligand. 

Page 48: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

24  

Chapter 4: Evidence for Iron Nanoparticles Catalysing the Rapid Dehydrogenation of Ammonia‐Borane 

Chapter 4 outlines the further application of these Fe NPs to the dehydrogenation of ammonia boranes 

to form hydrogen gas, as depicted in Scheme 1.3. We studied a broader scope of iron catalysts under a 

wider array of conditions to fully investigate how the catalysts operate, and determine their mechanism. 

We also studied the resultant B‐N compounds formed to further aid  in mechanistic  investigations. The 

results  that  are  described  in  this  chapter  were  published  in  ACS  Catalysis.36  We  would  like  to 

acknowledge Dr. Doug Holmyard for his help in running and characterizing the Fe(0) NPs by TEM. 

 

Scheme 1.3: The dehydrogenation of ammonia borane to form H2 and B‐N compounds using Fe NPs. 

Chapter 5: Synthesis and Mechanistic Studies of  Iron P‐N‐P’ and P‐NH‐P Asymmetric Hydrogenation 

Catalysts 

Following  the  successful  development of  asymmetric  transfer hydrogenation  catalysts  in  our  lab, we 

were interested in developing highly efficient and enantioselective direct hydrogenation catalysts based 

on iron using P‐N‐P pincer ligands. In depth mechanistic NMR and DFT studies suggested the presence of 

an N‐H moiety forming during catalysis as well as an iron‐dihydride. We then investigated the effect of 

modifying the chirality of  the  ligand backbone, the structural  flexibility and size of  the  ligand, and the 

attempted incorporation of an N‐H into the precatalyst structure. The results that are described in this 

chapter were published  in the Journal of the American Chemical Society,90 or were recently submitted. 

We would  like  to  acknowledge Dr.  Paraskevi  Lagaditis  for  pioneering  this  project, making  the  initial 

catalysts  (10abc),  and  running  the  substrate  scope  all  detailed  in  the  J.  Am.  Chem.  Soc.  article  just 

referenced. We would like to acknowledge Dr. Alan Lough for solving all crystal structures, and Dr. Peter 

Sues and Kai Wan for running all DFT calculations discussed in Chapter 5. 

Page 49: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

25  

 

Scheme 1.4: Direct hydrogenation of ketones to chiral alcohols using Fe‐(P‐N‐P’) precatalysts. 

   

Page 50: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

26  

1.8 References 

  (1)  Widegren, J. A.; Finke, R. G. J. Mol. Catal. A: Chem. 2003, 198, 317. 

  (2)  Crabtree, R. H. Chem. Rev. 2012, 112, 1536. 

  (3)  Artero, V.; Fontecave, M. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2338. 

  (4)  Yan, N.; Yuan, Y.; Dyson, P. J. Dalton Trans. 2013, 42, 13294. 

  (5)  Lewis, L. N. Chem. Rev. 1993, 93, 2693. 

  (6)  Astruc, D.; Lu, F.; Aranzaes, J. R. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7852. 

  (7)  Lin, Y.; Finke, R. G. Inorg. Chem. 1994, 33, 4891. 

  (8)  Roucoux, A.; Schulz, J.; Patin, H. Chem. Rev. 2002, 102, 3757. 

  (9)  Phan, N. T. S.; Van Der Sluys, M.; Jones, C. W. Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 609. 

  (10)  Stracke, J. J.; Finke, R. G. ACS Catal. 2014, 4, 909. 

  (11)  Ranganath, K. V. S.; Glorius, F. Catal. Sci. Technol. 2011, 1, 13. 

  (12)  Platt, J. R. Science 1964, 146, 347. 

  (13)  Inorganic Nanoparticles; Altavilla,  C.;  Ciliberto,  E.,  Eds.;  Taylor &  Francis Group: Boca 

Raton, FL, 2011. 

  (14)  Lucas,  J. M.;  Tuan,  C.‐C.;  Lounis,  S.  D.;  Britt,  D.  K.;  Qiao,  R.;  Yang, W.;  Lanzara,  A.; 

Alivisatos, A. P. Chem. Mater. 2013, 25, 1615. 

  (15)  Rafter,  E.;  Gutmann,  T.;  Low,  F.;  Buntkowsky,  G.;  Philippot,  K.;  Chaudret,  B.;  van 

Leeuwen, P. W. N. M. Catal. Sci. Technol. 2013, 3, 595. 

  (16)  Zahmakran, M.; Philippot, K.; Ozkar, S.; Chaudret, B. Dalton Trans. 2012, 41, 590. 

  (17)  Roucoux, A.; Philippot, K. In The Handbook of Homogeneous Hydrogenation; Vries, J. G. 

d., Elsevier, C. J., Eds.; Wiley‐VCH: 2007, p 217. 

  (18)  Mikhailine, A.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1394. 

  (19)  Mikhailine, A. A.; Maishan, M. I.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

12266. 

  (20)  Zuo, W.; Lough, A. J.; Li, Y. F.; Morris, R. H. Science 2013, 342, 1080. 

  (21)  Rudenberg, H. G.; Rudenberg, P. G.  In Adv.  Imaging Electron Phys.; Peter, W. H., Ed.; 

Elsevier: 2010; Vol. Volume 160, p 207. 

  (22)  Wang, Z. L. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 1153. 

  (23)  Stein, J.; Lewis, L. N.; Gao, Y.; Scott, R. A. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3693. 

  (24)  Schmid, G. Chem. Rev. 1992, 92, 1709. 

Page 51: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

27  

  (25)  Aiken, J. D.; Finke, R. G. J. Mol. Catal. A: Chem. 1999, 145, 1. 

  (26)  Jaska, C. A.; Manners, I. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1334. 

  (27)  Hagen, C. M.; Widegren,  J. A.; Maitlis, P. M.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 

4423. 

  (28)  Zheng,  H.;  Sadtler,  B.;  Habenicht,  C.;  Freitag,  B.;  Alivisatos,  A.  P.;  Kisielowski,  C. 

Ultramicroscopy 2013, 134, 207. 

  (29)  Riello, P.; Canton, P.; Benedetti, A. Langmuir 1998, 14, 6617. 

  (30)  Sonnenberg,  J. F.; Coombs, N.; Dube, P. A.; Morris, R. H.  J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

5893. 

  (31)  Sonnenberg, J. F.; Pichugin, D.; Coombs, N.; Morris, R. H. Top. Catal. 2013, 56, 1199. 

  (32)  Kelsen,  V.;  Wendt,  B.;  Werkmeister,  S.;  Junge,  K.;  Beller,  M.;  Chaudret,  B.  Chem. 

Commun. 2013, 49, 3416. 

  (33)  Yan,  J.‐M.; Zhang, X.‐B.; Han, S.; Shioyama, H.; Xu, Q. Angew. Chem.  Int. Ed. 2008, 47, 

2287. 

  (34)  Welther,  A.;  Bauer, M.; Mayer, M.;  Jacobi von Wangelin,  A.  ChemCatChem  2012,  4, 

1088. 

  (35)  Hudson, R.; Riviere, A.; Cirtiu, C. M.; Luska, K. L.; Moores, A. Chem. Commun. 2012, 48, 

3360. 

  (36)  Sonnenberg, J. F.; Morris, R. H. ACS Catal. 2013, 3, 1092. 

  (37)  Vance, J. R.; Schäfer, A.; Robertson, A. P. M.; Lee, K.; Turner, J.; Whittell, G. R.; Manners, 

I. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3048. 

  (38)  Lara,  P.;  Rivada‐Wheelaghan, O.;  Conejero,  S.;  Poteau,  R.;  Philippot,  K.;  Chaudret,  B. 

Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 12080. 

  (39)  Jansat,  S.;  Gómez,  M.;  Philippot,  K.;  Muller,  G.;  Guiu,  E.;  Claver,  C.;  Castillón,  S.; 

Chaudret, B. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1592. 

  (40)  Lin, Y.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc 1994, 116, 8335. 

  (41)  Zhou, Q.; Wei, S.; Han, W. J. Org. Chem. 2014, 79, 1454. 

  (42)  Min, B. K.; Friend, C. M. Chem. Rev. 2007, 107, 2709. 

  (43)  Debouttière,  P.‐J.;  Coppel,  Y.;  Denicourt‐Nowicki,  A.;  Roucoux,  A.;  Chaudret,  B.; 

Philippot, K. Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 2012, 1229. 

  (44)  Wang,  W.‐N.;  An,  W.‐J.;  Ramalingam,  B.;  Mukherjee,  S.;  Niedzwiedzki,  D.  M.; 

Gangopadhyay, S.; Biswas, P. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11276. 

Page 52: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

28  

  (45)  Mifsud, M.; Parkhomenko, K. V.; Arends, I. W. C. E.; Sheldon, R. A. Tetrahedron 2010, 66, 

1040. 

  (46)  Matsushita,  T.;  Shiraishi,  Y.; Horiuchi,  S.;  Toshima, N.  Bull.  Chem.  Soc.  Jpn.  2007,  80, 

1217. 

  (47)  Mueller, C.; Harb, M.; Dwyer, J. R.; Miller, R. J. D. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 2339. 

  (48)  Wagner,  C.  D.;  Naumkin,  A.  V.;  Kraut‐Vass,  A.;  Allison,  J. W.;  Powell,  C.  J.;  John  R. 

Rumble, J. In NIST Standard Reference Database 20; U.S. Department of Commerce: 2003; Vol. Version 

3.5. 

  (49)  Cho, W. K.; Lee, J. K.; Kang, S. M.; Chi, Y. S.; Lee, H. S.; Choi, I. S. Chem. Eur. J. 2007, 13, 

6351. 

  (50)  Grosvenor, A. P.; Kobe, B. A.; Biesinger, M. C.; McIntyre, N. S. Surf. Interface Anal. 2004, 

36, 1564. 

  (51)  Clark, T. J.; Jaska, C. A.; Turak, A.; Lough, A. J.; Lu, Z. H.; Manners, I. Inorg. Chem. 2007, 

46, 7394. 

  (52)  Lázár, K. Hyperfine Interact. 2013, 217, 57. 

  (53)   Joint Committee for Powder Diffraction Standards, The Mineral Powder Diffraction File 

(JCPDS); International Center for Diffraction Data: Swarthmore, Pennsylvania, 1997. 

  (54)  Linn, D. E.; Guo, Y.; Cramer, S. P. Inorg. Chim. Acta. 2008, 361, 1552. 

  (55)  Münck,  E.;  Stubna,  A.  In  Comprehensive  Coordination  Chemistry  II; McCleverty,  J.  A., 

Meyer, T. J., Eds.; Pergamon: Oxford, 2003, p 279. 

  (56)  Ravi, N.; Bollinger,  J. M.; Huynh, B. H.; Stubbe,  J.; Edmondson, D. E.  J. Am. Chem. Soc. 

1994, 116, 8007. 

  (57)  Bollinger, J. M.; Tong, W. H.; Ravi, N.; Huynh, B. H.; Edmonson, D. E.; Stubbe, J. J. Am. 

Chem. Soc. 1994, 116, 8015. 

  (58)  Bollinger, J. M.; Tong, W. H.; Ravi, N.; Huynh, B. H.; Edmondson, D. E.; Stubbe, J. J. Am. 

Chem. Soc. 1994, 116, 8024. 

  (59)  Demers‐Carpentier, V.; Goubert, G.; Masini, F.; Lafleur‐Lambert, R.; Dong, Y.; Lavoie, S.; 

Mahieu, G.; Boukouvalas, J.; Gao, H.; Rasmussen, A. M. H.; Ferrighi, L.; Pan, Y.; Hammer, B.; McBreen, P. 

H. Science 2011, 334, 776. 

  (60)  Watzky, M. A.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 10382. 

  (61)  Besson, C.; Finney, E. E.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8179. 

  (62)  Watzky, M. A.; Finney, E. E.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11959. 

Page 53: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

29  

  (63)  Mondloch, J. E.; Yan, X.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6389. 

  (64)  Suzdalev, I. P.; Suzdalev, P. I. Russ. Chem. Rev. 2001, 70, 177. 

  (65)  Besson, C.; Finney, E. E.; Finke, R. G. Chem. Mat. 2005, 17, 4925. 

  (66)  Jaska, C. A.; Temple, K.; Lough, A. J.; Manners, I. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 9424. 

  (67)  Whitesides, G. M.; Hackett, M.; Brainard, R.  L.;  Lavalleye,  J. P.  P. M.;  Sowinski, A.  F.; 

Izumi, A. N.; Moore, S. S.; Brown, D. W.; Staudt, E. M. Organometallics 1985, 4, 1819. 

  (68)  Paal, C.; Hartmann, W. Chem. Ber. 1918, 51, 711. 

  (69)  Weddle, K. S.; Aiken, J. D.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5653. 

  (70)  Dyson, P. J. Dalton Transactions 2003, 2964. 

  (71)  Lewis, L. N.; Lewis, N. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 7228. 

  (72)  Lihl, F. Z. Metallk 1953, 44, 160. 

  (73)  Bedford,  R.  B.;  Betham, M.;  Bruce,  D. W.;  Davis,  S.  A.;  Frost,  R. M.;  Hird, M.  Chem. 

Commun. 2006, 1398. 

  (74)  Rangheard, C.; de  Julian Fernandez, C.; Phua, P. H.; Hoorn,  J.; Lefort, L.; de Vries,  J. G. 

Dalton Trans. 2010, 39, 8464. 

  (75)  Hornstein, B. J.; Aiken, J. D.; Finke, R. G. Inorg. Chem. 2002, 41, 1625. 

  (76)  Bayram, E.; Finke, R. G. ACS Catal. 2012, 1967. 

  (77)  Bordiga, S.; Groppo, E.; Agostini, G.; van Bokhoven, J. A.; Lamberti, C. Chem. Rev. 2013, 

113, 1736. 

  (78)  Bunker, G.  Introduction  to  XAFS: A  Practical Guide  to  X‐ray Absorption  Fine  Structure 

Spectroscopy; Cambridge University Press: Cambridge UK, 2010. 

  (79)  Bayram, E.; Linehan, J. C.; Fulton, J. L.; Roberts, J. A. S.; Szymczak, N. K.; Smurthwaite, T. 

D.; Özkar, S.; Balasubramanian, M.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18889. 

  (80)  Stern, E. A.; Newville, M.; Ravel, B.; Yacoby, Y.; Haskel, D. Physica B 1995, 208–209, 117. 

  (81)  Phua, P. H.; Lefort, L.; Boogers, J. A. F.; Tristany, M.; de Vries, J. G. Chem. Comm. 2009, 

3747. 

  (82)  Skomski, R. J. Phys. Condens. Matter 2003, 15, R841. 

  (83)  Batle, X.; Labarta, A. J. Phys. D.: Appl. Phys. 2002, 35, R15. 

  (84)  Dumestre, F.; Chaudret, B.; Amiens, C.; Renaud, P.; Fejes, P. Science 2004, 303, 821. 

  (85)  Billas, I. M. L.; Becker, J. A.; Châtelain, A.; de Heer, W. A. Phys. Rev. Lett. 1993, 71, 4067. 

  (86)  Tiago, M. L.; Zhou, Y.; Alemany, M. M. G.; Saad, Y.; Chelikowsky,  J. R. Phys. Rev. Lett. 

2006, 97, 147202. 

Page 54: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

30  

  (87)  Berne, B. J.; Pecora, R. Dynamic Light Scattering; 1st ed.; Wiley: New York, 1976. 

  (88)  Crabtree, R. H.; Mellea, M. F.; Mihelcic, J. M.; Quirk, J. M. J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 

107. 

  (89)  Kaszuba,  M.;  McKnight,  D.;  Connah,  M.  T.;  McNeil‐Watson,  F.  K.;  Nobbmann,  U.  J. 

Nanopart. Res. 2008, 10, 823. 

  (90)  Lagaditis, P. O.; Sues, P. E.; Sonnenberg, J. F.; Wan, K. Y.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. 

Chem. Soc. 2014, 136, 1367. 

  (91)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9662. 

  (92)  Kohl,  S. W.; Weiner,  L.;  Schwartsburd,  L.;  Konstantinovski,  L.;  Shimon,  L.  J. W.;  Ben‐

David, Y.; Iron, M. A.; Milstein, D. Science 2009, 324, 74. 

  (93)  Gunanathan, C.; Milstein, D. Acc. Chem. Res. 2011, 44, 588. 

  (94)  Dunlop‐Brière,  A.  F.;  Baird, M.  C.;  Budzelaar,  P.  H. M.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2013,  135, 

17514. 

  (95)  Sauriol, F.; Sonnenberg, J. F.; Chadder, S. J.; Dunlop‐Brière, A. F.; Baird, M. C.; Budzelaar, 

P. H. M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13357. 

  (96)  Clapham, S. E.; Hadzovic, A.; Morris, R. H. Coord. Chem. Rev. 2004, 248, 2201. 

  (97)  Prokopchuk,  D.  E.;  Sonnenberg,  J.  F.; Meyer,  N.;  Zimmer‐De  Iuliis, M.;  Lough,  A.  J.; 

Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 3056. 

  (98)  Novio, F.; Philippot, K.; Chaudret, B. Catal. Lett. 2010, 140, 1. 

  (99)  Ahmadi, A.; Attard, G.; Feliu, J.; Rodes, A. Langmuir 1999, 15, 2420. 

  (100)  Li, Y.; Yu, S.; Wu, X.; Xiao,  J.; Shen, W.; Dong, Z.; Gao,  J.  J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 

4031. 

  (101)  Jansat,  S.;  Picurelli,  D.;  Pelzer,  K.;  Philippot,  K.;  Gomez, M.; Muller,  G.;  Lecante,  P.; 

Chaudret, B. New J. Chem. 2006, 30, 115. 

  (102)  Knoppe, S.; Dolamic, I.; Bürgi, T. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13114. 

  (103)  Knoppe, S.; Azoulay, R.; Dass, A.; Bürgi, T. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20302. 

  (104)  Knoppe, S.; Bürgi, T. Chimia 2013, 67, 236. 

  (105)  Osawa, T. Chem. Lett. 1985, 1609. 

  (106)  Orito, Y.; Imai, S.; Niwa, S.; Nguyen, G. H. J. Synth. Org. Chem. Jpn. 1979, 37, 173. 

  (107)  Orito, Y.; Imai, S.; Niwa, S. J. Chem. Soc. Jpn. 1979, 1118. 

  (108)  Bönnemann, H.; Braun, G. A. Angew. Chem. Int. Ed. 1996, 35, 1992. 

  (109)  Baiker, A. J. Mol. Catal. A: Chem. 1997, 115, 473. 

Page 55: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

31  

  (110)  Bonalumi, N.; Bürgi, T.; Baiker, A. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13342. 

  (111)  Maeda, N.; Hungerbühler, K.; Baiker, A. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19567. 

  (112)  Ding,  K.;  Uozumi,  Y.  Handbook  of  Asymmetric  Heterogeneous  Catalysis;  Wiley‐VCH: 

Weinheim, 2008. 

  (113)  Vos,  D.  D.;  Vankelecom,  I.  F.  J.;  Jacobs,  P.  A.  Chiral  Catalyst  Immobilization  and 

Recycling; Wiley‐VCH: Weinheim, 2000. 

  (114)  Mallat, T.; Orglmeister, E.; Baiker, A. Chem. Rev. 2007, 107, 4863. 

  (115)  Davies, I. W.; Matty, L.; Hughes, D. L.; Reider, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 10139. 

  (116)  Collman, J. P.; Kosydar, K. M.; Bressan, M.; Lamanna, W.; Garrett, T. J. Am. Chem. Soc. 

1984, 106, 2569. 

  (117)  Santini, R.; Griffith, M. C.; Qi, M. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 8951. 

  (118)  Keifer, P. A.; Baltusis, L.; Rice, D. M.; Tymiak, A. A.; Shoolery, J. N. J. Magn. Reson., Ser. A 

1996, 119, 65. 

  (119)  Witham, C. A.; Huang, W.; Tsung, C.‐K.; Kuhn,  J. N.;  Somorjai, G. A.; Toste,  F. D. Nat. 

Chem. 2010, 2, 36. 

  (120)  Bullock, R. M. Catalysis without Precious Metals; Wiley‐VCH: Hoboken, NJ, 2010. 

  (121)  Bullock, R. M. Science 2013, 342, 1054. 

  (122)  Morris, R. H. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2282. 

  (123)  USP; Zaidi, K., Ed.; US Pharmacopeia: Rockville, MD, 2008, p 6. 

  (124)  Blaser, H. U.; Malan, C.; Pugin, B.; Spindler, F.; Steiner, H.; Studer, M. Adv. Synth. Catal. 

2003, 345, 103. 

  (125)  Naud, F.; Spindler, F.; Rueggeberg, C.  J.; Schmidt, A. T.; Blaser, H. U. Org. Process Res. 

Dev. 2007, 11, 519. 

  (126)  Enthaler, S.; Junge, K.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3317. 

  (127)  Bolm, C.; Legros, J.; Le Paih, J.; Zani, L. Chem. Rev. 2004, 104, 6217. 

  (128)  Junge, K.; Schroder, K.; Beller, M. Chem. Comm. 2011, 47, 4849. 

  (129)  Jagadeesh, R. V.; Surkus, A.‐E.;  Junge, H.; Pohl, M.‐M.; Radnik,  J.; Rabeah,  J.; Huan, H.; 

Schünemann, V.; Brückner, A.; Beller, M. Science 2013, 342, 1073. 

  (130)  Schlögl, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 2004. 

  (131)  Bozso, F.; Ertl, G.; Grunze, M.; Weiss, M. J. Catal. 1977, 49, 18. 

  (132)  Henrici‐Olivé, G.; Olivé, S. Angew. Chem. Int. Ed. 1976, 15, 136. 

  (133)  Schulz, H. Appl. Catal., A 1999, 186, 3. 

Page 56: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

32  

  (134)  Panella, B.; Vargas, A.; Baiker, A. J. Catal. 2009, 261, 88. 

  (135)  Liu, G.; Gu, H.; Sun, Y.; Long, J.; Xu, Y.; Li, H. Adv. Syn. & Catal. 2011, 353, 1317. 

  (136)  Das, S.; Wendt, B.; Möller, K.; Junge, K.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 1662. 

  (137)  Barton, B. E.; Olsen, M. T.; Rauchfuss, T. B. Current Opinion  in Biotechnology 2010, 21, 

292. 

  (138)  Tard, C. d.; Pickett, C. J. Chem. Rev. 2009, 109, 2245. 

  (139)  Hambourger, M.; Moore, G. F.; Kramer, D. M.; Gust, D.; Moore, A. L.; Moore, T. A. Chem. 

Soc. Rev. 2009, 38, 25. 

  (140)  Gust, D.; Moore, T. A.; Moore, A. L. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1890. 

  (141)  Gloaguen, F.; Rauchfuss, T. B. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 100. 

  (142)  Tard, C.; Liu, X.; Ibrahim, S. K.; Bruschi, M.; Gioia, L. D.; Davies, S. C.; Yang, X.; Wang, L.‐

S.; Sawers, G.; Pickett, C. J. Nature 2005, 433, 610. 

  (143)  Sui‐Seng, C.; Freutel, F.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 940. 

  (144)  Sui‐Seng, C.; Haque, F. N.; Hadzovic, A.; Pütz, A. M.; Reuss, V.; Meyer, N.; Lough, A. J.; 

Zimmer‐De Iuliis, M.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2009, 48, 735. 

  (145)  Meyer, N.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Chem. Eur. J. 2009, 15, 5605. 

  (146)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2010, 49, 10057. 

  (147)  Sues, P. E.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Organometallics 2011, 30, 4418. 

  (148)  Prokopchuk, D. E.; Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 7375. 

  (149)  Casey, C. P.; Guan, H. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5816. 

  (150)  Casey, C. P.; Guan, H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2499. 

  (151)  Zhou, S.; Fleischer, S.; Junge, K.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5120. 

  (152)  Langer, R.; Leitus, G.; Ben‐David, Y.; Milstein, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2120. 

  (153)  Langer, R.;  Iron, M. A.; Konstantinovski, L.; Diskin‐Posner, Y.; Leitus, G.; Ben‐David, Y.; 

Milstein, D. Chem. Eur. J. 2012, 18, 7196. 

  (154)  Alberico, E.; Sponholz, P.; Cordes, C.; Nielsen, M.; Drexler, H.‐J.; Baumann, W.; Junge, H.; 

Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125, 14412. 

  (155)  Bart, S. C.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13794. 

  (156)  Bart, S. C.; Hawrelak, E. J.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J. Organometallics 2005, 24, 5518. 

  (157)  Bart, S. C.; Lobkovsky, E.; Bill, E.; Chirik, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 5302. 

  (158)  Trovitch, R. J.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J. Inorg. Chem. 2006, 45, 7252. 

  (159)  Tondreau, A. M.; Milsmann, C.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J. Inorg. Chem. 2011, 50, 9888. 

Page 57: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

33  

  (160)  Tondreau, A. M.; Atienza, C. C. H.; Weller, K. J.; Nye, S. A.; Lewis, K. M.; Delis, J. G. P.; 

Chirik, P. J. Science 2012, 335, 567. 

  (161)  Brown, S. D.; Peters, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4538. 

  (162)  Daida, E. J.; Peters, J. C. Inorg. Chem. 2004, 43, 7474. 

  (163)  Yuki, M.; Tanaka, H.; Sasaki, K.; Miyake, Y.; Yoshizawa, K.; Nishibayashi, Y. Nat Commun 

2012, 3, 1254. 

 

 

 

 

 

   

Page 58: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

34  

Chapter 2: Iron Nanoparticles Catalysing 

the Asymmetric Transfer Hydrogenation 

of Ketones 

Adapted  from Sonnenberg,  J. F., Coombs, N., Dube, P. A., Morris, R. H.  J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

5893‐5899 and Prokopchuk, D. E., Sonnenberg, J. F., Meyer, N., Zimmer‐De Iuliis, M., Lough, A. J., Morris, 

R. H. Organometallics 2012, 31, 3056‐3064. 

2.1 Abstract 

Investigation  into  the  mechanism  of  transfer  hydrogenation  using  trans‐

[Fe(NCMe)CO(PPh2C6H4CH=NCHR‐)2][BF4]2, where R = H  (1) or R = Ph  (2)  (R,R‐dpen), has  led  to strong 

evidence  that  the active species  in catalysis are zero‐valent  iron nanoparticles  (Fe NPs)  functionalized 

with achiral  (in 1) and  chiral  (in 2)  (P‐N‐N‐P)‐type  tetradentate  ligands. This  is  first  investigated using 

extensive  NMR  and  mass‐balance  experiments,  followed  by  analysis  of  experimentally  observed 

ferraaziridine  and  ferraaziridinido  species.  The  P‐N‐N‐P  ligand  arm  is  folded  upwards  on  one  side, 

allowing  for a  ‐2CN group  to bind  to  iron. This  species  then allows  for a  low energy pathway  to  the 

formation of electron rich Fe(0) species, which we suggest lead to Fe NPs. Support for this proposition is 

given  in terms of  in operando techniques such as a kinetic  investigation of the  induction period during 

catalysis  as  well  as  poisoning  experiments  using  sub‐stoichiometric  amounts  of  various  poisoning 

agents. Further support for the presence of Fe NPs includes STEM microscopy imaging with EDX analysis, 

XPS analysis, and SQUID magnetometry analysis of catalytic solutions. Further evidence of Fe NPs acting 

as the active catalyst  is given  in terms of a polymer‐supported substrate experiment whereby the NPs 

are  too  large  to permeate  the pores of a  functionalized polymer. Final  support  is given  in  terms of a 

combined poisoning/STEM/EDX experiment whereby the poisoning agent  is shown to be bound to the 

Fe NPs. These techniques are then applied in a direct comparison of our first and second generations of 

iron catalysts  to  further expand on  the  limitations of  these  techniques and  their applicability  to both 

homogeneous  and  heterogeneous  catalyst  systems.  These  studies  provide  strong  evidence  of  a  rare 

example of asymmetric catalysis with non‐precious metal, zero‐valent nanoparticles. 

Page 59: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

35  

2.2 Introduction 

The synthesis of enantiopure alcohols  is of vital  importance  in the pharmaceutical, fragrance and food 

flavouring  industries.1‐3 These alcohols are commonly made  in  industry via the selective hydrogenation 

of carbonyl groups by direct H2‐hydrogenation (DH) or transfer hydrogenation (TH)4 using isopropanol as 

the  hydrogen  source.  Catalysts  used  for  these  types  of  conversions  are  typically  based  on  precious 

metals  such as  iridium,  rhodium and  ruthenium.5‐7  It has  therefore become very attractive  to  replace 

these precious metals with iron,8‐11 as it is significantly cheaper, more abundant, and less toxic.12  

We  began  investigating  the  use  of  tetradentate  P‐N‐N‐P  ligands  on  iron  following  the  successful 

synthesis  of  the  6,5,6‐(P‐N‐N‐P)  ligands  by  Jeffery  et.  al.13  and  their  corresponding  ruthenium 

compounds by Gao et. al.14‐17 They were able to modify the chirality of the ligand using a wide range of 

commercially available chiral diamines, and they could generate both the diimine and diamine P‐N‐N‐P 

and  P‐NH‐NH‐P  systems  respectively  by  NaBH4  reduction.  The  ruthenium  systems with  the  diamine 

backbone were shown to be fairly active and selective for the TH of ketones to chiral alcohols, where the 

diimine system was  inactive. Exploration of  iron catalysts for the hydrogenation of ketones first began 

with work by Jothimony et al.18,19 whose catalytic systems were small iron carbonyl cluster compounds. 

Gao  et  al.20  found  that  adding  a  tetradentate  ligand  (S,S)‐PPh2C6H4CH2NHC6H10NHCH2C6H4PPh2  to  the 

iron(0)  carbonyl  cluster  [NEt3H][Fe3H(CO)11]  resulted  in  a  system  for  the  asymmetric  TH  of  ketones.   

Following their success, we were interested in testing the effectiveness of the P‐N‐N‐P ligand system on 

iron,  and  successfully  synthesized  and  tested  a  series  of  [Fe(P‐N‐N‐P)(NCMe)L]2+  (L  =  NCMe  or  CO) 

complexes for both DH (L = NCMe) and TH (L = CO).21‐23 Systems of the type trans‐[Fe(NCMe)CO(P‐N‐N‐

P)][BF4]2  (as depicted  in  Scheme 2.5) with  the diphenylethylene diimine backbone  achieved  turnover 

frequencies (TOF) of up to 2600 h‐1 and enantioselectivities of 65% for the TH of acetophenone.23 

Page 60: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

36  

 

Scheme 2.5: Typical reaction scheme for TH, and pre‐catalyst (1) and ((R,R)‐2) structures. **Note this shows the (R,R) catalyst giving the (S) alcohol** 

Previous studies using pre‐catalysts (1) and (2)23 showed an  induction period during catalysis, followed 

by a rapid increase in rate, and eventual equilibration. Sigmoidal curves such as these are often seen in 

heterogeneous systems, where an active catalyst must  first  form24,25 before any measurable activity  is 

observed. Given the strongly reducing conditions for catalysis, the resultant dark colour during catalysis, 

and  our  kinetic  observations, we  asked  the  question,  ‘Could  the  active  species  be  a  heterogeneous 

catalyst?’. The Fischer‐Tropsch process26,27 and the Haber‐Bosch synthesis28 are the two most common 

examples of using iron in heterogeneous catalysis, however a limited number of other examples do exist 

as olefin hydrogenation catalysts.29‐31 Iron nanoparticles are also common catalysts for the formation of 

carbon  nanotubes,32‐36  are  known  to  catalyse  the  reduction  of  peroxides37  and  CO2,38  and  have  also 

shown activity for the hydrolytic dehydrogenation of ammonia boranes.39,40 Iron oxides have been used 

as nanoparticle supports  for heterogeneous catalysis with other metals as the active sites,41‐43 but the 

use of  zero‐valent  iron as an active  site  for asymmetric  catalysis had not been  reported prior  to our 

work. 

Nanoparticles (NPs) have been studied extensively in the past decades as possible catalysts for a variety 

of reactions due to the fact that they have much higher surface areas than bulk heterogeneous catalysts, 

and can therefore be as reactive and reproducible44 as homogeneous catalysts, but with the benefit that 

they are often  recyclable  and  separable.45   Nanoparticles are often difficult  to detect as  they appear 

homogeneous in solution,24,25 but there are several reports of transition metal nanoparticles being well 

characterized and used for catalysis.44,46‐49 Iron magnetite nanoparticles have been used as supports for 

precious  metal  asymmetric  catalysis,50,51  which  are  often  convenient  in  that  they  are  magnetically 

separable.52  Palladium(0)  nanoparticles  4  nm  in  diameter  have  been modified with  chiral  ligands  to 

Page 61: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

37  

perform  asymmetric  alkylations,53  demonstrating  that  an  enantioselective  reaction  is  possible  using 

colloidal metal catalysts.45 Nickel (0) nanoparticles have also been used for the transfer hydrogenation 

of ketones in isopropanol,54 demonstrating the use of non‐precious metal NP catalysts for TH. Herein we 

provide evidence for the first example of asymmetric catalysis using colloidal iron (0), with no precious 

metals present for the TH of ketones. 

In the present chapter we will be  laying the groundwork for all experimental mechanistic explorations 

discussed within this thesis. To do so, we discuss the species observable by NMR and  IR spectroscopy 

during  the  TH  of  acetophenone  to  1‐phenylethanol  using  the  iron  complex  trans‐

[Fe(CO)(MeCN)(PPh2C6H4CH=NCH2‐)2‐4P,N,N,P][(BF4)2]  (1)23  as  the  precatalyst,  isopropanol  as  the 

hydrogen source, and potassium tert‐butoxide (KOtBu) as the base. We then elaborate on a wide series 

of tests and experiments to probe the true nature of the catalyst, and finish with a case study showing 

the true power of these techniques in mechanism elucidation. 

2.3 Results and Discussion 

2.3.1 Spectroscopic Investigation of Catalysis 

To initiate catalysis, (1) or (2) is dissolved in a solution of acetophenone in basic isopropanol, resulting in 

a dramatic colour change from clear and bright orange, to clear and dark brown or green respectively. 

The activated catalyst mixture  is highly air sensitive and exposure to air results  in an  immediate colour 

change to pale yellow, rendering it inactive for TH. The reaction mixture of a typical TH experiment using 

(1) as a pre‐catalyst was analysed by NMR and IR techniques. 1H and 31P{1H} NMR spectra were recorded 

when  the TH was carried out using  relatively high catalyst  loadings  (catalyst:substrate = 1:43).  31P{1H} 

NMR  spectra  were    recorded  for  reaction  mixtures  in  isopropanol  using  C6D6  as  an  internal  NMR 

reference  for  locking.  1H NMR  spectra were  carried  out  in  deuterated  isopropanol  and  showed  only 

poorly  resolved  peaks.  No  hydride  signals  were  observed  in  the  region  between  0  and  ‐30  ppm; 

however, a hydride mechanism cannot be dismissed as such a hydride species may be only transient or 

in low concentration. The formation of iron hydrides as intermediates was proposed earlier for TH with 

the  pre‐catalysts  [(PP3)Fe(H)(H2)](BPh4)  (PP3  =  P(CH2CH2PPh2)3)55  and  Fe3(CO)12

20  but  hydride  species 

were not isolated or observed spectroscopically. 

Page 62: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

38  

31P{1H} NMR spectra recorded during TH have a number of interesting features. Two related doublets at 

84.1 and 68.7 ppm  (JPP = 29 Hz), various singlets around  ‐13.0 ppm, and two singlets at 32.2 and 31.7 

ppm were observed (Figure 2.7). The peak at 32.2 ppm is due to oxidized free P‐N‐N‐P ligand. This was 

confirmed by a 31P{1H} NMR spectrum of an independently prepared sample of P‐N‐N‐P ligand oxidized 

at  phosphorus  using  hydrogen  peroxide.  The  peak  at  31.7  ppm  is  likely  the mono‐oxidized  P‐N‐N‐P 

ligand, partially overlapped by  the peak at 32.2 ppm. The peaks at  ‐13.0 are due  to  the  free P‐N‐N‐P 

ligand and unidentified PPh2(aryl) species, possibly produced by ligand isomerization and fragmentation, 

as  well  as  the  phosphine  of  the  mono‐oxidized  P‐N‐N‐P.  Pre‐catalyst  (1)  shows  a  singlet  in  the 

phosphorus spectrum at 50.8 ppm, and is therefore completely consumed during the TH process. 

 

Figure 2.7: 31P {1H} spectrum (161 MHz, iPrOH, C6D6 internal reference) of a TH run in 0.65 mL isopropanol for the production 

of 1‐phenylethanol from acetophenone (0.60 M) by use of (1) (0.025 M) and KOtBu (0.14 M) at 26°C. 

To  investigate  the  vibrational  spectra  of  the  catalytic mixture,  the  reaction was  concentrated  under 

vacuum to dryness and the IR spectrum of the residue was taken as a KBr disk. The spectrum revealed 

weak, broad, absorptions for C=O vibrations at 1960 and 1946 cm‐1, and intense broad absorptions from 

Page 63: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

39  

1835‐1890, with  small distinct peaks  at  1870  and  1846  cm‐1,  indicating  that  a  carbonyl  ligand  is  still 

coordinated  to  a metal  center  during  catalysis,  possibly  to  the  active  species.  The  broadness  of  the 

<1900 cm‐1 peak  is  likely due  to  the presence of multiple,  similar  species  in  solution, with  two major 

species  giving  peaks  at  1870  and  1846  cm‐1.  While  1960  and  1946  cm‐1  are  typical  values  for  a 

monocarbonyl iron(II) compound, signals below 1900 cm‐1 are usually indicative of iron(0) complexes or 

bridging  carbonyl  ligands.56,57  Assignment  of  these  two  peaks was  done  in  conjunction with Density 

Functional Theory (DFT) calculations (vide infra). 

2.3.2 Studying Reactive Intermediates 

With the goal of isolating the intermediates observed by 31P NMR and IR spectroscopy, we investigated 

the  reaction of precatalyst  (1) with  two equivalents of  sodium  isopropoxide  in neat benzene without 

acetophenone present. Surprisingly, we did not observe  the  formation of an octahedral  iron alkoxide 

complex.  Instead,  a  cationic  ferraaziridine  complex  [Fe(CO)(PPh2C6H4CH=NCH2CH2NHCHC6H4PPh2)‐

5P,N,C,N,P][BF4] (3) was isolated in 65% yield, as depicted in Scheme 2.6. 

 

 

Scheme 2.6: Synthesis of ferraaziridine complex (3).  

The single crystal X‐ray diffraction structure (Figure 2.8) revealed a distorted geometry where the C(10) 

carbon of the ferraaziridine moiety is bound approximately trans to the carbonyl ligand, with a C(10)‐Fe‐

C(17) angle of 158.3(2) degrees. The complex appears to adopt a distorted octahedral geometry, with a 

strained C(10)‐Fe‐N(2)  angle of 42.0(1) degrees  and obtuse P(1)‐Fe‐C(10)  and C(17)‐Fe‐N(2)  angles of 

106.1(1) and 116.6(1) degrees, respectively. The complex  is best viewed as an  iron(II) κ2‐ferraaziridine 

complex  instead of an  iron(0)  η2‐iminium  complex, given  the N(2)‐C(10) bond distance of 1.435(5) Å, 

characteristic  for  an  N‐C  single  bond.  The  bond  distances  from  iron  to  the  imine,  amine,  and  alkyl 

functions are 1.980(3)  (Fe‐N(1)), 1.988(3)  (Fe‐N(2)) and 2.012(2)  (Fe‐C(10)) Å,  respectively. The metal‐

Page 64: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

40  

carbonyl  distance  Fe‐C(17)  (1.781(4) Å)  is  typical  for  an  iron  carbonyl  bond  and  is  similar  to  that  of 

complex  (1).23  In  the  13C  {1H} NMR spectrum,  the FeCH carbon  is observed at 68 ppm as a doublet of 

doublets (2JCP = 5 and 11 Hz).  The 31P{1H} NMR spectrum has two sharp doublets at 84.3 and 70.1 ppm 

(JP,P = 43 Hz), consistent with the lack of a mirror plane of symmetry of the ligand. The 31P NMR spectrum 

of the crude product by the reaction of Scheme 2.6 also shows a singlet at  ‐13.4 ppm, consistent with 

free ligand being released.  

 

Figure 2.8: Molecular structure of (3). 

Since we were  able  to measure  clean  and well‐resolved NMR  spectra, we expect  that  the electronic 

state  of  the  iron  is  low  spin  iron(II)  and  the  complex  is  diamagnetic.  The  IR  spectrum  shows  a 

characteristic  CO  vibration  band  at  1940  cm‐1,  similar  to  signals  for  six‐coordinate,  octahedral  Fe(II) 

complexes with one CO ligand that have already been reported.58‐61 The CO stretch is observed at lower 

wavenumbers than that of the starting material (1) (2002 cm‐1) as expected for a reduction  in positive 

charge and increase in π‐backbonding from Fe to CO in going from (1) to (3). This increase in bonding to 

the carbonyl is reflected in the relative reactivity of the complexes when stirred in acetonitrile: there is 

ligand exchange of acetonitrile for CO in (1) but not (3).   

To  the  best  of  our  knowledge,  there  are  only  two  other  examples  of  a  similar  ferraaziridine  iron 

coordination described in the literature. Siebenlist et al. reported that the reaction of an ‐imine ester 

(iPrN=CHC(OEt)=O) with Fe2(CO)9  in THF  leads mainly to binuclear products with a small amount of the 

complex  trans‐Fe(CO)2(iPrNHCHC(OEt)=O)‐(κNC))2.

62  Evidence  supported  that  the  imine  group  was 

hydrogenated  by  hydrogen  atom  extraction  from  THF  in  an  electron  transfer  process. As  in  (3),  this 

ligand is coordinated to iron via both the amine nitrogen and the adjacent carbon atom, thus forming a 

Page 65: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

41  

three‐membered  azametallacycle.  In  addition,  a  photochemical  reaction  of  (EtO2C)(NMe2)C=N‐CPh=S 

with  Fe2(CO)9  produced,  among  other  products,  Fe(CO)3(Me2NC(CO2Et)(N=C(Ph)S‐(κNCS)),  where  the 

azametallacycle has geminal methyl groups on nitrogen.63 

Complex (3) displays certain spectral features similar to the TH reaction mixture (Figure 2.7). It has an IR 

absorption at 1940  cm‐1 and doublets  in  the  31P{1H} NMR  spectrum at 84 and 69 ppm. However,  the 

signal of the  latter spectrum has JP,P coupling constants of 43 Hz while the doublets of the TH solution 

have a JP,P of 30 Hz, thus indicating that the complexes are not the same.  Complex (3) does not catalyse 

the  TH of  acetophenone  in neat  isopropanol without base  at 26  oC. Based on  the  coupling  constant 

mismatch between  (3)  and  the  TH mixture,  it  is not  the  species present during  TH,  albeit  it  is quite 

similar.  

Compound  (3)  could  also  be  observed  (along with  signals  for  free/oxidized  ligand)  by  31P{1H}  NMR 

techniques  via  an  NMR‐scale  reaction  in  isopropanol with  two  equivalents  of  sodium  isopropoxide, 

suggesting that it could be an intermediate towards the formation of the species with a similar JP,P in the 

TH mixture  as  described  above.  An  isolated,  pure  sample  of  (3) was  reacted with  a  stoichiometric 

amount  of  KOtBu  in  isopropanol  to  give  the  postulated  ferraaziridinido  complex 

Fe(CO)(PPh2C6H4CH=NCH2CH2NCHC6H4PPh2)‐5P,N,C,N,P (4)  (Scheme 2.7), which only differs from (3) in 

that the ferraaziridine nitrogen atom is deprotonated. This structure is proposed on the basis of NMR/IR 

spectra  and DFT  calculations  (vide  infra).  Complex  (4)  could  not  be  isolated  as  a  pure  product,  and 

therefore  analysis  was  done  on  the  crude  solution  after  removal  of  excess  base.  The  31P{1H}  NMR 

spectrum of the resulting solution shows two doublets at 84.1 and 68.7 ppm (JP,P = 29 Hz) (along with 

singlets  at  ‐12  and  ‐13.4  ppm  for  various  isomers  of  free  ligand) which  now matches  the  coupling 

constant of  the phosphorus‐containing species  in  the TH mixture. The  IR spectrum shows absorptions 

associated with carbonyl ligands at 1862 and 1870, as well as broad peaks at 1934 and 1957 cm‐1. From 

the similarities of the 31P{1H} NMR spectra and IR spectra between this reaction and the TH solutions, we 

reason that (4) is present during TH. 

Page 66: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

42  

 

Scheme 2.7: Observation of (4) and proposed structure. 

Interestingly, when dissolved in neat isopropanol, the crude mixture of (4) is only minimally catalytically 

active (0.5% conversion of 3.85 mmol of acetophenone to 1‐phenethanol at 26oC  in 1 hour, 40%  in 24 

hours). This supports that although (4)  is the species seen by IR and  in the 31P{1H} NMR spectrum,  it  is 

not the catalytically active species during TH. This ‘non‐innocent’ behaviour of the ligand is reminiscent 

of the P‐N‐P systems designed by Milstein64 and Schneider65 and P‐N‐N‐P complexes developed  in our 

group66  whereby  the  ligand  exhibits  reversible  protonation‐deprotonation  behavior.  However,  our 

system is flexible and preferentially adopts a folded/distorted geometry, which is not observed for these 

other structurally rigid ligands. 

2.3.3 Mass Balance Experiment 

Line broadening techniques were required for all 31P{1H} NMR spectra due to very poor signal‐to‐noise, 

indicating  that several species were  likely not being detected by NMR experiments, possibly even  the 

active species. For  that reason, mass balance NMR experiments were carried out. Triphenylphosphine 

oxide (OPPh3) is inert to catalysis and was therefore chosen as an internal standard to compare to other 

phosphorus integrations. A mixture of two equivalents of OPPh3 and one equivalent of (1) was reacted 

with base and substrate in isopropanol, as per standard procedures. NMR experimental conditions were 

optimized  for  accurate  integration  data.  The  doublets  for  (4)  account  for  approximately  25%  of  the 

phosphorus introduced, and ligand and oxidized ligand account for approximately 18%. Therefore, only 

43%  of  the  phosphorus  introduced  for  TH  is  detectable,  leaving  57%  of  all  phosphorus‐containing 

species  unaccounted  for  and  therefore  NMR  inactive.  This  is  significant  because  it  shows  that  a 

maximum of 75% of the iron is either catalytically active and NMR inactive or is catalytically active and 

found in extremely low concentrations. 

Page 67: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

43  

2.3.4 Mechanistic Evaluations with DFT 

Extensive computational DFT studies were undertaken to understand the mechanism for the formation 

of  (3)  and  (4)  from  (1),  as  well  as  the  energetics  of  the  overall  system.  This  work  was  done 

collaboratively with Demyan Prokopchuk, of  the Morris group, and will not be  the  focus of  this  thesis 

chapter, however key structures and energetics are shown  in Figure 2.9. To summarize, DFT supports 

the  formation  of  both  the  ferraaziridine  (3)  and  ferraaziridinido  (4)  species  through  favourable,  low 

energy pathways  involving deprotonation and  simultaneous  folding of  the  ligand arm. This  is  feasible 

due to the structural flexibility of the P‐N‐N‐P ligand system, which is not the case with the 5,5,5‐second 

generation catalysts discussed vide infra, which are structurally too rigid to ‘fold’. DFT also indicated the 

highly energetically favourable formation of an electron rich, square pyramidal Fe(0) complex, shown in 

the bottom right corner of Figure 2.9. The high favourability of (1) to form an Fe(0) complex suggests a 

potential route to the formation of heterogeneous or nanoparticulate iron. As discussed previously, the 

active species is not NMR active, and therefore using these DFT results we began to investigate the true 

nature of our catalytic system, as the question of homogeneity versus heterogeneity became less clear. 

Page 68: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

44  

 

Figure 2.9: Complete energetics profile and structures depicting the favourable formation of Fe(0). 

2.3.5 Probes for Heterogeneity 

The most  commonly  employed method  for  determining whether  a  catalyst  is  heterogeneous  is  the 

mercury poisoning test, however  it has been previously reported by our group21 that addition of Hg(0) 

has no effect on catalysis. This  is  likely due to the fact that  iron does not form a stable amalgam with 

mercury.67 As discussed  in detail  in Chapter 1, other well‐known methods  for determining whether a 

catalyst is heterogeneous include filtration, small molecule poisoning experiments, electron microscopy 

imaging, magnetometry and X‐ray photoelectron spectroscopy  (XPS).24,25,30,47,68,69 The most valuable of 

these experiments are  those done  in operando,70  that  is, while  the experiment  is  in progress, such as 

kinetic and poisoning experiments, as well as multi‐phase experiments. Filtration of the catalytic mixture 

revealed no precipitate, allowing bulk metal to be ruled out as a possible active catalyst, leaving iron (0) 

nanoparticles (Fe NPs) as the potential active species.  

Page 69: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

45  

2.3.6 Reaction Profile 

Preliminary  experiments  to  determine  the  true  nature  of  the  active  catalyst  involved  studying  the 

kinetics of the reaction, and the resultant reaction profile for TH of acetophenone to 1‐phenylethanol. 

Both catalytic systems  (1) and  (2) showed a sigmoidal curve, with an  induction period of 6‐8 minutes 

followed  by  rapid  catalytic  activity,  and  a  levelling  off  of  the  curve  once  the  reaction  reached 

equilibrium, as depicted in Figure 2.10. Throughout catalysis with ((R,R)‐2), an enantiomeric excess (e.e.) 

of  approximately 64% (S) is achieved in the product, and, unlike other iron‐based catalysts developed in 

our  group,71,72  it  is  only minimally  diminished  due  to  racemization with  prolonged  exposure  to  the 

reaction medium.  This  shape of  curve  is often  indicative of heterogeneous  catalysis  involving  colloid 

formation,24,25 or autocatalysis, where the product alcohol is involved in catalysis, and therefore catalysis 

is  slow  before  enough  product  is  formed.  To  disprove  that  the  system  is  autocatalytic  due  to  the 

influence  of  the  product  alcohol,  0.2  equivalents  of  1‐phenylethanol  (relative  to  acetophenone) was 

added to the catalytic mixture with the acetophenone during catalysis with (1) and (2). 0.2 equivalents 

was  used  because  conversion  to  product  alcohol  after  10  minutes  (after  the  induction  period),  is 

typically 18‐20%. The  conversion  curves exhibited  the  same  sigmoidal  shape and  the  same  induction 

period;  however  catalysis  slowed  down  and  equilibrium  is  reached  sooner,  due  to  Le  Châtelier’s 

Principle. To further probe the cause of the induction period, reactions were done where pre‐catalyst (1) 

or (2) were reacted with potassium tert‐butoxide in isopropanol for 10 minutes prior to the addition of 

substrate. Reaction curves with (1) showed no induction period, indicating that the reaction of the iron 

pre‐catalyst with base to form an active species is responsible for the induction period, not the uptake 

of substrate. Reaction curves with (2) showed an increase in initial rates and a decrease in the induction 

period, also  indicating  that  reduction of  the  iron  species  is necessary before  the catalyst can become 

active. What was  also  interesting was  the  subtle  increase  in  the  enantioselectivity  from 64%  to 70% 

when  the  catalyst was  allowed  to  pre‐activate  before  substrate  addition.  This  is  possibly  due  to  the 

unencumbered,  complete  formation  of  the  ligand‐coated  nanoparticles  without  the  interference  of 

substrate, allowing for more optimized coating of the chiral ligand on the surface. 

2.3.7 Poisoning Experiments 

It is well reported that the use of sub‐stoichiometric amounts of small phosphines and sulphides such as 

PPh3 and CS2 as poisoning agents  for catalysis  is strong evidence  for  the  formation of NPs.24,25,30,47,68,73 

Varying amounts of PMe3 in toluene, PPh3 in benzene, PCy3 in toluene, P(OMe)3 in benzene, P(OPh)3 in 

toluene, PPhMe2 in toluene, 1,4‐diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) in isopropanol, ethylene diamine in 

Page 70: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

46  

isopropanol, pentanethiol  in pentane and 2‐(dimethylamino)ethanethiol  in  isopropanol were tested as 

potential poisoning agents for catalysis with both (1) and (2). Control experiments were run by adding 

toluene, benzene or pentane to the reaction mixture, to ensure no negative mixed solvent effects were 

observed. Amine additives, such as DABCO and ethylene diamine had no effect on catalysis, suggesting 

that nitrogen donors are not suitable poisoning agents. PMe3, when introduced as catalysis was started, 

prevented all conversion of ketone to alcohol. It was then added to an active catalytic mixture after the 

induction  period  in  varying  concentrations.  Percentages  of  PMe3  (50,  20  and  10%)  relative  to  pre‐

catalyst (1) or (2) were able to completely stop conversion of ketone to alcohol, as shown in Figure 2.10 

whereas 5 and 7% only slowed down catalysis. A minimum of 10% PMe3  is  required  to stop catalysis, 

suggesting not only  that  the active species are NPs but  that 10% of  the  total  iron  is present as active 

sites  on  the  surface  of  the  NP.  Alternatively,  this  could  indicate  that,  if  the  active  catalyst  is 

homogeneous,  only  10%  of  the  iron  (relative  to  the  starting  iron)  is  active.  To  disprove  potential 

coordination of PMe3 to the precatalyst, which would also prevent catalysis, a large excess of PMe3 was 

reacted with (1) in isopropanol and studied by NMR spectroscopy. The 31P {1H} spectrum showed a large, 

broad peak for PMe3 and a sharp, small peak for (1), and no peaks for coordinated product.  

 

Figure 2.10: Standard catalytic runs using (1) and (2), and poisoning runs using (1) and (2) and 10% PMe3 added at t = 10min. 

To expand the range of possible phosphine poisons, various electronically and sterically varied poisons 

were tested, as depicted in Figure 2.11. 20% P(OMe)3 was able to completely stop catalysis with (1), and 

Page 71: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

47  

drastically slowed down catalysis with (2), suggesting minimal effect of changing the electronics of the 

poisoning agent, possibly due to the fact that both are able to bind strongly enough to  iron. PPh3 and 

PCy3 were  also  tested  as  potential  poisoning  agents.  To  our  surprise, when  20%  PCy3 was  added  to 

active  catalytic mixtures  of  (1)  or  (2),  conversion  rates  increased  and  overall  ee was  unaffected  for 

catalysis with  (2),  at 64%  (S). Addition of PPh3  appeared  to have no  effect on  catalysis with  (1), but 

increased conversion rates slightly with (2). These results suggest a strong dependence on the steric bulk 

of the phosphine used, and that poisoning effects could be explained based on Tolman cone angles.74 To 

further  study  the  effects  of  the  sterics  of  the  poisoning  agent,  PPhMe2 was  tested, which  is  slightly 

bulkier than the effective PMe3. Similarly to PMe3, catalysis was completely stopped with both (1) and 

(2),  indicating  that sterics does play a significant role  in  the phosphines’ poisoning ability. We are still 

investigating why  the  conversion  rates  increase when  bulky  phosphine  groups  are  added;  they may 

space  themselves  out  near  the  surface  leaving  access  to  catalytically  active  sites,  unlike  PMe3,  yet 

preventing  agglomeration  of  the NPs.  This  phenomenon  is  difficult  to  explain  from  a  homogeneous 

catalyst point of view; the displacement of part of the P‐N‐N‐P ligand by PCy3 may be feasible but would 

likely  change  the  enantioselectivity  of  the  reaction.  Small  phosphines  such  as  PMe3 may  be  able  to 

penetrate into the NP shell and bind directly to the Fe active sites, preventing catalysis. As discussed in 

detail  in Chapter 1,  the use of  small phosphine poisons has been  recently exploited by Manners and 

coworkers  to  compare homogeneity versus heterogeneity of  two of  their highly active amine‐borane 

dehydrogenation catalysts based on iron.40  

The last type of poisoning agent we were interested in studying the effects of were sulfur donors, as it is 

well reported that carbon disulfide24,73 is a well‐known poison for heterogeneous catalysts. The thiol, 2‐

(dimethylamino)ethanethiol,  at  20%  relative  to  iron,  drastically  slowed  down  catalysis with  (1),  and 

partially slowed down catalysis with  (2), as shown  in Figure 2.11, suggesting  that  the active species  is 

sensitive to sulfur containing compounds. Pentanethiol, at 15% relative to iron, was also tested, as it is 

slightly  less  bulky  than  2‐(dimethylamino)ethanethiol,  and  sterics  had  already  proven  to  be  very 

important  in  terms of poisoning effects. 15% pentanethiol was as effective as PMe3 at poisoning  (2), 

showing that the subtle steric change was effective. Interestingly, when 15% pentanethiol was used as a 

poison with (1), the rate decreased considerably, however catalysis was not as completely poisoned as it 

was with PMe3, but rather was very similar to poisoning with 2‐(dimethylamino)ethanethiol. Poisoning 

experiments  therefore  demonstrate  that  the  ethylenediamine  and  R,R‐diphenyl‐ethylenediamine 

backbones of (1) and (2) play a significant role in catalysis, which results in differences in the poisoning 

behaviour  for  the  catalysis with  (1)  and  (2).  Catalysis with  (2)  seems  to  be more  sensitive  to  steric 

Page 72: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

48  

changes in the poisoning agents, likely because its backbone is much bulkier,74 whereas (1)  is poisoned 

more completely by a wide range of reagents, and is not as sterically sensitive as (2).  

 

Figure 2.11: Conversion profiles for the TH of acetophenone to phenylethanol using (2) at ambient temperature (28 0C) in the presence of various poisons at the given amounts relative to catalyst, introduced at the given times. 

2.3.8 X‐ray Photoelectron Spectroscopy 

X‐ray Photoelectron Spectroscopy  (XPS) was  run on a  catalytically active  sample with  (1) and  sodium 

isopropoxide  as  the  base.  Solutions were  dried  on  a  sample  grid  and  briefly  exposed  to  air  before 

analysis.  Initial survey scans allowed for the  identification of all elements present, which was followed 

by high resolution scans on the P 2p, N 1s, O 1s, Fe 2p, Ag 3d and C 1s. Phosphorus was present in two 

different bonding states,  likely caused by phosphorus present  in both tri‐ and penta‐ valent states. 31P 

{1H} NMR  studies during  catalysis with  (1)  shows  that both  free  ligand  (trivalent P) and oxidized  free 

ligand  (pentavalent  P)  are  present, which  could  account  for  two  binding  states  present  in  the  XPS 

spectrum. Iron was found to be present in three bonding states, the largest of which corresponds to Fe 

(0), and  the  remaining  two corresponding  to Fe2O3 and a  shake‐up  satellite peak.75,76 During analysis, 

since the sample is briefly exposed to air, the formation of surface iron oxides is inevitable, resulting in 

the additional peaks seen in the XPS.  

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 10 20 30 40 50 60

[phenylethan

ol] (M)

Time (min)

20% PCy3, 8mindelay

20% PPh3, 8mindelay

Standard Run

20% Me2NC2H4SH,8min delay

20% P(OMe)3, 8mindelay

15% C5H11SH,11min delay

10% PMe3, 8mindelay

10% PPhMe2,11min delay

Page 73: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

49  

2.3.9 Electron Microscopy 

Scanning  Transmission  Electron  Microscopy  (STEM)  imaging  was  carried  out  on  catalytically  active 

samples  of  (1)  and  of  (2)  with  sodium  isopropoxide  as  the  base,  acetone  as  the  substrate,  and 

isopropanol as the TH solvent. Sodium isopropoxide was chosen as the base because the sodium cations 

formed  crystals with  tetrafluroroborate  anions which were more easily distinguished  than potassium 

from the  iron samples during analysis. Acetone was used as the reacting ketone due to  its  low boiling 

point  and  rapid  evaporation  from  the  EM  grids  before  analysis.  Imaging  of  both  samples  revealed 

clusters of varying sizes, identified as agglomerated iron nanoparticles. Agglomeration is possibly caused 

by drying effects on the EM grids before analysis, or the presence of agglomerated species  in solution 

caused by catalyst degradation. The NPs were measured to be 4.5 ± 1.2 nm in diameter, similar to those 

previously  reported.29 Typical  images  for solutions  from catalysis with  (1) and  (2) are shown  in Figure 

2.12. 

 

Figure 2.12: STEM images of TH with (1) (left) and (2) (right). 

To  confirm  that  the  nanoparticle  clusters were  in  fact  Fe NPs,  Energy‐Dispersive  X‐Ray  Spectroscopy 

(EDX)  linescans were  collected  on  several  clusters  formed  from  both  (1)  and  (2).  Individual  linescan 

profiles  for  titanium,  iron,  carbon,  oxygen,  phosphorus  and  nitrogen  were  acquired  and  analysed. 

Titanium was used as a background marker, and showed minimal signal, which was used to determine 

the amount of background  in  the other profiles.  Iron  scans  showed an  intense Fe  signal  through  the 

sample  clusters  with  negligible  amounts  of  iron  present  on  the  adjacent  carbon  support  film.  This 

Page 74: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

50  

indicates  that  the  clusters  are  in  fact  Fe  NPs,  and  there  is  a  negligible  amount  of  homogeneously 

dispersed  iron  in  the  remaining  solution. Carbon  signals were  strong  throughout due  to  the  fact  that 

copper  grids  coated  with  a  carbon  were  used  for  analysis.  Nitrogen  and  phosphorus  both  showed 

significantly  weaker  signals  through  the  cluster,  consistent  with  a  solid  iron  core  and  a  ligand 

functionalized shell. Nitrogen and phosphorus were also present outside of the clusters, indicating that 

there  is  some  free  ligand  isomers,  along with  oxidized  free  ligand  in  solution,  consistent with NMR 

spectra of TH experiments, which showed free  ligand and various  isomers of free  ligand  in the 31P {1H} 

NMR spectrum of  the TH solution, along with oxidized  free  ligand. Oxygen showed a  relatively strong 

signal  through  the  clusters,  likely due  to  some  surface CO,  residual  alkoxides,  and  inevitable  surface 

oxidation forming Fe2O3 due to exposure to air prior to analysis. 

2.3.10 Superconducting Quantum Interference Device Magnetometry 

Superconducting  Quantum  Interference  Device  (SQUID) Magnetometry  was  used  to  determine  the 

magnetic  properties  of  TH  solutions  formed  using  both  (1)  and  (2).  TH  solutions were  concentrated 

under reduced pressure to 0.15 mL in standard NMR tubes and flame sealed under vacuum to prepare 

samples. Two sets of experiments were run on each sample.  

The first is a zero field cool – field cool (ZFC‐FC) experiment, where samples were cooled in zero field to 

2K, and warmed gradually under the influence of a magnetic field to 100K, then cooled back to 2K under 

the same field. Samples with both (1) and (2) show a deviation between the plots of the ZFC versus the 

FC experiments,  indicating  that  the samples are not paramagnetic. Paramagnetic samples, or samples 

with paramagnetic impurities, do not show this type of behaviour.77 Both ZFC plots show an increase in 

signal with  increasing temperature up to the blocking temperature of 6K (1) and 7K (2), as depicted  in 

Figure 2.13, where the signal reaches a maximum. This behaviour is consistent with superparamagnetic 

particles, which is to be expected for Fe NPs, as was seen for similarly sized Fe NPs previously reported.30  

Control samples containing solely isopropanol and small amounts of potassium tert‐butoxide showed a 

weak diamagnetic response. In the ZFC‐FC run for (2), the plot drops to a negative (diamagnetic) signal 

beyond 38K, due to a more dilute sample (in iron) and solvent dominating the overall signal. 

Page 75: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

51  

 

Figure 2.13: Temperature dependence of the Zero Field Cooling‐Field Cooling (ZFC‐FC) SQUID experiment with (2). 

The  second  experiment  involves  raising  and  lowering  the  magnetic  field  under  a  constant,  set 

temperature, and analysing the resultant hysteresis loops. The spectrum using (1) shows a coercive field 

of  400 Oe  at  2K,  175 Oe  at  10K,  and  0 Oe  at  50K.  This  is  again  consistent with  superparamagnetic 

behaviour30,77. This change from the ‘blocked’ regime to the superparamagnetic regime  is governed by 

temperature, and particle size and composition. The active species formed from (2), similar to the active 

species formed from (1), shows no coercive field at higher temperatures, but a coercive field of 32 Oe at 

2K.  The  lower  value  can  likely  be  attributed  to  a  lower  concentration  of  iron  in  the  sample,  and  a 

different composition of the nanoparticles due to the varied ligand.  

2.3.11 Polymer‐bound Substrate Experiments 

‘Ex‐Situ’ techniques such as STEM and SQUID, along with XPS confirmed the presence of Fe(0) NPs in the 

catalytic  reaction  mixture,  but  these  techniques  alone  do  not  provide  proof  that  the  NPs  are  the 

catalytically active species. Kinetic and poisoning experiments are powerful in operando techniques that 

provide strong evidence of this, but they cannot completely rule out trace amounts of a homogeneous 

species  as  the  active  catalyst.  For  this, we  first  turned  to porous polymer  supported  substrates,  and 

using a similar technique employed by Witham,78 tested the relative size of our catalysts compared to 

known  reductants. Using  a  commercially  available Wang  resin, pyridinium  chlorochromate  (PCC) was 

used to selectively oxidize the –OH functionality to form a benzaldehyde‐like substrate within the pores 

‐2.0E‐5

‐1.0E‐5

0.0E+0

1.0E‐5

2.0E‐5

3.0E‐5

4.0E‐5

5.0E‐5

6.0E‐5

7.0E‐5

8.0E‐5

0 20 40 60 80 100

Magnetic Moment (emu)

Temperature (K)

Page 76: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

52  

of  the polymer.  The polymer was  then  reacted with  catalytically  activated  (2)  and other well‐known 

reductants such as the Meerwein‐Pondorf‐Verley catalyst (AlMe3)79 and sodium borohydride, to reduce 

the C=O back to C‐OH. Complex (2) provides an active catalyst for the reduction of free benzaldehyde, as 

has been previously reported.21 The polymers were analysed by infrared spectroscopy, however the –OH 

region  was  strongly  affected  by  solvents  used,  and  therefore  modifications  to  the  polymer  were 

necessary  to  gauge  the  extent  of  conversion  back  to  –OH.  Acetic  anhydride  was  reacted  with  the 

resultant polymer, to selectively react with the –OH and not the C=O, yielding an easily distinguished O‐

C=O peak  in  the  IR. These  reactions are  summarized  in Scheme 2.8. Unfortunately,  isopropanol  is an 

inadequate swelling solvent  for Wang resins,80 and therefore a 1:1 solvent mixture of tetrahydrofuran 

and  isopropanol was necessary  for  the  TH  reaction with  (2)  and  the NaBH4  reduction.  Toluene  is  an 

adequate swelling solvent for the Wang resin, and therefore no modifications were needed for catalysis 

with AlMe3 from the previously reported method.  

[Note: Relative swelling of Wang resin in isopropanol:toluene:tetrahydrofuran = 1:2:3]80 

 

Scheme 2.8: Polymer‐bound substrate experimental overview. 

NaBH4  was  able  to  completely  reduce  the  benzaldehyde‐modified  resin,  determined  by  the 

disappearance of the C=O (benzaldehyde) peak at 1685 cm‐1 in the IR, as well as a drastic increase in the 

–OH peak at 3436 cm‐1. This was confirmed by  the appearance of an O‐C=O peak at 1740 cm‐1 upon 

reaction with acetic anhydride. Even at very high catalyst to substrate ratios (1:50 where typical catalysis 

is with 1:600), the species derived from (2) was not able to reduce the aldehyde to alcohol, determined 

Page 77: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

53  

by no disappearance of  the C=O  (benzaldehyde) peak, as well as negligible appearance of  the O‐C=O 

peak  at  1750  cm‐1  for  an  acetic  anhydride  reacted  alcohol.  Further  experiments  showed  that  three 

sequential additions of catalyst over nine hours (12mg; 0.0114 mmol each for ~0.6 mmol C=O) yielded 

the same negative result as a single addition of catalyst, strongly suggesting that the catalyst is unable to 

get within  the pores of  the polymer beads. AlMe3 has been previously  reported  to catalyse  the TH of 

benzaldehyde to benzyl alcohol at fairly high catalyst loadings of 1:10 (catalyst:substrate).79 Similarly to 

catalysis with (2), three sequential additions of AlMe3 (0.042 mmol each for ~0.42 mmol C=O) over nine 

hours were used.  IR showed a significant decrease of the C=O (benzaldehyde) peak, and reaction with 

acetic anhydride showed the appearance of an O‐C=O peak at 1738 cm‐1, proving that the catalyst was 

able to get into the pores and reduce the aldehyde. These results are significant as they show that well 

known  homogeneous  catalysts  and  reagents  are  able  to  get  into  the  pores,  but  the  active  species 

derived  from  (2)  cannot,  suggesting  that  it  is much  larger,  and  therefore  supporting  that  the  active 

species are Fe (0) NPs. 

To  ensure  that  the  PCC  reaction  is  high  yielding,  the  benzaldehyde‐modified  resin was  reacted with 

acetic anhydride, and  IR  showed negligible appearance of  the O‐C=O peak. To ensure  that  the acetic 

anhydride  reaction  is high yielding,  the acetic anhydride modified  resin was  reacted with PCC, and  IR 

showed negligible appearance of the C=O (benzaldehyde) peak. It is well reported that NaBH4 is able to 

reduce benzaldehyde,81 and AlMe3 is also reported to effectively reduce benzaldehyde to benzyl alcohol 

at 90% yield  in 2 hours with a substrate to catalyst  loading of 10:1. (2) was tested as a catalyst for the 

hydrogenation  of  benzaldehyde  under  standard  TH  conditions  using  potassium  tert‐butoxide  in 

isopropanol and yielded 55% conversion in 1 hour with a substrate to catalyst loading of 430:1. 

2.3.12 STEM/EDX/Poisoning Experiments 

In  order  to  further  support  that  the  active  species  during  TH  are  Fe  NPs,  we  combined  poisoning 

experiments with STEM/EDX techniques to ‘capture’ the active species. 10% PMe3 and 15% CH3(CH2)4SH 

relative to (2) both completely poison catalysis, indicating that ‘P’ of PMe3 and ‘S’ of CH3(CH2)4SH bind to 

the active sites of the catalyst, blocking the substrate  from being hydrogenated. Therefore, the active 

species will show an increase in the amount of ‘P’ or ‘S’ relative to Fe after a sample has been poisoned. 

To visually analyse and quantify this we analysed two separate STEM grids; one grid was coated with a 

standard TH solution (A), and the second (B) was coated with a poisoned TH solution. (B) was prepared 

by poisoning solution  (A) at  t = 15min with 15% CH3(CH2)4SH  then allowing  the poison  to bind  to  the 

active species for 10 minutes before preparing the grid for analysis. 24 agglomerated clusters on each 

Page 78: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

54  

grid were analysed using EDX to determine relative weight % of Fe:S, and the results are summarized in 

Table 2.1. 

Table 2.1. Relative weight percent of Fe:S on grids (A) and (B) determined using EDX at ‐100oC on a STEM. 

Standard  Add 15% S 

Weight% Fe  Weight% S  Weight% Fe Weight% S

Average  94.4  5.6  Average  86.1  13.9 

Std. Dev.  3.3  3.3  Std. Dev. 5.2  5.2 

Variance  10.6  10.6  Variance  26.7  26.7 

**Note: Average, Standard Deviation and Variance have been calculated based on 23 values; one outlier 

from each series has been omitted.  

In order to determine whether the results are statistically relevant, we calculated the Student’s t‐value 

for two samples with unequal variances to yield t = 6.525: 

Tabulation of Student’s t‐Test: 

6.525      

Where: x1 = 13.92261 

  x2 = 5.616957 

  n1 = n2 = 23 

  s12 = 26.70365 

  s22 = 10.56757 

This value of  ‘t’  indicates  that  the average weight % S on  the  two grids  is statistically different at  the 

99.95% confidence interval, calculated based on 39 degrees of freedom (t40 = 3.551 at 99.95% C.I.) 

To get reference t we need to tabulate the degrees of freedom (df): 

1 1

2 38.4 

 

Note: t40 = 3.551 (99.95% Confidence) 

Page 79: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

55  

Overall,  this experiment demonstrates  that when 15% pentanethiol  is added  to an active TH solution, 

the sulfur binds to the Fe NPs and stops catalysis, strongly suggesting that the iron nanoparticles are the 

active species  in solution. The molar  ratio of sulfur  to  iron  that  is calculated  from  the weight percent 

values of Table 1 is approximately 0.22:1.0 or 0.13:1.0 if the background signal is subtracted. A 4 nm iron 

particle has about half of the iron on the surface (as calculated in the Experimental section below), not 

all of which will form active sites. Thus this ratio is reasonable. It is also supported by similar values seen 

for other poisoned NPs  in  the  literature such as 0.12  for Rh(0) NPs,70 0.2 PPh3  for  Ir~300 clusters44 and 

many more.24,25,47,73 

CH3(CH2)4SH was chosen for this experiment series  instead of PMe3 because the standard TH solutions 

do not contain sulfur, but there is a fairly strong phosphorus signal in the background due to the P‐N‐N‐P 

ligand present. This background created too much error for the results to be statistically relevant. 

2.3.13 Description of Fe NPs 

We hypothesize that upon reaction with base the Fe‐(P‐N‐N‐P) complex loses its acetonitrile ligand, and 

is  reduced  to  an  Fe(0)  species, which,  according  to  previous DFT  studies  is  energetically  favourable. 

Some P‐N‐N‐P  ligand then dissociates, as seen  in the STEM EDX  linescans and 31P {1H} NMR spectrum, 

and the Fe(0) –CO NPs then form. Enantioselectivity is thought to be caused by the chiral (P‐N‐N‐P)‐dpen 

backbone,  which  likely  coordinates  onto  the  surface  of  the  formed  NP,  similar  to  the  binding  of 

cinchonidine on zero‐valent platinum nanoparticles.52,82 Selective binding of  the  (R,R)‐(P‐N‐N‐P)  ligand 

would thus affect the environment of the active centre for catalysis, yielding alcohols with reasonably 

high  e.e.  (64%  (S)‐1‐phenylethanol  from  acetophenone).  The  exact  mechanism  responsible  for  the 

unprecedentedly high e.e.  is still under  investigation however we postulate that the surface of the NP 

must be very regular for the ligands to bind in such a way as to produce such high enantioselectivities. A 

thorough DFT and STM study was recently published by McBreen and coworkers83 outlining the specific 

binding  of  chiral modifiers  to  a  platinum  surface whereby  the  ligands  and  activated  acetophenone 

substrate  were  shown  to  have  preferred  binding  sites  on  the  surface,  giving  further  support  that 

asymmetric catalysis is feasible on a NP surface. 

One  possible  explanation  for  this  regularity  is  outlined  by  Wang,84  who  discovered  that  at  room 

temperature, Fe NPs favour a cubic structure, whereby most of the particles are confined only to the six 

{100} planes, and not  truncated by  the  {110} planes. This would  force most of  the Fe atoms  to be  in 

regular  intervals, and all active sites along the  ‘faces of the cubes’ to be  identical,  leaving only a small 

Page 80: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

56  

fraction of the atoms along the edges of the cubes to negatively affect the regularity. This phenomenon 

was primarily seen for Fe NPs coated in iron oxide, giving a total diameter > 8 nm, which is larger than 

the particles we report, however this favourability towards the cubic Fe bcc structure may still dominate 

in the case of our catalysis. 

Several attempts have been made to synthesize Fe NPs  independently using well reported techniques 

and  functionalize  them with  our  P‐N‐N‐P  ligands.  Bedford,85  Phua29  and  Rangheard30  have  described 

syntheses and characterizations of Fe  (0) NPs formed by the reduction of  iron (II) and  iron (III) halides 

using aryl and alkyl Grignard reagents, often in the presence of stabilizing reagents such as polyethylene 

glycol (PEG). We tested NPs formed using this method for the TH of ketones and found that they were 

not  active, nor were NPs  formed using  several  variations of  this method  in  the presence of P‐N‐N‐P 

ligands or P‐N‐N‐P ligand precursors as a template technique. This remained the case whether the ligand 

was added during synthesis or to the pre‐formed NPs, and whether synthesis was carried out under an 

atmosphere of CO or not. Other reported methods for the synthesis of well‐defined Fe (0) NPs  involve 

the carbothermal reduction of iron salts on carbon black, as reported by Hoch et. al.86 These NPs were 

not catalytically active for the TH of ketones, nor were they upon reaction with P‐N‐N‐P ligand. Attempts 

were  also made  to  immobilize  iron  salts  onto  carbon  and  reduce  using  Grignard  reagents  to make 

carbon supported Fe  (0) NPs of a smaller diameter  than  those  reported by Hoch. These were  treated 

with P‐N‐N‐P  ligands, either during or post‐synthesis, and both with and without CO present, however 

no catalytic activity  for  the TH of ketones was observed.  Iron  (0) powders described by Kavaliunas et. 

al.87 were also synthesized and tested for catalysis with P‐N‐N‐P ligand, however were also found to be 

inactive. All  of  these  attempts  to  synthesize  Fe  (0) NPs  using  different methods  did  not  yield  active 

catalysts, thus showing that a very intricate balance of starting materials and conditions are required to 

generate the NPs formed during our catalysis. 

2.4 Case Study 

We  first  became  interested  in  this  question  of  heterogeneity  versus  homogeneity  when  we  were 

investigating the mechanism of two of our iron TH catalysts, the 6,5,6 and 5,5,5‐systems, both shown at 

the top of Scheme 2.9. This case study will detail our investigation and comparison of the two systems, 

explaining how the techniques and experiments discussed vide supra can be directly applied. 

Page 81: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

57  

The 6,5,6‐Fe(P‐N‐N‐P) system discussed  throughout  this chapter, and shown  in Scheme 2.9  (left) with 

the  diphenylethylene  diimine  backbone,  achieved  turnover  frequencies  (TOF)  of  up  to  2600  h‐1  and 

enantioselectivities of 65% for the TH of acetophenone.23 To improve these results, we designed a new 

series, or second generation, of  iron catalysts with a smaller chelating ring  that would allow  for more 

modifications to be made. The 5,5,5‐Fe(P‐N‐N‐P) systems, shown in Scheme 2.9 (top right), are formed 

using  protected  phosphonium  dimers,71 which  allows  for  extensive modification  of  the  phosphorous 

substituents,  including both alkyl72 and aryl groups.88 These systems proved to be exceptionally active, 

yielding  TOFs  of  up  to  30,000  h‐1  and  enantioselectivities  up  to  90%  for  acetophenone.88 Given  the 

successful  catalysis  with  both  generations  of  precatalysts,  we  set  out  to  determine  the  catalyst 

mechanism in the hopes of being able to generate even more active and selective systems. 

N N

PPh2

PPh2

Ph Ph

Fe (0)Nanoparticle N

NPh2P

Ph2P Ph

PhN

N PPh2

PPh2Ph

Ph

NN

PPh2

PPh2

PhPh

Fe

Br

OBPh4

NN

PPh2

PPh2

PhPh

Fe

H

O

H

N N

PPh2

PPh2

Ph Ph

Fe

O

NCMe

[BF4]2

VERSUS

First Generation (6,5,6) Second Generation (5,5,5)

6 65

55

5

 

Scheme 2.9: Iron‐(P‐N‐N‐P) transfer hydrogenation catalysts developed by our group. Left: First Generation, 6,5,6‐system and proposed formation of active species. Right: Second Generation, 5,5,5‐system and proposed formation of active species. 

When we  first began our  investigation, we assumed both generations would  follow  the same general 

mechanism, and  therefore  set about probing both  simultaneously.  Initial experiments with  the 6,5,6‐

system showed that some ligand was de‐coordinating during catalysis (31P NMR spectrum), and that the 

reaction profile  showed  the presence of an  induction period and  sigmoidal curve.89,90 With  suspicions 

Page 82: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

58  

that the catalyst may  in fact be NPs, we used STEM and SQUID to show that NPs were present during 

catalysis,  and  successfully  showed  the  substoichiometric  poisoning  of  the  catalytic  system with  10% 

PMe3. With strong evidence in hand for NP catalysis, we conducted the polymer coordinated substrate 

experiments  previously  outlined,  and  were  able  to  strongly  support  our  hypothesis  using  the  thiol 

poisoning/EDX  experiment detailed  above. Given  the  strong  support  for heterogeneity  for  the  6,5,6‐

system, we were  still  hesitant  as  investigations  into  the  5,5,5‐system’s mechanism  provided  strong 

evidence for homogeneity.66,91 For the 5,5,5‐system,  initial  investigations  into the role of base showed 

that  a  highly  reactive  bis‐ene‐amido  species  could  be  isolated,  and  that  this  species  could  be  used 

directly in catalysis without base.66 An interesting curiosity was the presence of an induction period and 

sigmoidal reaction profile with the 5,5,5‐systems. However, isolation of the bis‐ene‐amido species after 

treatment with base, when used  in catalysis, exhibited no  induction period.66 This suggests that unlike 

the 6,5,6‐system where the  induction period and role of base were to reduce the metal centre to  iron 

NPs,  the  5,5,5‐system’s  induction  period  was  due  to  the  formation  of  this  reactive  intermediate. 

Detailed  kinetic  studies on  the  activation  and  catalytic  activity of  the 5,5,5‐system provided  valuable 

insights  into  the  mechanism  of  the  system  which  were  supported  by  DFT  calculations.90,91  It  was 

determined that activation was dependent on catalyst and base concentrations and inversely dependent 

on  substrate  concentration. Catalysis, on  the other hand, was not dependent on base  concentration; 

once  the catalyst becomes activated by base  in  isopropanol, additional base  is no  longer needed. The 

inverse  dependence  on  the  substrate  acetophenone was  explained  by  the  formation  of  an  enolate 

which binds to the iron centre, slowing activation. Kinetic profiles were also successfully and accurately 

simulated  using  experimentally  determined  rate  constants  and  equations,  all  of which  supported  a 

homogeneous mechanism. The 5,5,5‐system was also minimally affected by PMe3 poisoning and NPs 

were not detected using STEM of activated solutions. 

Given  the  striking  difference  between  the  apparent  activation modes  of  the  two  structurally  similar 

systems we turned to DFT. As previously discussed, we hypothesized that the 6,5,6‐system is reduced to 

zero‐valent iron by a mechanism that involves one side of the ligand arm folding up to form an electron 

rich  ferraaziridine complex.90 Using DFT we  studied  the 5,5,5‐system and determined  that  the  folding 

mechanism was  energetically  unlikely  due  to  the  rigidity  of  the  ligand  scaffold.  Instead,  low  energy 

pathways were determined for the reduction of the ligand to form amides, followed by stepwise proton 

and hydride transfers to generate the active NH‐FeH species,90 as shown  in Scheme 2.9 (bottom right). 

This  ligand flexibility  in the 6,5,6 and rigidity  in the 5,5,5‐systems explains why the systems activate  in 

such different ways. An  important discovery  in  the  study of  the 5,5,5‐system was  the  isolation of an 

Page 83: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

59  

imine‐amine  iron  species upon quenching  the bis‐ene‐amido  species with HCl. This  species,  shown  in 

Figure 2.14b, was shown to catalyse TH with a TOF of 50,000 h‐1, nearly double the rate of the original 

5,5,5‐precatalyst,  in  the  presence  of  base.  This  eventually  led  to  the  development  of  our  third 

generation  catalyst,  capable  of  achieving  TOFs  up  to  200  s‐1.92  Returning  to  this  concept  of  catalytic 

quenching  using  acid,  followed  by  reactivation with  base,  as  a  final  piece  of  evidence  that  the  two 

systems were, in fact, completely different mechanistically, we applied this concept to our 6,5,6‐system. 

Both  systems were  individually activated using base  in  isopropanol  in  the presence of  substrate, and 

allowed to react to ~15% conversion before an excess of HCl was added to quench the reaction. This was 

then  allowed  to  stir  for  a  short  period  of  time  before  a  fresh  batch  of  base  (KOtBu) was  added  to 

reactivate  the  solution.  The  conversion  of  acetophenone  to  product was monitored  throughout  the 

process, as depicted in Figure 2.14. Upon the addition of HCl, both systems deactivate, indicated by the 

lack of conversion. After the addition of further base, only the 5,5,5‐system regains its activity, whereas 

the  6,5,6‐system  cannot  be  reactivated.  This  test  provided  the  final  piece  of  evidence  that  the  two 

systems, although structurally quite similar, were in fact completely different. 

    

Figure 2.14: Reaction profiles for the conversion of acetophenone to 1‐phenylethanol over time using the 6,5,6‐system  (a) 

and the 5,5,5‐system (b). Plots depict the effect of adding HCl following by reactivation with KOtBu. 

This  comparison of  the  first and  second generation of  catalysts developed  in our  lab  is an  important 

example of why it  is so critical to study the reaction mechanism of every catalyst system, regardless of 

how similar they may seem. It also highlights the value of applying a wide range of techniques to piece 

together evidence, and ultimately postulate a mechanism. 

Page 84: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

60  

2.5 Conclusions 

Upon reaction of our  trans‐[Fe(NCMe)CO(PPh2C6H4CH=NCHR‐)2  ][BF4]2  (R = H, Ph)   precatalyst  (1) with 

two  equivalents  of  sodium  iso‐propoxide  in  benzene,  an  unusual  folded  ferraaziridine  complex 

[Fe(CO)(PPh2C6H4CH=NCH2CH2NHCHC6H4PPh2)‐5P,N,C,N,P][BF4] (3) could be  isolated, but was found to 

not be catalytically active. Upon reaction of the ferraaziridine complex with potassium tert‐butoxide  in 

isopropanol,  a  deprotonated  ferraaziridinido  complex  Fe(CO)(PPh2C6H4CH=NCH2CH2NCHC6H4PPh2)‐

5P,N,C,N,P  (4)  could  be  observed.  (4) matched  the  species  observed  by  31P  {1H} NMR  experiments 

during TH, but was also found to not be catalytically active. DFT calculations showed that formation of 

(4) was highly energetically  favourable,  as was  the  further  reduction  to  the  Fe  (0),  square pyramidal 

species Fe(CO)(PPh2C6H4CH=NCH2‐)2‐4P,N,N,P. This favourable reduction to an Fe  (0) species provided 

support for the potential formation of Fe NPs in solution during catalysis. Upon further investigating the 

mechanism with our precatalysts  (1) and  (2) we discovered by STEM, SQUID and XPS analyses that Fe 

NPs  were  being  formed  during  catalysis.  STEM  showed  that  the  NPs  are  approximately  4.5  nm  in 

diameter, SQUID  showed  that  the  catalytic mixture  contained primarily a  superparamagnetic  species, 

and XPS analysis confirmed the formation of an Fe (0) species. Reaction profile analysis confirmed that 

activation of  the  Fe precatalyst with base  and  isopropanol was  responsible  for  the  induction period, 

resulting  in  a  sigmoidally  shaped  reaction  profile.  Several  poisoning  agents  were  tested,  and  PMe3 

proved  the most effective poison, completely stopping catalysis with only 10%  loading  relative  to  the 

precatalyst.  Functionalization  of  a  porous  Wang  resin  with  a  benzaldehyde‐like  functionality,  and 

subsequent  reaction  with  various  hydrogenation  catalysts  and  reagents  proved  that  well  defined 

homogeneous species were able  to get within  the pores, but  that  the catalyst derived  from  (2)  is  too 

large, thereby providing further evidence that the active species are NPs. Pentanethiol was shown to be 

an effective substoichiometric poisoning agent, and using STEM/EDX techniques it was demonstrated to 

bind  to  the  Fe  NPs,  further  supporting  that  NPs  are  the  active  species  in  catalysis.  Lastly,  we 

demonstrated the use of this wide range of techniques in a comparative case study between our 6,5,6‐

first generation nanoparticle catalysts and our homogeneous 5,5,5‐second generation catalyst system. 

This chapter details the extensive mechanistic story of our iron catalysts, and provides a rare example of 

highly active asymmetric catalysis using zero‐valent nanoparticles based on non‐precious metals. 

Page 85: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

61  

2.8 Experimental 

2.8.1 General Procedures 

All preparations, manipulations and catalysis were carried out under an argon or nitrogen atmosphere 

using  standard Schlenk  line and drybox  techniques. Dry and oxygen‐free  solvents, acetophenone and 

ethylene  diamine were  distilled  and  dried  using  the  appropriate  drying  agents.  NMR  solvents were 

purchased from Aldrich and degassed and dried over activated 3 Å molecular sieves. All other reagents 

were purchased  from various commercial sources and used without  further purification. NMR spectra 

were recorded using a Bruker 400 and Varian 300 and 400 spectrometers to determine 1H (400 and 300 

MHz) and 31P {1H}  (121 MHz) shifts. 1H shifts are referenced to deuterated solvents, and 31P peaks are 

externally referenced to 85% phosphoric acid.  

Gas Chromatography was done on  a Perkin Elmer Clarus 400 Chromatograph equipped with  a  chiral 

column (CP chirasil‐Dex CB 25 m x 2.5 mm) and auto‐sampling capabilities. Hydrogen gas was used as 

the mobile phase, and the oven temperature was set at 130 0C. Retention times for 1‐phenylethanol are 

7.58 and 8.03 minutes, and for acetophenone is 4.56 minutes. 

X‐Ray Photoelectron Spectroscopy  (XPS) was done at the University of Toronto by Dr. Rana Sodhi and 

‘Surface Interface Ontario’ on a Thermo Scientific K‐Alpha XPS spectrometer. The samples were run at a 

take‐off angle (relative to the surface) of 90°. A monochromatic Al Kα  X‐ray source was used, with a spot 

area  (on a 90° sample) of 400 μm. No charge compensation was needed. Position of the energy scale 

was adjusted to place the main C 1s feature (C‐C) at 284.6 eV. An initial survey spectrum was obtained 

and the identified elements were obtained in a snapshot mode at low resolution (pass‐ energy = 150 eV) 

for quantification purposes. High resolution spectra (pass energy = 25 eV) were obtained for the  P 2p, N 

1s, O 1s, Fe 2p, Ag 3d and C 1s regions. The latter two were collected for an internal energy calibration. 

The  instrument and all data processing were performed using  the  software  (Avantage) provided with 

the instrument. 

Electron microscopy  images were carried out at  the  ‘Centre  for Nanostructure  Imaging’  (University of 

Toronto)  in collaboration with Dr. Neil Coombs, on a Hitachi HD‐2000 STEM operating at  ‐100 0C. Low 

temperatures were  required  to minimize contamination and specimen damage by  the electron beam. 

Samples were placed on an ultrathin carbon film supported by a lacey carbon film on a 400 mesh copper 

grid.  Energy‐Dispersive  X‐Ray  Spectroscopy  (EDX) was  run  concurrently  using  INCA  software  and  the 

Page 86: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

62  

STEM.  Linescans were used  to  analyse  iron, oxygen, phosphorus, nitrogen,  carbon  and  titanium.  The 

latter was collected as a background. Sample preparation: to a vial containing pre‐catalyst (5 mg, 0.006 

mmol of (1), or 6 mg, 0.006 mmol of (2)) and NaOtBu (4 mg, 0.042mmol), isopropanol (6 mL, 78 mmol) 

and acetone (0.1 mL, 1.4 mmol) were added at the desired temperature, in an argon filled glovebox. 

Magnetic measurements were done at McMaster University at  the Brockhouse  Institute  for Materials 

Research in collaboration with Dr. Paul Dube, on a Quantum Design MPMS SQUID magnetometer with a 

5.5 T magnet. Zero Field Cooling‐Field Cooling (ZFC‐FC) experiments brought the sample down to 2 K in 

the absence of a magnetic field, warmed the sample to 100 K under a constant applied field and cooled 

back down to 2 K under the same applied field. Hysteresis curves were done at constant temperatures 

under fields varying from  ‐30000 to 30000 Oe. Sample preparation: to a vial containing pre‐catalyst (5 

mg, 0.006 mmol of (1), or 6 mg, 0.006 mmol of (2))  and KOtBu (5 mg, 0.045mmol), 2‐propanol (3 mL, 39 

mmol)  and  acetone  (0.05 mL,  0.7 mmol) were  added  at  the  desired  temperature,  in  an  argon  filled 

glovebox. The solution was stirred for 8 min, and then concentrated under reduced pressure to 0.15 mL 

in an NMR tube. The solution was frozen, put under vacuum, and flame‐sealed. 

2.8.2 Syntheses 

Precatalysts [Fe(CO)(NCMe)(P2N2en)][BF4]2 (1) and  [Fe(CO)(NCMe)(P2N2dpen)][BF4]2 (2) have both been 

prepared and characterised previously.23  

Preparation of (3): In a nitrogen‐filled glove box, 3 mL of benzene was added to a solid mixture of (1) (56 

mg, 0.093 mmol) and NaiOPr (15 mg, 0.18 mmol). The reaction mixture turned dark brown after ca. 15 

minutes and was stirred for 12 h at ambient temperature. The solution was filtered off and was allowed 

to  slowly  evaporate  for  several  days,  to  give  the  product  as  dark  brown  crystals.  Crystals  for  X‐ray 

analysis were selected directly from this crop. After washing with ether and pentane the pure product 

was obtained. Yield: 31 mg, 0.06 mmol, 65%. 1H NMR (400 MHz, CD3CN): δ = 8.76 (d, JH,P = 3.1 Hz, 1 H, 

CH=N), 8.03 (m, 2 H, Ar), 7.75‐6.74 (several m, 22 H, Ph), 6.42 (m, 2 H, Ar), 6.23 (m, 2 H Ar), 4.32 (m, 1 H, 

CH2), 4.21 (br s, 1 H, NH), 3.80 (m, 1 H, CH2), 3.61 (m, 1 H, CH), 2.55 (m, 1 H, CH2). 31P{1H} NMR (121 MHz, 

CD3CN): δ = 84.3 (d, JP,P = 43.4 Hz), 70.1 (d, JP,P = 43.3 Hz). 13C{1H} NMR (100 MHz, CD3CN): δ = 213.3 (dd, 

JC,P = 3.1 Hz,  JC,P = 24.2 Hz, CH=N), 170.0  (d,  JC,P = 4.6 Hz, Ar), 154.7  (d,  JC,P = 32.1 Hz, Ar), 136.9‐128.1 

(several m, Ar), 70.1 (d, JC,P = 4.5 Hz,. CH2), 68.1 (dd, JC,P = 5.5 Hz, JC,P = 10.8 Hz, CH), 48.6 (d, JC,P = 1.8 Hz, 

CH2). 19F NMR  (CD3CN):  δ = 152.3  (s).  IR(KBr):  νCO = 1940  cm

‐1. MS  (ESI+, MeOH):  for  [M‐BF4]+  (m/z = 

Page 87: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

63  

689.2). Analysis calcd for C41H36BF4FeN2OP2∙C6H6: C, 65.99; H, 5.30; N, 3.27. Found: C, 65.82; H, 5.30; N, 

3.61. 

Observation of (4): In a nitrogen‐filled glove box, 3 mL of isopropanol was added to a solid mixture of (3) 

(25  mg,  0.031  mmol)  and  KOtBu  (5  mg,  0.044  mmol).  The  reaction  mixture  turned  dark  brown 

immediately and was stirred for 1 h at ambient temperature. The solution was filtered to remove excess 

base and NMR and IR spectra of the crude solution were obtained. 31P{1H} NMR (121 MHz, iPrOH, C6D6 

insert): δ = 84.1 (d, JP,P = 30.7 Hz), 68.7 (d, JP,P = 30.7 Hz). IR(KBr): νCO = 1862 and 1870 cm‐1, as well as 

broad peaks at 1934 and 1957 cm‐1. 

2.8.3 Catalysis – Standard Run 

To a vial containing pre‐catalyst (5 mg, 0.006 mmol of (1), or 6 mg, 0.006 mmol of (2)) and KOtBu (5 mg, 

0.045mmol),  isopropanol  (6 mL, 78 mmol)  and  acetophenone  (0.35 mL, 3 mmol) were  added  at  the 

desired temperature, in an argon filled glovebox. Immediately a dark brown solution was formed for (1) 

or a dark green  solution  for  (2). Solutions were  stirred vigorously, and  samples were  taken  from  the 

mixture,  quenched  by  exposure  to  air  and  analysed  by  gas  chromatography. When  the  samples  are 

exposed  to  air  the  solution  turns  yellow  and  the  reaction  stops  immediately.  The  alcohol/ketone 

concentration does not  change  in  these  solutions, even after  several days. All of  the  catalytic  results 

were reproduced in triplicate to ensure consistency. 

2.8.4 Catalysis – Poisoning Experiments 

Solutions were prepared as outlined  for a standard  run, and sub‐stoichiometric amounts of poisoning 

reagents were added  to  the  solution after a  set amount of  time,  typically 8 or 11 minutes. Poisoning 

reagents were prepared as dilute stock solutions in toluene, benzene or isopropanol, based on solubility. 

Addition of blank stock solutions, either toluene or benzene, had no effect on catalysis. Tested poisoning 

agents  include:  PMe3  in  toluene,  PPh3  in  benzene,  PCy3  in  toluene,  P(OMe)3  in  benzene,  P(OPh)3  in 

toluene, PPhMe2 in toluene, OPPh3 in toluene, DABCO in isopropanol, ethylene diamine in isopropanol, 

pentanethiol in pentane and 2‐(dimethylamino)ethanethiol in isopropanol. 

2.8.5 Catalysis – NMR Scale Reactions 

To a vial containing pre‐catalyst  (1)  (18 mg, 0.020 mmol)and KOtBu (10 mg, 0.088 mmol),  isopropanol 

(0.6 mL, 7.8 mmol) and acetophenone  (0.1 mL, 0.86 mmol) were added at  room  temperature,  in an 

Page 88: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

64  

argon filled glovebox. Immediately a dark brown solution was formed, which was stirred vigorously for 

10 minutes before being transferred to a J‐Young NMR tube containing a D2O insert, and 31P {1H} was run 

immediately on  a Varian 400 MHz  spectrometer.   All  results were  reproduced  in  triplicate  to ensure 

consistency. 

2.8.6 Mass Balance Experiments 

Prior to addition of solvent, OPPh3 (11 mg, 0.040mmol) was added to a vial prepared as outlined above. 

The dark brown solution was stirred for 10 minutes and transferred to a J‐Young NMR tube containing a 

D2O  insert. 31P NMR spectroscopy was run  immediately on a Varian 400 MHz spectrometer, with a 90° 

pulse,  decoupled‐NOE  and  a  relaxation  decay  of  3.7  seconds.  Parameters  were  optimized  by 

determining  the  T1  relaxation  times of  all  species present  in  the  31P NMR  spectrum. All  results were 

reproduced to ensure consistency. 

2.8.7 Experimental for Polymer‐bound Substrate Experiments 

Synthesis of Polymer‐supported Substrate (WangPCC): StratoSpheres™ PL‐Wang resin (1.7 mmol –OH/g, 

50‐100 mesh, 1% crosslinked) (1.3 g, 2.21 mmol –OH), was stirred with pyridinium chlorochromate (PCC) 

(500 mg, 2.32 mmol)  in 20 mL dichloromethane  for 6 hours at  room  temperature  in a nitrogen  filled 

glovebox.  The  resin  was  then  filtered  under  air,  washed  extensively  with  dichloromethane  and 

isopropanol, and dried overnight under reduced pressure. 

Catalysis on Resin with  (2): To a vial containing pre‐catalyst  (2)  (12 mg, 0.0114 mmol), KOtBu  (10 mg, 

0.09mmol),  and  WangPCC  (~350  mg,  ~  0.6  mmol  C=O),  isopropanol  (3  mL,  39  mmol)  and 

tetrahydrofuran  (3 mL, 37 mmol) were added at  room  temperature,  in an argon  filled glovebox. The 

solution was stirred for 24hrs, and then the resin was filtered under air, washed with  isopropanol and 

dichloromethane, and dried overnight under reduced pressure. 

Testing Resin as a Poison to Catalysis with (2): (To ensure that the conditions of resin experiments were 

not poisonous to the standard TH of acetophenone). To a vial containing pre‐catalyst (2) (6 mg, 0.0057 

mmol),  KOtBu  (5  mg,  0.045mmol),  and  Wang  PCC  (~65mg),  isopropanol  (6  mL,  78  mmol)  and 

acetophenone (0.35 mL, 3 mmol) were added at room temperature, in an argon filled glovebox. A dark 

green solution formed immediately. Solutions were stirred vigorously, and samples were taken from the 

mixture, quenched by exposure  to air and analysed by gas  chromatography. No decrease  in  catalytic 

activity or enantioselectivity was seen, indicating that the resin is not a poison. 

Page 89: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

65  

Catalysis on Resin with AlMe3: To a vial containing WangPCC (~250 mg, ~ 0.42 mmol C=O), isopropanol 

(0.06 mL, 0.78 mmol) and toluene (1 mL, 9.4 mmol), AlMe3 (0.042 mmol in 0.2 mL toluene) was added at 

room temperature,  in a nitrogen filled glovebox. The solution was stirred for 24hrs, and then the resin 

was  filtered  under  air, washed with  toluene,  isopropanol  and  dichloromethane,  and  dried  overnight 

under reduced pressure. 

Reduction  of  Resin  with  Sodium  Borohydride:  To  a  vial  containing  NaBH4  (23 mg,  0.61 mmol)  and 

WangPCC  (~350 mg,  ~  0.6 mmol  C=O),  isopropanol  (3 mL,  39 mmol)  and  tetrahydrofuran  (3 mL,  37 

mmol) were added at room temperature, in an argon filled glovebox. The solution was stirred for 24hrs, 

and  then  the  resin was  filtered under  air, washed with  isopropanol  and dichloromethane,  and dried 

overnight under reduced pressure. 

Reaction of Resin with Acetic Anhydride (Wang + aa): To a vial containing resin (as prepared in steps 1‐4) 

(~250 mg, ~ 0.4 mmol C‐OH/C=O) and iodine (I2) (20 mg, 0.08 mmol) dichloromethane (4 mL, 62 mmol) 

and acetic anhydride (0.25 mL, 2.6 mmol) were added at room temperature under air. The solution was 

stirred for 22hrs, water (1 mL, 55 mmol) was added, and the solution was stirred for 1 hour. The resin 

was then filtered, washed with dichloromethane, and dried overnight under reduced pressure. 

   

Page 90: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

66  

Table 2.2: IR peaks for modified resin experiments 

Resin Sample  Relevant IR peaks (cm‐1) 

Wang – OH  1612 (strong) 

Wang + aa  1615 (strong) – resin 

1740 (strong) – O‐C=O (aa) 

WangPCC  1612 (strong) – resin 

1690 (strong) – C=O (benzaldehyde) 

WangPCC + aa  1615 (strong) – resin 

1684 (strong)  – C=O (benzaldehyde) 

1750 (very small) – O‐C=O (aa) 

WangPCC – TH with (2)  1615 (strong) – resin 

1690 (strong) – C=O (benzaldehyde) 

WangPCC – TH with (2) + aa  1612 (strong) – resin 

1688 (strong)  – C=O (benzaldehyde) 

1750 (very small) –O‐ C=O (aa) 

WangPCC – TH with AlMe3  1615 (strong) – resin 

1688 (small shoulder peak off of 1615 peak) – C=O 

(benzaldehyde) 

Note: 3447 (very strong) – C‐OH peak has grown 

significantly 

WangPCC – TH with AlMe3 + aa  1617 (strong) – resin 

1693 (weak) – C=O (benzaldehyde) 

1738 (fairly strong) – O‐C=O (aa) 

WangPCC – NaBH4  1617 (strong) – resin 

Note: 3436 (very strong) – C‐OH peak has grown 

significantly 

WangPCC – NaBH4 + aa  1614 (strong) – resin 

1740 (strong) – O‐C=O (aa) 

** aa = Acetic Anhydride reactions, TH = Transfer Hydrogenation Reaction 

2.8.8 Determining the Ratio of Fe on the Surface of Fe NP 

Known: 

ΡFe, bulk = 7.87E6 g/m3 

Atomic Radii Fe = dFe = 126 pm = 1.26E‐10 m 

Assume Iron = body centred cubic  2 Fe atoms / unit cell 

MWFe = 55.85 g/mol 

Diameter of NP = 4nm  r = 2 nm 

For Total Fe/NP: 

Page 91: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

67  

, 43

3.351 10  

2.637 10 4.722 10 2844  

For Surface Fe/NP: 

 

 

Distance from A  B  4 5.04 10  

Therefore  4 45 3.564 10  

 

 

 

Surface Area of a Circle :  4 5.0266 10  

Volume on Surface =  1.7914 10  

Mass on Surface =  1.410 10 2.524 10 1520

 

15202843

53.5%  

Similarly, the relative amount of  iron on the surface of the nanoparticle can be calculated assuming a 

cubic particle with a facial diameter of 4 nm and assuming bcc iron. This yields a final equation of: 

30237483

40.4%  

2.8.9 Catalysis – HCl Addition Experiments 

For  6,5,6‐Catalyst:  To  a  vial  containing  (2)  (6  mg,  0.006  mmol)  and  KOtBu  (5  mg,  0.045  mmol), 

isopropanol  (6  mL,  78  mmol)  and  acetophenone  (0.35  mL,  3  mmol)  were  added  at  the  desired 

temperature,  in an argon  filled glovebox. The solution became dark green  in colour  immediately. The 

solution was stirred vigorously for 20 minutes, then 1 M HCl in ether (0.050 mL, 0.05 mmol) was added. 

The  solution  immediately  turned  bright  orange  in  colour.  The  solution was  stirred  vigorously  for  5 

minutes, then KOtBu (7 mg, 0.062 mmol) was added. The solution turned murky, dark brownish orange, 

and was stirred vigorously for one hour. Samples were taken from the starting reaction mixture, the HCl‐

poisoned solution, and several after attempted re‐reduction. Samples were quenched by exposure to air 

and analysed by gas chromatography. When  the samples are exposed  to air  the solution  turns yellow 

Page 92: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

68  

and  the  reaction  stops  immediately.  The  alcohol/ketone  concentration  does  not  change  in  these 

solutions, even after several days. 

For  5,5,5‐Catalyst:  To  a  vial  containing  isopropanol  (3 mL,  39 mmol)  and  acetophenone  (0.6 mL,  5.1 

mmol), KOtBu (2 mg, 0.018 mmol in 0.4 mL isopropanol) and 5,5,5‐catalyst (2 mg, 0.002 mmol in 0.4 mL 

acetophenone)  were  added  at  the  desired  temperature,  in  an  argon  filled  glovebox.  The  solution 

became dark green  in colour  immediately. The solution was stirred vigorously for 7 minutes, then 1 M 

HCl  in ether (0.020 mL, 0.02 mmol) was added. The solution  immediately turned yellow  in colour. The 

solution was stirred vigorously for 5 minutes, then KOtBu (3 mg, 0.027 mmol) was added. The solution 

turned yellowy‐green, and was stirred vigorously for 30 minutes. Samples were taken from the starting 

reaction mixture,  the HCl‐poisoned  solution, and  several after attempted  re‐reduction. Samples were 

quenched by exposure to air and analysed by gas chromatography. When the samples are exposed to air 

the solution  turns yellow and  the  reaction stops  immediately. The alcohol/ketone concentration does 

not change in these solutions, even after several days.   

Page 93: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

69  

2.7 References 

  (1)  Blaser, H. U.; Malan, C.; Pugin, B.; Spindler, F.; Steiner, H.; Studer, M. Adv. Synth. Catal. 

2003, 345, 103. 

  (2)  Naud, F.; Spindler, F.; Rueggeberg, C.  J.; Schmidt, A. T.; Blaser, H. U. Org. Process Res. 

Dev. 2007, 11, 519. 

  (3)  Pugin, B.; Blaser, H. U. Top. Catal. 2010, 53, 953. 

  (4)  Ikariya, T.; Murata, K.; Noyori, R. Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 393. 

  (5)  Samec,  J. S. M.; Bäckvall,  J. E.; Andersson, P. G.; Brandt, P. Chem. Soc. Rev. 2006, 35, 

237. 

  (6)  Noyori, R.; Ohkuma, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 40. 

  (7)  Noyori, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2008. 

  (8)  Morris, R. H. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2282. 

  (9)  Bolm, C.; Legros, J.; Le Paih, J.; Zani, L. Chem. Rev. 2004, 104, 6217. 

  (10)  Nakazawa, H.; Itazaki, M. Top. Organomet. Chem. 2011, 33, 27. 

  (11)  Junge, K.; Schroder, K.; Beller, M. Chem. Comm. 2011, 47, 4849. 

  (12)  Enthaler, S.; Junge, K.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3317. 

  (13)  Jeffery, J. C.; Rauchfuss, T. B.; Tucker, P. A. Inorg. Chem. 1980, 19, 3306. 

  (14)  Gao, J.‐X.; Ikariya, T.; Noyori, R. Organometallics 1996, 15, 1087. 

  (15)  Gao, J.‐X.; Wan, H.‐L.; Wong, W.‐K.; Tse, M.‐C.; Wong, W.‐T. Polyhedron 1996, 15, 1241. 

  (16)  Gao,  J. X.; Zhang, H.; Yi, X. D.; Xu, P. P.; Tang, C.  L.; Wan, H.  L.; Tsai, K. R.;  Ikariya, T. 

Chirality 2000, 12, 383. 

  (17)  Li, T.; Churlaud, R.; Lough, A.  J.; Abdur‐Rashid, K.; Morris, R. H. Organometallics 2004, 

23, 6239. 

  (18)  Jothimony, K.; Vancheesan, S.; Kuriacose, J. C. J. Mol. Catal. 1985, 32, 11. 

  (19)  Jothimony, K.; Vancheesan, S. J. Mol. Catal. 1989, 52, 301. 

  (20)  Chen, J. S.; Chen, L. L.; Xing, Y.; Chen, G.; Shen, W. Y.; Dong, Z. R.; Li, Y. Y.; Gao, J. X. Acta 

Chim. Sin. (Huaxue Xuebao) 2004, 62, 1745. 

  (21)  Sui‐Seng, C.; Freutel, F.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 940. 

  (22)  Sui‐Seng, C.; Haque, F. N.; Hadzovic, A.; Pütz, A. M.; Reuss, V.; Meyer, N.; Lough, A. J.; 

Zimmer‐De Iuliis, M.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2009, 48, 735. 

  (23)  Meyer, N.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Chem. Eur. J. 2009, 15, 5605. 

Page 94: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

70  

  (24)  Widegren, J. A.; Finke, R. G. J. Mol. Catal. A: Chem. 2003, 198, 317. 

  (25)  Crabtree, R. H. Chem. Rev. 2012, 112, 1536. 

  (26)  Henrici‐Olivé, G.; Olivé, S. Angew. Chem. Int. Ed. 1976, 15, 136. 

  (27)  Tasfy, S. F. H.; Zabidi, N. A. M.; Subbarao, D. J. Mater. Sci. Eng. A 2011, 1, 9. 

  (28)  Schlögl, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 2004. 

  (29)  Phua, P. H.; Lefort, L.; Boogers, J. A. F.; Tristany, M.; de Vries, J. G. Chem. Comm. 2009, 

3747. 

  (30)  Rangheard, C.; de  Julian Fernandez, C.; Phua, P. H.; Hoorn,  J.; Lefort, L.; de Vries,  J. G. 

Dalton Trans. 2010, 39, 8464. 

  (31)  Stein, M.; Wieland,  J.;  Steurer,  P.;  Tölle,  F.; Mülhaupt, R.; Breit, B. Adv.  Synth. Catal. 

2011, 353, 523. 

  (32)  Li, W. Z.; Xie, S. S.; Qian, L. X.; Chang, B. H.; Zou, B. S.; Zhou, W. Y.; Zhao, R. A.; Wang, G. 

Science 1996, 274, 1701. 

  (33)  Rizk, S.; Assouar, B. M.; De, P. L.; Alnot, P.; Bougdira, J. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 8718. 

  (34)  Ruemmeli, M. H.; Schaeffel, F.; Kramberger, C.; Gemming, T.; Bachmatiuk, A.; Kalenczuk, 

R. J.; Rellinghaus, B.; Buechner, B.; Pichler, T. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15772. 

  (35)  Seah, C.‐M.; Chai, S.‐P.; Ichikawa, S.; Mohamed, A. R. Carbon 2012, 50, 960. 

  (36)  Nguyen, D. D.; Tai, N.‐H.; Chen, S.‐Y.; Chueh, Y.‐L. Nanoscale 2012, 4, 632. 

  (37)  Comba, F. N.; Rubianes, M. D.; Herrasti, P.; Rivas, G. A. Sens. Actuators, B 2010, B149, 

306. 

  (38)  He, C.; Tian, G.; Liu, Z.; Feng, S. Org. Lett. 2010, 12, 649. 

  (39)  Yan, J.‐M.; Zhang, X.‐B.; Han, S.; Shioyama, H.; Xu, Q. Angew. Chem.,  Int. Ed. 2008, 47, 

2287. 

  (40)  Vance, J. R.; Schäfer, A.; Robertson, A. P. M.; Lee, K.; Turner, J.; Whittell, G. R.; Manners, 

I. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3048. 

  (41)  Ban, Z.; Barnakov, Y. A.; Li, F.; Golub, V. O.; O'Connor, C. J. J. Mat. Chem. 2005, 15, 4660. 

  (42)  Ranganath, K. V. S.; Kloesges, J.; Schäfer, A. H.; Glorius, F. Angew. Chem.  Int. Ed. 2010, 

49, 7786. 

  (43)  Costa, N.  J. S.; Kiyohara, P. K.; Monteiro, A. L.; Coppel, Y.; Philippot, K.; Rossi, L. M.  J. 

Catal. 2010, 276, 382. 

  (44)  Lin, Y.; Finke, R. G. Inorg. Chem. 1994, 33, 4891. 

  (45)  Ranganath, K. V. S.; Glorius, F. Catal. Sci. Technol. 2011, 1, 13. 

Page 95: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

71  

  (46)  Besson, C.; Finney, E. E.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8179. 

  (47)  Clark, T. J.; Jaska, C. A.; Turak, A.; Lough, A. J.; Lu, Z. H.; Manners, I. Inorg. Chem. 2007, 

46, 7394. 

  (48)  Cho, W. K.; Lee, J. K.; Kang, S. M.; Chi, Y. S.; Lee, H. S.; Choi, I. S. Chem. Eur. J. 2007, 13, 

6351. 

  (49)  Buil,  M.  L.;  Esteruelas,  M.  A.;  Niembro,  S.;  Oliván,  M.;  Orzechowski,  L.;  Pelayo,  C.; 

Vallribera, A. Organometallics 2010, 29, 4375. 

  (50)  Mori, K.; Kondo, Y.; Yamashita, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 8949. 

  (51)  Hu, A.; Yee, G. T.; Lin, W. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12486. 

  (52)  Panella, B.; Vargas, A.; Baiker, A. J. Catal. 2009, 261, 88. 

  (53)  Jansat,  S.;  Gómez,  M.;  Philippot,  K.;  Muller,  G.;  Guiu,  E.;  Claver,  C.;  Castillón,  S.; 

Chaudret, B. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1592. 

  (54)  Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Acc. Chem. Res. 2011, 44, 379. 

  (55)  Bianchini, C.; Farnetti, E.; Graziani, M.; Peruzzini, M.; Polo, A. Organometallics 1993, 12, 

3753. 

  (56)  Rybin, L. V.; Petrovskaya, E. A.; Struchkov, Y. T.; Rybinskaya, M.  I. J. Organomet. Chem 

1982, 226, 63. 

  (57)  van der Vlugt, J. I.; Rauchfuss, T. B.; Wilson, S. R. Chem. Eur. J. 2006, 12, 90. 

  (58)  Kohl, S. W.; Heinemann, F. W.; Hummert, M.; Bauer, W.; Grohmann, A. Chem. Eur.  J. 

2006, 12, 4313. 

  (59)  Liaw, W. F.; Lee, N. H.; Chen, C. H.; Lee, C. M.; Lee, G. H.; Peng, S. M. J. Am. Chem. Soc. 

2000 122, 488. 

  (60)  Contakes, S. M.; Hsu, S. C. N.; Rauchfuss, T. B.; Wilson, S. R. Inorg. Chem. 2002, 41, 1670  

  (61)  Benito‐Garagorri, D.; Alves, L. G.; Puchberger, M.; Mereiter, K.; Veiros, L. F.; Calhorda, 

M. J.; Carvalho, M. D.; Ferreira, L. P.; Godinho, M.; Kirchner, K. Organometallics 2009, 28, 6902. 

  (62)  Siebenlist,  R.;  Fruhauf,  H.‐W.;  Vrieze,  K.;  Kooijman,  H.;  Smeets, W.  J.  J.;  Spek,  A.  L. 

Organometallics 2000, 19, 3016. 

  (63)  Bouzid, M.; Pradère,  J. P.; Palvadeau, P.; Vénien,  J. P.; Toupet, L.  J. Organomet. 

Chem. 1989, 369, 205. 

  (64)  Gunanathan, C.; Milstein, D. Acc. Chem. Res. 2011, 44, 588. 

  (65)  Käß, M.; Friedrich, A.; Drees, M.; Schneider, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 905. 

  (66)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9662. 

Page 96: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

72  

  (67)  Lihl, F. Z. Metallk 1953, 44, 160. 

  (68)  Jaska, C. A.; Temple, K.; Lough, A. J.; Manners, I. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 9424. 

  (69)  Stracke, J. J.; Finke, R. G. ACS Catal. 2014, 4, 909. 

  (70)  Bayram, E.; Linehan, J. C.; Fulton, J. L.; Roberts, J. A. S.; Szymczak, N. K.; Smurthwaite, T. 

D.; Özkar, S.; Balasubramanian, M.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18889. 

  (71)  Mikhailine, A.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1394. 

  (72)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2010, 49, 10057. 

  (73)  Hornstein, B. J.; Aiken, J. D.; Finke, R. G. Inorg. Chem. 2002, 41, 1625. 

  (74)  Tolman, C. A. Chem. Rev. 1977, 77, 313. 

  (75)  Grosvenor, A. P.; Kobe, B. A.; Biesinger, M. C.; McIntyre, N. S. Surf. Interface Anal. 2004, 

36, 1564. 

  (76)  Wagner,  C.  D.;  Naumkin,  A.  V.;  Kraut‐Vass,  A.;  Allison,  J. W.;  Powell,  C.  J.;  John  R. 

Rumble, J. In NIST Standard Reference Database 20; U.S. Department of Commerce: 2003; Vol. Version 

3.5. 

  (77)  Skomski, R. J. Phys. Condens. Matter 2003, 15, R841. 

  (78)  Witham, C. A.; Huang, W.; Tsung, C.‐K.; Kuhn,  J. N.;  Somorjai, G. A.; Toste,  F. D. Nat. 

Chem. 2010, 2, 36. 

  (79)  Campbell, E. J.; Zhou, H.; Nguyen, S. T. Org. Lett. 2001, 3, 2391. 

  (80)  Santini, R.; Griffith, M. C.; Qi, M. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 8951. 

  (81)  Banfi, L.; Narisano, E.; Riva, R. In e‐EROS Encyclopedia: Reag. Org. Syn.; Wiley: 2001. 

  (82)  Baiker, A. J. Mol. Catal. A: Chem. 1997, 115, 473. 

  (83)  Demers‐Carpentier, V.; Goubert, G.; Masini, F.; Lafleur‐Lambert, R.; Dong, Y.; Lavoie, S.; 

Mahieu, G.; Boukouvalas, J.; Gao, H.; Rasmussen, A. M. H.; Ferrighi, L.; Pan, Y.; Hammer, B.; McBreen, P. 

H. Science 2011, 334, 776. 

  (84)  Wang,  C.  M.;  Baer,  D.  R.;  Amonette,  J.  E.;  Engelhard,  M.  H.;  Qiang,  Y.;  Antony,  J. 

Nanotech. 2007, 18, 255603. 

  (85)  Bedford,  R.  B.;  Betham, M.;  Bruce,  D. W.;  Davis,  S.  A.;  Frost,  R. M.;  Hird, M.  Chem. 

Commun. 2006, 1398. 

  (86)  Hoch, L. B.; Mack, E. J.; Hydutsky, B. W.; Hershman, J. M.; Skluzacek, J. M.; Mallouk, T. E. 

Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 2600. 

  (87)  Kavaliunas, A. V.; Taylor, A.; Rieke, R. D. Organometallics 1983, 2, 377. 

  (88)  Sues, P. E.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Organometallics 2011, 30, 4418. 

Page 97: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

73  

  (89)  Sonnenberg,  J. F.; Coombs, N.; Dube, P. A.; Morris, R. H.  J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

5893. 

  (90)  Prokopchuk,  D.  E.;  Sonnenberg,  J.  F.; Meyer,  N.;  Zimmer‐De  Iuliis, M.;  Lough,  A.  J.; 

Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 3056. 

  (91)  Mikhailine, A. A.; Maishan, M. I.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

12266. 

  (92)  Zuo, W.; Lough, A. J.; Li, Y. F.; Morris, R. H. Science 2013, 342, 1080. 

 

 

   

Page 98: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

74  

Chapter 3: Oxidative Kinetic Resolution 

of Aromatic Alcohols using Iron 

Nanoparticles 

Adapted from Sonnenberg, J.F., Pichugin, D., Coombs, N., Morris, R.H. Top. Catal. 2013, 56, 1199‐1207. 

3.1 Abstract 

Using  our  chiral  transfer  hydrogenation  (TH)  pre‐catalyst  trans‐(R,R)‐

[Fe(NCMe)(CO)(PPh2C6H4CH=NCHPh‐)2][BF4]2  (2) we  investigated  the  reverse  reaction, oxidative kinetic 

resolution (OKR), and were able to achieve turn‐over frequencies up to 335 h‐1 and s‐values in favour of 

the (R)‐alcohol up to 10.2. Using racemic 1‐phenylethanol we optimized reaction conditions to maximize 

enantioselectivity  and  turn‐over  frequency  (TOF)  and  studied  the  effect  of  different  proton/hydride 

acceptors, temperatures, and bases. Using KOtBu as the base and benzophenone in THF as the solvent 

and acceptor at 45  oC, we  tested a  series of  substrates with  varying electronic and  steric  factors. By 

increasing  the steric bulk at  the alcohol,  the enantioselectivity  increased, however  the TOF decreased 

dramatically.  Varying  the  electronics  of  the  substrates  using  electron  withdrawing  and  donating 

substituents  showed  a  less  significant  effect. We propose  that  the  active  species  in  catalysis  is  zero‐

valent  iron  nanoparticles  (Fe  NPs),  a  postulate  that  we  support  with  microscopy  imaging,  sub‐

stoichiometric poisoning experiments, and analysis of  the  reaction profile. Further  support  is given  in 

terms of a polymer‐supported substrate experiment whereby the active species in catalysis is too large 

to permeate the pores of a functionalized polymer. To the best of our knowledge, we propose that this 

is the first reported example of using a nanoparticle surface for oxidative kinetic resolution. 

   

Page 99: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

75  

3.2 Introduction 

The synthesis of enantiopure alcohols  is of vital  importance  in the pharmaceutical, fragrance and food 

flavouring  industries.1‐3 These alcohols are commonly made  in  industry via the selective hydrogenation 

of carbonyl groups by direct H2‐hydrogenation or transfer hydrogenation (TH)4 which uses  isopropanol 

as  the hydrogen  source. Both  types of hydrogenation  typically  employ homogeneous precious metal 

catalysts based on iridium, rhodium and ruthenium.5‐7 A newly expanding methodology for this type of 

transformation is the oxidative kinetic resolution of racemic alcohols to yield enantio‐enriched alcohols 

and their corresponding ketones.8,9 These reactions were first pioneered by Noyori and coworkers10 who 

used  their homogeneous chiral diamine RuII TH catalyst as an oxidation catalyst  for kinetic  resolution. 

This is feasible because of the inherent reversibility of transfer hydrogenation catalysis, an approach to 

equilibrium process. For TH a proton and hydride are transferred from a donor, such as 2‐propanol, to a 

ketone of interest, and is driven by the presence of an excess of 2‐propanol. Therefore, in the presence 

of an appropriate acceptor, the reverse reaction is theoretically feasible with all TH catalysts. 

An important current area of research is the use of ‘greener’ metal centres such as iron to replace toxic 

and expensive precious‐metal  catalysts.11‐13 Our  group has developed  several highly  efficient  transfer 

hydrogenation  catalysts based on  iron using PNNP  tetradentate  ligands.14‐17 As outlined  in Chapter 2, 

and recently published by our group, the active species in one of our catalytic systems is suspected to be 

zero‐valent iron nanoparticles (Fe NPs) coated in chiral P‐N‐N‐P ligand, with an overall diameter of 4.5 ± 

1.2 nm.18  The precatalyst  structure of  trans‐(R,R)‐[Fe(NCMe)(CO)(PPh2C6H4CH=NCHPh‐)2][BF4]2  (2)  and 

reaction  scheme  for  this  transformation  and  the  reverse  kinetic  resolution  oxidation  reaction  are 

depicted in Scheme 3.10. An interesting aspect of this system was that it did not racemize enantiopure 

products during TH after prolonged exposure, which is often a problem with highly active systems both 

on iron15,19 and on other precious‐metal catalysts.20‐23 Given the reversibility of TH and this maintenance 

of enantiopurity over prolonged periods of time, we decided to test our suspected nanoparticle catalyst 

system  for oxidative kinetic  resolution of various  substrates, and compare  these  results  to known TH 

results for the same substrate series already developed.14 

Page 100: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

76  

 

Scheme  3.10:  Precatalyst  structure  and  reaction  schemes  for  transfer  hydrogenation  (TH)  [Top]  and  oxidative  kinetic resolution [Bottom].  

Different proton/hydride  acceptors have  also been explored, but  the most  common  is  acetone,9  and 

recent progress has been made using oxygen/air as  the acceptor  (aerobic oxidative kinetic  resolution 

AOKR).24,25  Several  highly  efficient  catalytic  systems  have  been  developed  previously  for  the  kinetic 

resolution of alcohols using catalysts based on precious metals,24‐26 cobalt,27 copper28 and many more. 

However, the use of  iron complexes for this transformation  is rare,29,30 and the use of nanoparticles or 

other heterogeneous catalysts have not yet been reported, to our knowledge.  

3.3 Results and Discussion 

3.3.1 Catalytic Runs 

Acetophenone was used as the standard substrate to test TH with the iron catalysts in our lab,14,18 so we 

first  sought  to  explore  the  kinetic  resolution  and  oxidation  of  racemic  1‐phenylethanol  into 

acetophenone and the enantio‐enriched alcohol. We have also reported that our active species for TH 

deactivates  in the presence of oxygen,18 and therefore we chose to use ketones as the proton/hydride 

acceptors  instead  of  air.  The  results  for  tests  with  1‐phenylethanol  are  depicted  in  Table  3.3. 

Nanoparticle solutions for TH were typically formed by activating our iron precatalyst (2) with KOtBu in 

isopropanol at 28 oC, before the addition of substrate. Therefore, paradoxically, base was employed to 

Page 101: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

77  

produce  reactive  alkoxides  in  order  to  reduce  the  iron  centres  and  to  allow  for  catalytic  oxidations. 

Using acetone at 28 oC and KOtBu as the base yields only modest enantiomeric excess (e.e.) and a  low 

relative  rate of  consumption of R  versus  S  (‘s’  factor),31  as  shown  in Entry 1.    Selectivity  for  the  (R)‐

alcohol  is  in  keeping with  TH  results where  the  (S)‐alcohol  is  preferentially  produced.  Enantiomeric 

excess  in favour of (R)‐phenylethanol was significantly  improved by using benzophenone  in THF as the 

acceptor as shown in Entry 2. It should be noted that in changing the conditions from Entry 1 to 2, the 

concentration of acceptor also changes significantly; when acetone is used as the acceptor, it is also the 

solvent and is present at 82 mmol (14000:1 relative to catalyst), whereas when benzophenone is used, it 

is present  in much  lower amounts of 7.7 mmol  (1000:1 relative to catalyst). The other very  important 

reason for this change is the fact that acetone readily forms an enolate in the presence of strong base, 

but benzophenone does not as  it has no enolizable protons. This would  indicate that the formation of 

acetone  enolates  is potentially  a deactivation pathway;  the base may be  consumed more  rapidly by 

acetone and therefore is present in a lower concentration and cannot assist in the reduction of iron as 

readily.  Alternatively,  the  enolate  competitively  binds  to  the  active  species  in  the  place  of  acetone, 

preventing the iron species from accepting the proton and hydride from the substrate to propagate the 

oxidation reaction. 

The turn‐over frequency (TOF) of reactions employing benzophenone as the acceptor was still low, so to 

improve the rate of the reaction, we increased the temperature from 28 oC to 45 oC (Entry 3). We were 

pleased when the e.e. remained at 59%, and the value of ‘s’ remained unaffected, but the TOF increased 

significantly from 46 to 171 h‐1. This indicates that the catalyst structure and mode of action in terms of 

selectivity is unchanged at higher temperatures, while greater reaction rates are obtained.  

Lastly,  we  were  interested  in  the  effect  of  the  base  on  the  e.e.,  s‐value  and  TOF  of  catalysis  and 

therefore explored using the milder base sodium  isopropoxide (NaOiPr) for catalysis. We hypothesized 

that using the strong base KOtBu  in acetone was causing the formation of enolates, and therefore we 

wanted  to  test  the  use  of  a milder  base  with  acetone,  as  depicted  in  entry  4.  The  TOF  increased 

significantly  from  38  to  203,  indicating  that  the  same  deactivation  by  enolates  was  not  occurring. 

Although we were successful in increasing the reaction rate, the e.e. and s‐value were significantly lower 

than the oxidation done using KOtBu,  indicating a severely diminished selectivity. To test whether this 

decrease  in e.e. was an effect of changing the base, we also tested oxidation  in benzophenone/THF at 

45oC  with  NaOiPr  (Entry  5).  The  TOF,  e.e.  and  s‐value  were  all  slightly  lower,  indicating  that  the 

Page 102: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

78  

diminished  e.e.  and  s‐value  in  acetone were  likely  an  effect  of  the  base.  The  isopropoxide  is more 

nucleophilic and may affect the selective binding of the substrate, thus diminishing the e.e. 

Table 3.3: Kinetic Resolution of racemic 1‐phenylethanol (2.2 mmol) using (2) (0.0056 mmol) and base (0.045 mmol) [C:B:S = 

1:8:400]. 

Entry  Temp 

(oC) 

Solvent  Base  Time 

(hours) 

Conversion (% 

C=O) 

TOFc

(h‐1) 

e.e. (R) 

(%) 

Relative 

Rate (s) 

1  28  Acetoneb  KOtBu  5  43  38  40  4.6 

2  28  THFa  KOtBu  5  51  46  59 (5 h) 

70 (6 h) 

6.2 

3  45  THFa  KOtBu  1.5  52  171  59  6.0 

4  28  Acetoneb  NaOiPr  1  49  203  33 (1 h) 

86 (3 h) 

2.8 

5  45  THFa  NaOiPr  1.5  51  130  51  4.9 a Reaction done in stock solution of benzophenone (1.4 g, 7.7 mmol) in THF (4.7 mL, 58 mmol).  b Reaction done in acetone (6 mL, 82 mmol). c TOF calculated based on slope of linear portion of conversion plot relative to catalyst concentration. 

Having optimized  the  reaction  conditions  for our  system using  1‐phenylethanol  as  the  substrate, we 

were interested in exploring sterically and electronically different substrates, as depicted in  

Page 103: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

79  

Table  3.4. We  first  examined  the  effect  of  increasing  the  sterics  of  the  substrate,  in  an  attempt  to 

increase  the  e.e.  as  had  been  seen  previously  for  TH.14  Starting with  the most  bulky  substrate  2,2‐

dimethyl‐1‐phenylpropanol  (Entry  2)  there was  no  conversion  to  the  corresponding  ketone  even  at 

lower substrate  loadings and prolonged reaction times. Decreasing the steric bulk slightly we tested 2‐

methyl‐1‐phenylpropanol (Entry 3) for oxidative kinetic resolution and were able to achieve an s‐value 

of 10.2; however the reaction required  lower substrate  loadings, prolonged reaction times, and gave a 

very low TOF of 13 h‐1. Completing the series of substrates, we tested 1‐phenylpropanol (Entry 4) which 

is only slightly bulkier  than 1‐phenylethanol, and were able  to achieve an s‐value of 8.9 and a TOF of 

123.  This  series  very  clearly  shows  that with  increasing  steric  bulk  the  e.e.  (and  therefore  s‐value) 

increases and  the TOF  (and  therefore  rate of  reaction) decreases. This behaviour  closely mimics  that 

seen for TH with this system,14 supporting the truly reversible nature of these reactions. 

We were  also  interested  in  the  effect  of  changing  the  electronics  of  the  substrate  on  catalysis. We 

studied 1‐phenylethanol substrates with electron withdrawing chloro‐ substituents in the para (Entry 5) 

and meta  (Entry  6) positions. Both  showed  similar  TOF of  ~90 h‐1,  lower  than  that observed  for  the 

unsubstituted 1‐phenylethanol (TOF = 171), with s‐values of 4.0‐4.5, also  lower than the unsubstituted 

substrate  (s  =  6.0). A  similar  trend  of  decreasing  rate  and  e.e. was  observed  for  TH with  the meta‐

substituted chloro substrate; however the para‐substitution had a negligible effect on TH.14 To explore 

electron donating effects, we studied the para‐methyl substituted substrate (Entry 7). The TOF was the 

highest of our  series of  substrates at 335 h‐1, with an  s‐value of 5.3, comparable  to 1‐phenylethanol. 

Electron donation from the para position can be delocalized through the phenyl ring making the alcohol 

more  reducing  and  therefore more  rapidly  oxidized,  increasing  the  observed  rate.  The  trend  for  the 

series  of  electron  withdrawing  through  electron  donating  groups  is  less  clear  than  with  the  steric 

modifications, but it is clear that the effect of changing the electronics is less significant than the effect 

of changing the sterics. 

The  last substrate of  interest was 4‐phenyl‐2‐butanol  (Entry 8), which does not have  the C‐O bond  in 

conjugation with  the  phenyl  ring.  Catalysis with  prolonged  reaction  times  and  low  substrate  loading 

yielded very  low TOF and poor selectivity,  indicating  that some steric bulk  is  required around  the C‐O 

bond to allow for enantioselectivity, and that electronics are important for influencing reaction rates.  

   

Page 104: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

80  

Table 3.4: Kinetic Resolution of various racemic alcohols using (2) (0.0056 mmol) and KOtBu (0.045 mmol) at 45oC in a stock 

solution of benzophenone (1.4 g, 7.7 mmol) in THF (4.7 mL, 58 mmol). 

Entry  Product/Substrate  Substrate

Loading 

Time

(h) 

Conversion % 

C=O 

TOF 

(h‐1) 

e.e. (R) 

(%) 

Relative

Rate (s) 

 

 

 

400 

 

1.5 

 

52 

 

171 

 

59 

 

6.0 

 

  

 

110 

 

12 

 

 

 

 

N/A 

 

 

 

300 

 

 

29 

 

13 

 

31 (8 h) 

40 (24h) 

 

10.2 

 

 

 

400 

 

 

52 

 

123 

 

71 

 

8.9 

 

 

 

 

400 

 

 

57 

 

91 

 

56 

 

4.0 

 

 

 

400 

 

 

2.5 

 

50 

 

91 

 

48 

 

4.5 

 

 

 

400 

 

0.75 

 

51 

 

335 

 

54 (0.75 h) 

68 (1 h) 

 

 

5.3 

 

 

 

110 

 

 

18 

 

3.3 

 

 

1.7 

 

   

Page 105: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

81  

3.3.2 Evidence for Nanoparticles 

Previously we reported an in‐depth series of experiments to examine the potential heterogeneity of the 

TH catalytic system using (2),18 and we were interested in whether iron (0) nanoparticles (Fe NPs) were 

also the active species for the oxidative kinetic resolution detailed here. Scanning Transmission Electron 

Microscopy (STEM) is a powerful imaging tool for determining whether nanoparticles are present during 

catalysis.32,33 STEM imaging for the present work was done at ‐100 oC using a Hitachi HD‐2000 STEM on 

carbon/copper  grids  coated  with  activated  catalytic  solutions.  Low  temperatures  were  needed  for 

analysis to minimize organic contamination by the electron beam.  

The  first  experiment  was  done  on  a  sample  prepared  by  activating  precatalyst  (2)  with  NaOiPr  in 

acetone,  and  using  isopropanol  as  the  substrate  for  12  minutes  with  a  C:B:S  loading  of  1:8:230. 

Isopropanol was used as the substrate as it has a much lower boiling point than 1‐phenylethanol, and it 

could therefore be evaporated off the grid prior to analysis. Imaging showed reasonably well dispersed 

nanoparticles with an average diameter of 4‐5 nm, as shown  in Figure 3.15  [left]. These are similar  in 

size  and  distribution  to  the  nanoparticles  previously  reported,18  as  well  as  other  Fe(0)  NPs  in  the 

literature.34  

We were also  interested  in whether the other modes of activation  involving other acceptor molecules 

would yield similarly dispersed nanoparticles. The second experiment was done on a sample prepared 

by  activating  precatalyst  (2) with  KOtBu  in  a  benzophenone/THF  solution,  using  isopropanol  as  the 

substrate for 20 minutes, with a C:B:S loading of 1:8:230. Imaging was not as clear as it was for solutions 

activated in acetone because the benzophenone cannot be removed from the grids under vacuum prior 

to imaging. This resulted in large organic masses being present during analysis as depicted in Figure 3.15 

[right]. The images do still show that there are small nanoparticles on the grid behind the organics, and 

that they are also 4‐5 nm in diameter. Another interesting feature of the images using benzophenone is 

the  texture  that  can be observed encircling  the organic masses;  several of  the benzophenone  clouds 

appear  to have bright  rings around  them,  identified as being salts  (KBF4) which dried surrounding  the 

organic masses. 

Page 106: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

82  

     

Figure  3.15:  STEM  image  taken  at  ‐100oC of  activated  catalyst;  a)  [left]  solution prepared using  (2)  and NaOiPr  at  room temperature  (28oC)  in  acetone, using  iPrOH  as  the  substrate  (C:B:S  =  1:8:230); b)  [right]  solution prepared using  (2)  and KOtBu at room temperature (28oC) in benzophenone/THF, using iPrOH as the substrate (C:B:S = 1:8:230). 

STEM, although a powerful  tool  for  studying  the  structure of nanoparticles and determining whether 

they are present during catalysis, does not prove whether  the nanoparticles are  the active  species  in 

catalysis. For this, in operando experiments are needed to probe the activation process and the identity 

of  the active  species.18,32,33 Similar  to  the analysis of  the active  species  for TH, we were  interested  in 

studying the reaction profile for clues as to the mode of activation of the iron precursor. Similar to what 

was  observed  for  TH,  the  reaction  profile  for  oxidation  of  1‐phenylethanol  at  45  oC  in 

benzophenone/THF is sigmoidally shaped, as depicted by the blue curve of Figure 3.16. This ‘S’ shape of 

the  reaction  curve with an  induction period,  followed by  rapid  catalytic activity,  then equilibration  is 

indicative of colloid catalysis whereby the iron (II) complex first needs to be reduced and form the active 

nanoparticles.32,33 Studying the  induction period  is a useful way of determining the mode of activation. 

Reactions were done where the precatalyst (2) was reacted with KOtBu in either 1‐phenylethanol at 45 

oC for 10 minutes prior to THF/benzophenone addition [purple plot] or  in THF/benzophenone at 45 oC 

for 10 minutes prior to substrate addition [red plot]. In the case of pre‐mixing with THF/benzophenone, 

no induction period is observed, as is shown in Figure 3.16 [red]. Subsequently, we tested the effect of 

pre‐mixing  the  iron  and  KOtBu  with  1‐phenylethanol  prior  to  addition  of  THF/benzophenone.  No 

induction  period  is  observed,  and  the  reaction  initiates much more  rapidly  as  seen  in  Figure  3.16 

[purple].  An  alcohol  solution  containing  base  is  going  to  be  significantly  more  reducing  than  a 

THF/benzophenone solution containing base, supporting the results that the active species forms much 

more  rapidly when  it  is pre‐activated  in alcohol  than when  it  is pre‐activated  in  solvent/acceptor, as 

would be expected  for zero‐valent nanoparticles. These  results also show  that  the  induction period  is 

Page 107: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

83  

caused by the reaction of iron with base, and that the substrate alcohol does not form unwanted species 

like enolates when pre‐mixed with the active species, as we have observed with other  iron catalysts  in 

our group.35 

 

 

Figure 3.16: Reaction profiles for the catalytic oxidation of racemic 1‐phenylethanol (2.2 mmol) to acetophenone at 45oC in THF with benzophenone (7.7 mmol), and runs in which the solvent (THF/benzophenone) or substrate (1‐phenylethanol) were added at 45oC 10 minutes prior to reaction commencement. 

We were also interested in the effect this order of addition had on the resultant e.e. of the alcohols. The 

e.e.  versus  time  plot  that  corresponds  with  Figure  3.16  is  shown  in  Figure  3.17,  and  has  several 

interesting  features.  The  curve  for  the  standard  oxidation  run  [blue]  shows  a  sigmoidal  shape  very 

similar to the conversion profile, and has a resultant e.e. of 62% at 90 min and 69% after 2 h. The profile 

for pre‐activating iron complex (2) and base in THF/benzophenone [red] once again shows no induction 

period, with a monatomic  increase, but has  the  identical  resultant e.e. This  indicates  that during  the 

reaction of iron and base without substrate present, the same asymmetric active species is formed. The 

main difference in the two plots is that the active species is either allowed to preform and is therefore 

immediately active when substrate is added (red), or to slowly form in the presence of substrate yielding 

the  induction  period  (blue).  This  also  provides  further  support  that  uptake  of  substrate  is  not 

responsible  for  the  induction period, but  rather  the  reduction of  the  iron  (II)  complex  to  zero  valent 

nanoparticles  coated  in  chiral  ligand.  The  last  curve  in  Figure  3.17  [purple]  shows  the  effect  of  pre‐

mixing  the  iron complex and base  in 1‐phenylethanol before  the addition of THF/benzophenone. This 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 20 40 60 80

[Ace

top

hen

on

e] (

M)

Time (min)

Standard Ox at 45 C

Stir with Solvent at45 C for 10 min first

Stir with PE at 45 Cfor 10 min first

Page 108: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

84  

once again yields no induction period; however the resultant e.e. is significantly lower, at only 36% after 

90 min, and 39% after 2 h. The use of KOtBu in 1‐phenylethanol yields much more reducing conditions, 

allowing  for  a more  facile  formation  of  zero‐valent  iron  species,  which  would  cause  the  increased 

activity  in  this  case.  This will  also  form  a  racemic mixture of phenyl‐alkoxides, which,  if  the  reaction 

proceeds  via  an  inner‐sphere  type  mechanism,  could  coat  a  nanoparticle  surface  before  the 

THF/benzophenone is added. This increase in racemic alkoxide binding could result in less order, causing 

the decreased e.e. observed. A homogeneous explanation of this behaviour could be given  in terms of 

an iron species (potentially a dimer or cluster compound) with multiple alkoxide binding sites. 

 

Figure 3.17: Corresponding enantiopurity in (R)‐phenylethanol over time profile to Figure 3.16. 

It is commonly reported that the use of sub‐stoichiometric amounts of small phosphines and sulphides 

such as PPh3 and CS2 as poisoning agents for catalysis is evidence for nanoparticle catalysis.32,33,36‐39 We 

previously  studied  a  large  series  of  potential  poisoning  agents  for  Fe(0)  NPs  and  determined  that 

trimethylphosphine  (PMe3)  in  toluene  at  only  10%  loading  relative  to  pre‐catalyst  could  stop  or 

significantly impede TH catalysis.18 OKR experiments were run by initiating catalysis of 1‐phenylethanol 

by  standard methods,  followed by addition of 15% PMe3  relative  to complex  (2) after a  set period of 

time.  Poisoning  was  tested  for  catalysis  with  both  types  of  acceptor  molecules  (acetone  and 

benzophenone) under their optimized reaction conditions as depicted in Figure 3.18. Using (2), NaOiPr, 

acetone, 1‐phenylethanol and poisoning with PMe3 at t = 11 min, the profile [purple] when compared to 

the non‐poisoned run [green], shows a significant decrease  in activity. The profile does not completely 

plateau, and therefore the active species  is not  fully poisoned, but this does show that with only 15% 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

e.e. (%)

Time (min)

Standard Ox at 45 C

Stir with Solvent at45 C for 10 min first

Stir with PE at 45 Cfor 10 min first

Page 109: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

85  

PMe3  relative  to  Fe  the  majority  of  active  sites  have  become  bound  and  inactive,  indicative  of 

nanoparticle catalysis. Similarly, for the oxidation of 1‐phenylethanol in benzophenone/THF using KOtBu 

as the base at 45 oC, 15% PMe3 was added to the reaction mixture at t = 21 min. When comparing the 

poisoned profile [red] to the non‐poisoned profile [blue] the same trend of a significant decrease, but 

not complete cessation in activity is observed, once again supporting Fe (0) NP catalysis. 

 

Figure 3.18: Standard and poisoned catalytic runs for the oxidation of 1‐phenylethanol in acetone using NaOiPr at 28oC and in benzophenone/THF using KOtBu at 45oC, with C:B:S = 1:8:400. 

Following from the effect the poison had on the rate of the reaction, we were interested in the poison’s 

effect on  the e.e. as we have previously reported  that poisons have no effect on  the e.e.  for TH.18 To 

study  this effect, we compared the e.e. of the alcohols to the concentration of acetophenone  formed 

throughout  the  reaction  for both non‐poisoned and poisoned  runs. To make an accurate comparison, 

the  poisoned  catalytic  systems  needed  to  be  run  for  ≥  6  h  and  only  achieved  an  average  of  32% 

conversion.  Plotting  the  [acetophenone]  (M)  versus  the  e.e.  (%)  for  poisoned  and  non‐poisoned 

experiments  for both  types of  solvent/acceptors  (acetone  and THF/benzophenone)  yielded  the  same 

trend.  The  poisoned  and  non‐poisoned  profiles  (for  both  sets  of  oxidation  experiments)  showed  the 

same  slope and  shape of  curve  indicating  that  the e.e.  is not affected by  the addition of a poisoning 

agent. This  is significant as  it shows that the poisoning agents simply bind to the active sites, blocking 

substrate from binding, and do not alter the structure or functionality of the active site  in the process. 

This type of behaviour would also be expected for nanoparticle catalysis.  

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 20 40 60 80

[Ace

top

hen

on

e] (

M)

Time (min)

Standard Ox, 28 C,Acetone/NaOiPr

Standard Ox, 45 C,THF/Benz.

Ox, 28 C,Acetone/NaOiPr, +15%PMe3 at t=11 min

Ox, 45 C, THF/Benz.+15% PMe3 at t=21 min

Page 110: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

86  

Our  last  series  of  experiments  to  probe  the  potential  heterogeneity  of  the  active  species  involved 

tethering  our  standard  substrate,  1‐phenylethanol,  to  the  interior  of  a  porous  polymer  resin  and 

investigating  the catalytic behaviour. The goal of  this experiment was  to use  the porous polymer as a 

type of  ‘size‐exclusion  sieve’  to gauge  the overall  size of  the active  catalytic  species. The experiment 

involved  using  organic  reactions  to  tether  a  substrate  that  the  active  species  can  oxidize  within  a 

polymer,  then  compare  catalysis  using  (2)  with  another  small,  well‐known  reagent  (pyridinium 

chlorochromate‐PCC) on the polymer, and analyse whether the substrate was oxidized. Small reagents 

such as PCC should be able  to  fit within  the pores of  the polymer and oxidize  the 1‐phenylethanol  to 

acetophenone,  whereas  nanoparticles  would  be  too  large  to  fit  within  the  pores,  resulting  in  no 

conversion  to  ketone.  This  concept  has  been  used  in  the  past  by  our  lab18  and  by  other  research 

groups.40 To analyse the polymers and to determine their functionality, the polymer beads were swollen 

using  deuterated  dichloromethane  and  proton‐decoupled  carbon  NMR  spectroscopy was  run  on  an 

Agilent DD2 600MHz  spectrometer using a 3.2 mm narrow bore HXY  solid  state probe. The polymers 

needed to be swollen prior to running NMR experiments  in order to get adequate signal strength and 

resolution  of  peaks.41  The  desired  functionality was  installed  using  the  commercially  available Wang 

resin  with  a  1.0‐1.5 mmol  –OH/g  polymer  of  benzyl  alcohol  functionality.  This  was  converted  to  a 

benzaldehyde functionality (Wang‐B) using pyridinium chlorochromate in dichloromethane, which could 

then  be  converted  into  the  desired  1‐phenylethanol  functionality  (Wang‐PE)  using  an  excess  of 

methylmagnesium chloride in tetrahydrofuran, as depicted in Scheme 3.11.  

Page 111: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

87  

 

Scheme 3.11: Polymer‐bound substrate experimental overview and peaks of interest from 13C {1H} solid state NMR spectra.  

To probe whether known reagents could penetrate the pores of the polymer, Wang‐PE was treated with 

PCC  in dichloromethane  for 16 h. NMR  spectra  showed  the appearance of a ketone  carbonyl  carbon 

resonance at 196.2 ppm and the corresponding –CH3 resonance at 26.2 ppm as the major species, and 

Wang‐PE’s C‐OH and –CH3 peaks as the minor species,  indicating that an acetophenone functionalized 

polymer had formed, proving that small metal complexes can permeate the polymer. The highest TOF 

we achieved using (2) for the oxidation of 1‐phenylethanol involved using acetone and NaOiPr at 28 oC, 

and hence were the conditions we used for Wang‐PE. The reaction was done at a much higher catalyst 

loading (1:35 catalyst to C‐OH, versus 1:400 as typically employed), for 24 h  instead of 2 h, and  in the 

presence of THF to maximize pore swelling and potential reactivity.18,42 NMR spectra showed no change 

in  13C  signals  from  the  original Wang‐PE  and  no  appearance  of  ketone  signals  as  had  been  seen  for 

oxidation with PCC, indicating that oxidation did not occur using (2). This implies that the active species 

during oxidative kinetic resolution is too large to permeate the pores of the polymer, further suggesting 

that the active species during catalysis are zero‐valent nanoparticles. Similar to the TH case,  it  is never 

possible to conclusively prove that nanoparticles are the active species in catalysis. However we present 

substantial  evidence  that  supports  that  Fe(0)  NPs  are  the  active  species  in  the  oxidative  kinetic 

resolution of aromatic alcohols using (2) as the pre‐catalyst. 

Page 112: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

88  

3.4 Conclusions 

Using our  trans‐[Fe(NCMe)CO(PPh2C6H4CH=NCHPh‐)2  ][BF4]2 precatalyst, we studied  the reversibility of 

asymmetric TH in terms of oxidative kinetic resolution of racemic aromatic alcohols. Initially studying 1‐

phenylethanol  as  our  substrate, we  probed  different  bases,  sacrificial  proton/hydride  acceptors  and 

temperatures  and were  able  to  achieve  high  TOF  (>  200  h‐1)  using  acetone  and  NaOiPr  as well  as 

reasonable  e.e.  and  s‐values  (59%  and  6.0,  respectively)  at  50%  conversion  to  acetophenone  using 

THF/benzophenone and KOtBu at 45oC (TOF = 171). Using these optimized conditions we tested a wide 

range of sterically and electronically varied substrates. By  increasing the steric bulk at the alcohol, the 

rates of oxidation decreased dramatically, however the e.e. and s‐value  increased significantly. Varying 

the  electronics  of  the  substrate  did  not  give  such  a  linear  relationship;  by  adding  electron  donating 

groups  into  the  para  position,  the  rate  increased  significantly,  and  by  adding  electron withdrawing 

chloro  groups  at  either  the meta  or  para  positions,  the  rate  and  selectivity  decreased  slightly. We 

analysed  the  reaction mixtures by STEM and were able  to  image  small 4‐5 nm nanoparticles, proving 

that  they are  formed during  catalysis. To  test whether nanoparticles are  the active  species, we were 

able  to  demonstrate  that  the  reaction  profile  is  sigmoidal  in  shape  and  that  the  induction  period  is 

caused by the reaction of  iron with base, not the uptake of substrate. This supports the claim that the 

iron precursor must first be reduced to Fe(0) to form nanoparticles, which presumably are coated with 

chiral P‐N‐N‐P ligand, as we hypothesized for the reverse TH active species.18 We also explored PMe3 as 

a sub‐stoichiometric poisoning agent. At 15%  loading of poison relative to  iron, we were able to show 

that the catalysis is significantly diminished, further supporting that nanoparticles coated in chiral ligand 

are  the  active  species  for  catalysis.  Lastly, we  probed  the  size  of  the  active  species  using  polymer‐

supported substrate experiments to show that the active species is too large to fit within the pores of a 

polymer  resin. To  the best of our  knowledge,  this  is  the  first  example of oxidative  kinetic  resolution 

occurring on the surface of a nanoparticle.  It  is also an  interesting example of a reversible asymmetric 

reaction  being  shown  to  operate  in  both  the  forward  and  reverse  direction  on  the  surface  of  a 

nanoparticle. 

   

Page 113: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

89  

3.5 Experimental 

3.5.1 General Procedures 

All  preparations, manipulations  and  catalysis were  carried  out  under  argon  or  nitrogen  atmosphere 

using standard Schlenk  line and drybox techniques. Dry and oxygen‐free solvents and substrates were 

distilled and dried using the appropriate drying agents. NMR solvents were purchased from Aldrich and 

degassed and dried over activated molecular  sieves. All other  reagents were purchased  from various 

commercial sources and used without further purification. NMR spectra were recorded using a Bruker 

400 and Varian 300 and 400 spectrometers to determine 1H (400 and 300 MHz) and 31P {1H} (121 MHz) 

shifts. 1H shifts are referenced to deuterated solvents, and 31P peaks are externally referenced to 85% 

phosphoric  acid.  Solid  state  MAS  NMR  setup  parameters  are  outlined  in  the  ‘Polymer‐Supported 

Substrate Experiments’ section. 

3.5.2 Gas Chromatography  

Gas Chromatography was done on  a Perkin Elmer Clarus 400 Chromatograph equipped with  a  chiral 

column (CP chirasil‐Dex CB 25 m x 2.5 mm) and auto‐sampling capabilities. Hydrogen gas was used as 

the mobile phase, and the oven temperature was varied dependent on the substrate, as shown in Table 

3.5.  

Page 114: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

90  

Table 3.5: GC temperatures and retention times for substrates tested 

 

3.5.3 Synthesis 

Precatalyst (R,R)‐[Fe(CO)(NCMe)(P2N2dpen)][BF4]2 (2) has been prepared and characterised previously.14  

3.5.4 Microscopy 

Electron microscopy  images were carried out at  the  ‘Centre  for Nanostructure  Imaging’  (University of 

Toronto)  in collaboration with Dr. Neil Coombs, on a Hitachi HD‐2000 STEM operating at  ‐1000C. Low 

temperatures were  required  to minimize contamination and specimen damage by  the electron beam. 

Page 115: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

91  

Samples were placed on an ultrathin carbon film supported by a lacey carbon film on a 400 mesh copper 

grid.  Energy‐Dispersive  X‐Ray  Spectroscopy  (EDX) was  run  concurrently  using  INCA  software  and  the 

STEM. Sample preparation: to a vial containing pre‐catalyst (6 mg, 0.006 mmol) and base, solvent and 

substrate were added at the desired temperature,  in an argon filled glovebox. The substrate used was 

iPrOH (0.1 mL, 1.3 mmol) as it has a low boiling point and could be easily evaporated off the grids under 

vacuum  before  analysis.  For  reactions  employing  benzophenone  as  the  sacrificial  oxidant, 

benzophenone (1.4 g, 7.7 mmol) was dissolved in THF (4.7 mL, 58 mmol) and KOtBu (5 mg, 0.045 mmol) 

was used as the base. Alternatively, acetone  (6 mL, 82 mmol) was used as the solvent with NaOiPr  (4 

mg, 0.049 mmol) as the base. 

3.5.5 Solid State NMR 

Solid State NMR experiments were conducted at the ‘Centre for Spectroscopic Investigation of Complex 

Organic Molecules and Polymers’ (University of Toronto)  in collaboration with Dmitry Pichugin. Carbon 

spectra were acquired on Agilent DD2 600‐MHz spectrometer with an Agilent 3.2‐mm narrow bore HXY 

solids probe. The probe was used in double‐resonance mode; proton and carbon. Spectra were acquired 

using magic angle spinning (MAS) at 10‐12 kHz spinning using 'onepul' pulse sequence with calibrated 90 

degree  pulse,  2  second  recycle  delay,  50.8 ms  acquisition  time  (2048  points),  and  spin  decoupling. 

Experiment  time was 4 hours with 7000 scans. 3.2 mm rotors were packed under air with 26.7 mg of 

pre‐swollen polymer beads  (swollen using CD2Cl2), and pre‐spun at 10kHz outside of  the probe  for 20 

minutes prior to spinning in the NMR probe. Figure 3.19 and Figure 3.20 depict the applicability of this 

technique to detecting the lack of and presence of the carbonyl carbon, respectively. 

Page 116: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

92  

 

Figure 3.19: 13C {1H} solid state NMR spectrum of phenylethanol‐bound Wang Resin (Wang‐PE) swollen in CD2Cl2, spun at 10 kHz. 

 

Figure 3.20: 13C {1H} solid state NMR spectrum of acetophenone‐bound Wang Resin (Wang‐B) swollen in CD2Cl2, spun at 10 kHz. 

Page 117: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

93  

3.5.6 Catalysis – Standard Run 

To  a  vial  containing  pre‐catalyst  (6  mg,  0.006  mmol)  and  KOtBu  (5  mg,  0.045mmol),  solvent  and 

substrate were added at the desired temperature,  in an argon filled glovebox. For reactions employing 

benzophenone as the sacrificial oxidant, benzophenone (1.4 g, 7.7 mmol) was dissolved in THF (4.7 mL, 

58 mmol). Alternatively, acetone (6 mL, 82 mmol) was used as the solvent. Immediately upon addition 

of  solvent  and  substrate  to  the  vial,  a  dark  brown  solution  was  formed.  Solutions  were  stirred 

vigorously, and samples were taken from the mixture, quenched by exposure to air and analysed by gas 

chromatography. When the samples are exposed to air the solution turns yellow and the reaction stops 

immediately. The alcohol/ketone concentration does not change  in these solutions, even after several 

days. All of the catalytic results were reproduced to ensure consistency. 

3.5.7 Catalysis – Poisoned Run 

Solutions were prepared, initiated and monitored as outlined above. PMe3 in toluene (0.85 μmol in 0.15 

mL  /  1.4 mmol  toluene)  was  added  to  the  reaction  when  conversion  to  ketone  was  ~10%  (varies 

dependent on substrate and conditions employed). This  is similar to techniques employed for transfer 

hydrogenation previously reported.18 

3.6.8 Polymer‐bound Substrate Experiments 

Synthesis of Polymer‐supported Aldehyde (Wang‐Benzaldehyde, Wang‐B): StratoSpheres™ PL‐Wang resin 

(1.0‐1.5 mmol –OH/g, 50‐100 mesh, 1% crosslinked with divinylbenzene)  (1.3 g, 1.95 mmol –OH), was 

stirred with  Pyridinium  chlorochromate  (PCC)  (420 mg,  1.95 mmol)  in  20 mL  dichloromethane  for  6 

hours at room temperature in a nitrogen filled glovebox. The resin was then filtered under air, washed 

extensively with dichloromethane and isopropanol, and dried overnight under reduced pressure. 

Synthesis of Polymer‐supported Alcohol (Wang‐Phenylethanol, Wang‐PE) Wang‐B (600 mg, 0.90 mmol‐

aldehyde) was swelled  in 10 mL of dry  tetrahydrofuran  (THF)  for 2 hours at  room  temperature under 

argon. A 3.0 M stock solution of methylmagnesiumchloride (MeMgCl) in ether (0.48 mL, 1.44 mmol) was 

added  slowly  at  0  oC under  a  constant  flow of  argon.  The mixture was  stirred  at  room  temperature 

under argon  for 20 hours, and  then 2 mL of distilled water and 2 mL of  isopropanol were added and 

stirred for another 30 minutes under air. The resin was then filtered under air, washed extensively with 

THF, water and isopropanol, and dried overnight under reduced pressure. 

Page 118: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

94  

Catalysis on Resin with  (2): To  a  vial  containing pre‐catalyst  (2)  (12 mg, 0.011 mmol), NaOiPr  (8 mg, 

0.097 mmol), and Wang‐PE (~260 mg, ~ 0.39 mmol‐OH), acetone (4 mL, 54 mmol) and tetrahydrofuran 

(2 mL, 25 mmol) were added at room temperature, in an argon filled glovebox. The solution was stirred 

for  24  hours,  and  then  the  resin  was  filtered  under  air,  washed  with  isopropanol,  THF  and 

dichloromethane, and dried overnight under reduced pressure. 

Catalysis on Resin with PCC: To a vial containing PCC (70 mg, 0.32 mmol) and Wang‐PE (~220 mg, ~ 0.33 

mmol‐OH),  dichloromethane  (6 mL,  94 mmol)  was  added  at  room  temperature,  in  an  argon  filled 

glovebox. The solution was stirred for 16 hours, and then the resin was filtered under air, washed with 

isopropanol and dichloromethane, and dried overnight under reduced pressure. 

   

Page 119: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

95  

3.6 References 

  (1)  Blaser, H. U.; Malan, C.; Pugin, B.; Spindler, F.; Steiner, H.; Studer, M. Adv. Synth. Catal. 

2003, 345, 103. 

  (2)  Naud, F.; Spindler, F.; Rueggeberg, C.  J.; Schmidt, A. T.; Blaser, H. U. Org. Process Res. 

Dev. 2007, 11, 519. 

  (3)  Pugin, B.; Blaser, H. U. Top. Catal. 2010, 53, 953. 

  (4)  Ikariya, T.; Murata, K.; Noyori, R. Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 393. 

  (5)  Samec,  J. S. M.; Bäckvall,  J. E.; Andersson, P. G.; Brandt, P. Chem. Soc. Rev. 2006, 35, 

237. 

  (6)  Noyori, R.; Ohkuma, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 40. 

  (7)  Noyori, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2008. 

  (8)  Vedejs, E.; Jure, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 3974. 

  (9)  Pellissier, H. Adv. Syn. & Catal. 2011, 353, 1613. 

  (10)  Hashiguchi, S.; Fujii, A.; Haack, K.‐J.; Matsumura, K.; Ikariya, T.; Noyori, R. Angew. Chem. 

Int. Ed. 1997, 36, 288. 

  (11)  Morris, R. H. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2282. 

  (12)  Bolm, C.; Legros, J.; Le Paih, J.; Zani, L. Chem. Rev. 2004, 104, 6217. 

  (13)  Enthaler, S.; Junge, K.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3317. 

  (14)  Meyer, N.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Chem. Eur. J. 2009, 15, 5605. 

  (15)  Mikhailine, A.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1394. 

  (16)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9662. 

  (17)  Sues, P. E.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Organometallics 2011, 30, 4418. 

  (18)  Sonnenberg,  J. F.; Coombs, N.; Dube, P. A.; Morris, R. H.  J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

5893. 

  (19)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2010, 49, 10057. 

  (20)  Gao, J.‐X.; Ikariya, T.; Noyori, R. Organometallics 1996, 15, 1087. 

  (21)  Koike, T.; Murata, K.; Ikariya, T. Org. Lett. 2000, 2, 3833. 

  (22)  Ito, M.; Osaku,  A.;  Kitahara,  S.; Hirakawa, M.;  Ikariya,  T.  Tetrahedron  Lett.  2003,  44, 

7521. 

  (23)  Csjernyik, G.; Bogár, K.; Bäckvall, J.‐E. Tetrahedron Lett. 2004, 45, 6799. 

  (24)  Arita, S.; Koike, T.; Kayaki, Y.; Ikariya, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 2447. 

Page 120: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

96  

  (25)  Wills, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 4264. 

  (26)  Bagdanoff, J. T.; Stoltz, B. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 353. 

  (27)  Kumar Alamsetti, S.; Muthupandi, P.; Sekar, G. Chem. Eur. J. 2009, 15, 5424. 

  (28)  Alamsetti, S. K.; Mannam, S.; Mutupandi, P.; Sekar, G. Chem. Eur. J. 2009, 15, 1086. 

  (29)  Muthupandi, P.; Alamsetti, S. K.; Sekar, G. Chem. Commun. 2009, 3288. 

  (30)  Kunisu, T.; Oguma, T.; Katsuki, T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12937. 

  (31)  Martin, V. S.; Woodard, S. S.; Katsuki, T.; Yamada, Y.;  Ikeda, M.; Sharpless, K. B. J. Am. 

Chem. Soc. 1981, 103, 6237. 

  (32)  Crabtree, R. H. Chem. Rev. 2012, 112, 1536. 

  (33)  Widegren, J. A.; Finke, R. G. J. Mol. Catal. A: Chem. 2003, 198, 317. 

  (34)  Phua, P. H.; Lefort, L.; Boogers, J. A. F.; Tristany, M.; de Vries, J. G. Chem. Comm. 2009, 

3747. 

  (35)  Mikhailine, A. A.; Maishan, M. I.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

12266. 

  (36)  Rangheard, C.; de  Julian Fernandez, C.; Phua, P. H.; Hoorn,  J.; Lefort, L.; de Vries,  J. G. 

Dalton Trans. 2010, 39, 8464. 

  (37)  Clark, T. J.; Jaska, C. A.; Turak, A.; Lough, A. J.; Lu, Z. H.; Manners, I. Inorg. Chem. 2007, 

46, 7394. 

  (38)  Jaska, C. A.; Temple, K.; Lough, A. J.; Manners, I. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 9424. 

  (39)  Hornstein, B. J.; Aiken, J. D.; Finke, R. G. Inorg. Chem. 2002, 41, 1625. 

  (40)  Witham, C. A.; Huang, W.; Tsung, C.‐K.; Kuhn,  J. N.;  Somorjai, G. A.; Toste,  F. D. Nat. 

Chem. 2010, 2, 36. 

  (41)  Keifer, P. A.; Baltusis, L.; Rice, D. M.; Tymiak, A. A.; Shoolery, J. N. J. Magn. Reson., Ser. A 

1996, 119, 65. 

  (42)  Santini, R.; Griffith, M. C.; Qi, M. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 8951. 

 

 

 

   

Page 121: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

97  

Chapter 4: Evidence for Iron 

Nanoparticles Catalysing the Rapid 

Dehydrogenation of Ammonia‐Borane 

Adapted from Sonnenberg, J.F., Morris, R.H. ACS Catal. 2013, 3, 1092‐1102. 

4.1 Abstract 

A series of precatalysts of the general formula [Fe(NCMe)(L)(PPh2C6H4CH=NCHR‐)2][BF4]2 (where L = CO 

or NCMe, and R = Ph or H) were tested for the dehydrogenation of amine‐boranes.  They have already 

been used  in our  lab  for  the  transfer hydrogenation  (TH) or direct hydrogenation of ketones and  the 

oxidative  kinetic  resolution  of  alcohols.    We  compared  a  series  of  sterically‐  (R  =  H  or  Ph)  and 

electronically‐ (L = NCMe or CO) varied precatalysts in both protic and aprotic solvents for the release of 

hydrogen  from  ammonia‐borane  (AB)  and  studied  the  products  by  NMR  spectroscopy.  At  room 

temperature  in THF we optimized our systems, and achieved maximum turn‐over frequencies (TOF) of 

up to 3.66 H2/s and 1.8 total H2 equivalents, and in isopropanol we were able to release a maximum of 

2.9 equivalents H2 and reuse some of our catalytic systems. In previous mechanistic studies we provided 

strong  evidence  that  the  active  species  during  TH  and  oxidation  catalysis  are  zero‐valent  iron 

nanoparticles  formed  by  the  reduction  of  the  Fe‐(P‐N‐N‐P)  precatalysts  with  base.  To  probe  the 

dehydrogenation active species we successfully show comparable activity between preformed catalysts, 

and those generated  in situ using commercially available Fe2+ sources and sub‐stoichiometric amounts 

of P‐N‐N‐P  ligand. This result, when paired with transmission electron microscope  (TEM)  images of ~4 

nm iron nanoparticles of reaction solutions provide evidence that the highly active systems studied are 

heterogeneous  in nature. This would be  the  first  report of  iron nanoparticles  catalysing H2 evolution 

from AB  in non‐protic solvents. We also report the evolution of hydrogen from dimethylamine‐borane 

and the resultant product mixtures using the same catalyst series. 

Page 122: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

98  

4.2 Introduction 

The  transition  from high  carbon  content  liquid‐ and  solid‐based  fuels  into gas‐based  fuels  for energy 

applications  is  of  growing  economic  importance.1  Emerging  as  the  ideal  candidate,  as  a  clean, 

lightweight and high energy density  fuel,  is hydrogen gas.2 Among  the major challenges  in  the use of 

hydrogen  is  its storage and production  in an efficient and  ‘green’ way.3 A potential candidate to solve 

this problem is ammonia borane, NH3∙BH3 (AB), which has a total hydrogen content of 19.6 wt %, or 6.5 

and 13.1 wt % for the first and second equivalent of hydrogen released.4,5 When analysing catalysts for 

such a  transformation  it  is  important  to study not only  the number of equivalents of H2 released, but 

also  the  reaction  conditions  and  type  of  B/N  containing  products  formed.4,6,7  There  are  a  significant 

number  of  catalytic  systems  in  the  literature  employing  water  and  protic  solvents  for  the 

dehydrogenation/hydrolysis of AB,4 and although  larger numbers of equivalents of H2 are evolved, the 

formation of  strong B‐O bonds precludes  their use  in  industry as  the wastes are not  recyclable.8  It  is 

therefore  important  to  generate  catalysts  that  operate  in  non‐protic  solvents  such  as  THF,  aromatic 

solvents or glyme, as the typical products contain B‐N bonds which can be used to regenerate AB.8 

There are several homogeneous systems  in the  literature based on precious metal catalysts,9‐18 as well 

as more abundant metals such as titanium,19 nickel20,21 and iron,7,22,23 and group 6 metal carbonyls24 that 

have  been  used  as  dehydrogenation  catalysts.  Heterogeneous  catalysts  have  also  been  studied, 

primarily  using  precious metal  catalysts,25‐29  although  there  are  reports  using  nickel  heterogeneous 

catalysts30  for  the dehydrogenation of amine‐boranes,  including ammonia‐borane.  In  the  field of  iron 

catalysts for this transformation a few key discoveries stand out as stepping stones. First was the work 

by Xu et. al.31 who reduced Fe(SO4) to generate stable, 3 nm, zero‐valent iron nanoparticles (Fe NPs) that 

were  able  to  evolve  three  equivalents  of  hydrogen  from  ammonia‐borane  in  water  at  room 

temperature. Their catalyst was stable under air and magnetically recyclable, however it was only used 

for hydrolysis of AB to generate borates, not B‐N polymers or oligomers. The next key example was the 

use of  [{CpFe(CO)2}2] under photoirradiation  to dehydrogenate  amine‐boranes by Manners  et. al.22,23 

wherein  they  also  determined  the  identity  of  several  of  the  products  and  intermediates  during  the 

reaction. Baker et. al.7 used iron systems with phosphine and amido ligands to evolve 1‐2 equivalents of 

H2 and generate  (BH2NH2)n and  (BHNH)n oligomers. Their active systems are hypothesized to be based 

on zero‐valent iron systems stabilized by ligands. There is therefore a vacancy in the literature in terms 

Page 123: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

99  

of using defined heterogeneous  iron  catalyst  for  the dehydrogenation of amine‐boranes  to  yield B‐N 

polymers and oligomers. 

 

Figure 4.21: Precatalyst structures for systems investigated for ammonia‐borane dehydrogenation reactions including ligands 

tested. 

Our  group has  reported  the  synthesis of  iron  complexes of  the  general  formula  [Fe(NCMe)(L)(P‐N‐N‐

P)][BF4]2 where L = NCMe or CO and P‐N‐N‐P = (PPh2C6H4CH=NCHR‐)2, as depicted in Figure 4.21, which 

have been shown to be highly active for direct H2‐hydrogenation of ketones32 (L = NCMe) and for the TH 

of ketones using  isopropanol  (iPrOH) as  the hydrogen source33  (L = CO). Upon  further  investigation of 

the  catalyst  during  TH  we  proposed  that  the  active  catalytic  species  are  zero‐valent  Fe  NPs.  This 

proposition was based on DFT support for a low energy pathway for the formation of iron(0)34 as well as 

extensive poisoning,  imaging and  in operando experiments.35 The  Fe NPs are proposed  to be a  zero‐

valent  iron core, coated  in P‐N‐N‐P  ligand, able to bind substrate to active sites and transfer a proton 

and hydride equivalent. These nanoparticle catalysts were  further probed and shown  to be active  for 

the reverse process; oxidative kinetic resolution of aromatic alcohols to enantio‐enriched alcohols and 

ketones, and  their heterogeneity was similarly probed.36   These precatalysts with  the general  formula 

[Fe(NCMe)(L)(P‐N‐N‐P)][BF4]2 have  therefore proven  themselves  to be quite versatile  in  terms of  their 

chemistry with hydrogen, and we were therefore  interested  in probing their ability to act as hydrogen 

evolving  catalysts  in  the  dehydrogenation  of  ammonia‐borane,  as  depicted  in  Scheme  4.12  for  our 

optimized  reaction  conditions.  The  use  of  alcohol  oxidation/reduction  catalysts  for  amine‐borane 

dehydrogenation has been previously  reported using Ru(PN)2  catalysts11  and were  found  to be quite 

active in terms of rate H2 release. 

Page 124: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

100  

 

Scheme 4.12: Generalized reaction scheme and product distribution for optimized catalytic system. 

4.3 Experimental 

4.3.1 General Procedures 

All  preparations, manipulations  and  catalysis were  carried  out  under  argon  or  nitrogen  atmosphere 

using  standard  Schlenk  line  and  drybox  techniques. Dry  and  oxygen‐free  solvents were  distilled  and 

dried using the appropriate drying agents. NMR solvents were purchased from Aldrich and degassed and 

dried  over  activated molecular  sieves.  All  other  reagents were  purchased  from  various  commercial 

sources and used without  further purification. NMR  spectra were  recorded using a Bruker 400 and a 

Varian 400 spectrometer to determine 1H (400 MHz), 11B (128 MHz) and 31P {1H} (161 MHz) shifts. 

Electron microscopy imaging was carried out at the Department of Pathology & Laboratory Medicine in 

the  Joseph & Wolf  Lebovic  Health  Complex  at Mount  Sinai  Hospital  in  collaboration with  Dr.  Doug 

Holmyard on a Tecnai‐20 using a GIF2000 energy filter. Samples were placed on an ultrathin carbon film 

supported by a lacey carbon film on a 400 mesh copper grid.  

4.3.2 Syntheses 

Precatalysts  [Fe(CO)(NCMe)(P2N2en)][BF4]2  (1),  [Fe(CO)(NCMe)(P2N2dpen)][BF4]2  (R,R‐2),  

[Fe(NCMe)2(P2N2en)][BF4]2  (5),  and  [Fe(NCMe)2(P2N2dpen)][BF4]2  (R,R‐6)  and  ligands  {(PPh2(o‐

C6H4)CH=NHCH2‐)2}:  (P2N2en)  (8)  and  (R,R)‐{(PPh2(o‐C6H4)CH=NH(C6H10)NH=CH(o‐C6H4)PPh2)}:  (P2N2cy) 

(R,R‐9)  have  been  prepared  and  characterised  previously.32,33,37,38  Precatalyst  (S,S)‐

[Fe(CO)(Br)(PPh2CH2CH=NHCHPh‐)2][BPh4] (S,S‐7) has been prepared and characterized previously.39 

4.3.3 Catalysis 

In  an  argon  filled  glovebox, precatalyst  and  ammonia‐borane  (AB) were  added  to  a  25 mL  two‐neck 

round‐bottom flask which was sealed with a rubber septum and a 10 mL dry‐addition flask containing 

KOtBu. The sealed system was removed from the glovebox and submerged in a bath at a set, regulated 

Page 125: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

101  

temperature before solvent was added  to  the  flask and stirred  for 10 minutes. A cannula needle was 

used to pierce the septum and an upturned 50 mL burette filled with water was used to measure the 

evolution of  gas.  To  start  the  reaction,  the dry‐addition  flask was  tilted,  and base was  added  to  the 

reaction,  which  was  stirred  vigorously.  Hydrogen  production  was  measured  in  terms  of  volume 

displacement  of water  in  the  burette  as  a measure  of  time. All  catalytic  results were  reproduced  in 

triplicate to ensure consistency.  

Table 4.6: Reaction conditions for all catalytic hydrogen evolution reactions using iron catalysts. 

Entr

y Catalyst 

(mg, mmol) Other 

(mg, mmol) H2 Source

(mg, mmol) KOtBu

(mg, mmol)

C:B:Sb Solvent 

(mL, mmol) 

(oC) 

Equiv. H2 

1 min/1 h 

1  (5) (7, 0.0076)  N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a  1:9:42  iPrOH (5, 65)  22  0.93/2.50 

2  (1) (7, 0.0077)  N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:42  iPrOH (5, 65)  22  0.15/2.58 

3  (R,R‐6)  

(9, 0.0084) 

N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:8:38  iPrOH (5, 65)  22  0.59/2.89 

4  (R,R‐2)  

(9, 0.0085) 

N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:8:38  iPrOH (5, 65)  22  0.20/2.90 

5  [Fe(H2O)6][BF4]2 

(5, 0.015) 

(8) 

(5, 0.0083) 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:6:21  iPrOH (5, 65)  22  0.17/1.02 

6  (5) (7, 0.0076)  N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:42  THF (5, 62)  22  1.13/1.60 

7  (5) (7, 0.0076)  N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:42  THF (5, 62)  2  0.95/1.40 

8  (5) (7, 0.0076)  CO 

headspace 

AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:42  THF (5, 62)  22  0.05/0.09 

9  (5) (5, 0.0055)  N/A  AB (20, 0.64)  (6, 0.053)a 1:9:42  THF (5, 62)  22  1.0/1.22 

10  (1) (7, 0.0077)  N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:42  THF (5, 62)  22  0.48/1.26 

11  (R,R‐6)  

(9, 0.0084) 

N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:8:38  THF (5, 62)  22  1.14/1.71 

12  (R,R‐2)  

(9, 0.0085) 

N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:8:38  THF (5, 62)  22  0.80/1.44 

13  [Fe(H2O)6][BF4]2 

(5, 0.015) 

(8) 

(5, 0.0083) 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:6:21  THF (5, 62)  22  0.62/1.61 

14  [Fe(H2O)6][BF4]2 

(5, 0.015) 

(R,R‐9) 

(5, 0.0083) 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:6:21  THF (5, 62)  22  1.08/1.43 

15  (S,S‐7)  

(9, 0.0081) 

N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:40  THF (5, 62)  22  0.28/0.71 

Page 126: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

102  

16  FeBr2 

(2.75, 0.013) 

N/A 

 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:7:25  THF (5, 62)  22  0.24/0.67 

17  FeBr2 

(2.75, 0.013) 

(8) 

(5, 0.0083) 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:7:25  THF (5, 62)  22  1.01/1.59 

18  FeBr2 

(2.75, 0.013) 

(8) 

(10, 0.016) 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:7:25  THF (5, 62)  22  1.03/1.53 

19  FeBr2 

(2.75, 0.013) 

(8) 

(2.5, 0.004) 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:7:25  THF (5, 62)  22  1.06/1.50 

20  FeBr2 

(2.75, 0.013) 

(8) 

(1, 0.002) 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:7:25  THF (5, 62)  22  1.11/1.58 

21  FeBr2 

(2.75, 0.013) 

(8) 

(5, 0.0083) 

AB (10, 0.32)  (10, 0.089)a 1:7:25  THF (5, 62)  2  0.87/1.24 

22  (5) (7, 0.0076)  N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:42  Diglyme 

(5, 35) 

22  1.06/1.44 

23  (1) (7, 0.0077)  N/A  AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:42  Diglyme 

(5, 35) 

22  0.43/1.11 

24  (5) (7, 0.0076)  N/A  Me2AB (20, 

0.34) 

(8, 0.071)a 1:9:45  THF (5, 62)  22  0.63/0.98 

25  (1) (7, 0.0077)  N/A  Me2AB (20, 

0.34) 

(8, 0.071)a 1:9:45  THF (5, 62)  22  0.44/0.96 

26  (5) (7, 0.0076)  N/A  AB (10, 0.32)  (16, 0.14)a 1:18:42  THF (5, 62)  22  1.33/1.83 

27  (5) (7, 0.0077)  N/A  AB (10, 0.32)  (4, 0.035)a 1:5:42  THF (5, 62)  22  1.00/1.25 

28  (5) (7, 0.0077)  N/A  AB (10, 0.32)  (37, 0.33)a 1:43:42  THF (5, 62)  22  1.17/1.66 

29  (5) (7, 0.0077)  N/A  AB (10, 0.32)  0c 1:10c:4

THF (5, 62)  22  0.99/1.22 

30  FeBr2 

(1.75, 0.008) 

(8) 

(3.0, 0.005) 

AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:40  THF (5, 62)  22  0.98/1.43 

31  FeBr2 

(1.75, 0.008) 

(8) 

(3.0, 0.005) 

AB (10, 0.32)  (8, 0.071)a 1:9:40  Diglyme 

(5, 35) 

22  1.11/1.39 

32  (5) (7, 0.0077)  N/A  AB (5, 0.16)  (6, 0.053)  1:7:21  THF (5, 62)  28d  N/A 

33  FeBr2 

(2.75, 0.013) 

(8) 

(2.5, 0.04) 

AB (7, 0.22)  (7, 0.062)  1:5:17  THF (5, 62)  28d N/A 

aWhen  the dry‐addition  flask  is  tilted and base added, ~1 mg of KOtBu  remains  trapped  in  the  flask, 

hence why an excess was always added. bC:B:S  = molar ratio of catalyst:base:substrate/H2 source.  cUsed NaOiPr (6 mg, 0.073 mmol). dReactions done in a vial in an argon glovebox ‐ solutions used for TEM imaging. 

Page 127: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

103  

4.4 Results and Discussion 

4.4.1 AB Dehydrogenation with Precatalysts (1, 2, 5 and 6) in Protic Solvents 

Following Xu et.al.’s work31 on the hydrolysis of AB using 3 nm Fe NPs, we were  interested  in applying 

our  Fe NP  TH precatalysts  (1)  and  (2)  to  the  dehydrogenation  of AB.  The optimized method  for  the 

formation of Fe NPs for our previously reported TH catalysis was the reaction of an excess of KOtBu  in 

iPrOH with precatalyst (1) or (2) before the addition of substrate. Therefore, for the dehydrogenation of 

AB we first tested our precatalysts  in protic solvents using a slightly modified technique as outlined  in 

the experimental section. Using 2.5 mol% precatalyst at 22oC (1, 2, 5 and 6) were tested as outlined  in 

entries 1‐4 of Table 4.6, yielding  the  results  shown  in Figure 4.22. Several observations  can be made 

from the plot; all four precatalysts are active and yield >2.5 equivalents of H2  in an hour. For TH, a 6‐8 

minute  induction period was observed  for the  formation of the Fe NPs, whereas none of the reaction 

profiles  in Figure 4.22 show this. An  induction period  is often  indicative of heterogeneous catalysis,40,41 

however, Xu et. al. also reported no induction period for their in situ generated system. Also of note, the 

bis‐MeCN complexes (5) and (6) show a more rapid initial rate and a more rapid deactivation (plots level 

off at a  lower number of equivalents of H2) than the corresponding MeCN‐trans‐CO complexes (1) and 

(2). The reason for this difference is unclear but it would suggest that the catalysts derived from the bis‐

MeCN precatalysts have more active sites available due to the increased lability of MeCN versus CO. This 

increased  lability would result  in more rapid  initial rates, and more ready deactivation. (2) and (6) are 

slightly more active than (1) and (5)  indicating that the bulkier phenyl groups  in the P‐N‐N‐P  ligand are 

better stabilizers of the active species than the achiral complex with protons in the P‐N‐N‐P backbone of 

the ligand. 11B NMR spectra of active solutions show a singlet at 18.2 ppm, corresponding to B(OiPr)3 as 

would be expected for reactions in iPrOH. 

Page 128: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

104  

 

Figure 4.22: Catalytic dehydrogenation of AB  (10 mg, 0.32 mmol)  in 5 mL  iPrOH at 22oC using 2.5 mol% Fe and 20 mol% 

KOtBu. Fe:AB:KOtBu = 1:40:8. 

To  test  the  reuse  of  our  catalytic  systems we  added  another  40  equivalents  of  AB  to  the  reaction 

mixtures  after  30  min.  Upon  addition,  (1),  (5),  and  (6)  released  ~1  equivalent  H2  within  2  hours, 

indicating that the catalyst was significantly deactivated. Interestingly, addition of a second batch of AB 

to  catalysis  with  (2)  resulted  in  2.4  equivalents  of  H2  released  in  40  minutes  before  deactivation 

occurred, and  further recycling by addition of more AB was unsuccessful. This would suggest  that  the 

active species derived from (2) is slightly better stabilized than the species derived from (1), (5), and (6) 

but that all species are not good candidates  for multiple recycles, unlike the species studied by Xu et. 

al.31 

We  also  explored  the  use  of  water  and methanol  as  potential  solvents.  Only minimal  activity  was 

observed using (1) and (2) with MeOH as the solvent, and no activity was observed using (1, 2, 5 and 6) 

with water as the solvent. There is no hydrogen evolution if any component (Fe, base, AB) is missing.  

4.4.2 AB Dehydrogenation with Precatalysts (1, 2, 5‐7) in Non‐Protic Solvents 

We were interested in using our catalysts to generate B‐N polymers and oligomers from AB using non‐

protic solvents such as THF and glyme. Using the same catalytic conditions as outlined with  iPrOH, we 

tested THF as a solvent with (1, 2, 5 and 6) as outlined by entries 6, 10‐12 of Table 4.6, and the results 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60

Equivalents H2

Time (min)

Precatalyst 2

Precatalyst 6

Precatalyst 1

Precatalyst 5

Page 129: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

105  

are  shown  in Figure 4.23. All  four  systems are highly active,  releasing half an equivalent of H2 within 

seconds and a full equivalent in under a minute in the case of (5) and (6) and in less than 20 minutes for 

(1) and  (2). Similar  to  the  case  in  iPrOH,  the bis‐MeCN  catalysts are  faster at H2 evolution  than  their 

MeCN‐trans‐CO  counterparts. MeCN may be  a more  labile  ligand  than CO on  Fe NPs,  yielding  a  less 

stable  species.  This  might  yield  a  larger  number  of  active  sites  in  either  a  homogeneous  or 

heterogeneous  catalyst,  and  thus  increase  catalytic  activity. This was not  the  case  for TH  as  the one 

carbonyl ligand was necessary to promote catalytic activity.33 (2) and (6) are slightly more active than (1) 

and  (5)  respectively,  again  suggesting  the  added  stabilization  of  the  catalysts  containing  the  bulkier 

diphenyl backbone  in the P‐N‐N‐P  ligand versus the achiral P‐N‐N‐P which contains only protons  in the 

backbone. All of the catalytic systems also show a similar reaction profile, whereby there  is very rapid 

catalytic activity in the first 3 minutes, followed by a significant decrease in rate resulting in very slow H2 

evolution for the proceeding hour. This reaction profile for dehydrogenation of amine‐boranes  is fairly 

common, as has been  seen  for both heterogeneous NP  catalysis26 as well as homogeneous  catalysis, 

specifically the Ru(PN)2 alcohol oxidation/reduction catalysts tested by Blaquiere et.al.11  There are two 

possible explanations for this rapid decrease in activity; first, that all of the AB has been consumed and 

converted into the most stable product. This is not the case because AB is still present according to 11B 

NMR  spectroscopy  (vide  infra)  and because  addition of more AB  yields no  further H2  evolution.  This 

therefore  indicates  that  the  cause  for  the  rate  decrease  is  deactivation  of  the  catalyst.  Baker  et.  al. 

observed that, upon catalyst deactivation with their system, a black residue of bulk  iron was formed;7 

however this  is not observed with our systems. They also observed protonation of their amide  ligands 

and  formation of P‐B adducts with  their phosphine  ligands, which we did not observe  in  the  11B NMR 

spectrum. Instead the primary species observed with 31P {1H} NMR spectrum is de‐coordinated P‐N‐N‐P 

ligand at  ‐16 ppm. A similar spectrum was observed with the activated solution  in TH34 when some of 

the P‐N‐N‐P  ligand de‐coordinated to allow for formation of Fe NPs. The release of P‐N‐N‐P  ligand and 

the observation that no bulk iron is released supports that Fe NPs are forming during catalysis and that 

deactivation involves blocking of active sites on the NP surface, potentially by reactive B‐N compounds. 

Further discussion of deactivation modes on  iron will be discussed vide  infra. Also depicted  in Figure 

4.23 is the reaction profile using precatalyst (S,S)‐[Fe(CO)(Br)(PPh2CH2CH=NHCHPh‐)2][BPh4] (7) (entry 15 

of  Table  4.6).  This precatalyst  is  a highly  active  TH  system  also developed  in our  group39,42  that was 

recently studied mechanistically43 and determined to  likely operate via a homogeneous mechanism, as 

there are no low energy pathways leading to Fe(0).44 This system is much less active than systems (1, 2, 

Page 130: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

106  

5 and 6), supporting that the systems operate via different mechanisms for the dehydrogenation of AB, 

also suggesting that precatalysts (1, 2, 5 and 6) may generate Fe NPs during catalysis. 

 

Figure 4.23: Catalytic dehydrogenation of AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL THF at 22oC using 2.5 mol% Fe and 20 mol% KOtBu. 

11B {1H} NMR spectrum of the activated solutions using (5) contained peaks for some unreacted AB and 

four major species at 20.3, 24.3, 27.8 and 30.9 ppm. Upon coupling to protons, the peaks at 27.8 and 

30.9  split  into  doublets  with  coupling  constants  of  137  Hz  and  132  Hz  respectively,  indicating  two 

different B‐H groups and two different unprotonated boron sites are present. The peak at 30.9 ppm  is 

assigned  to  be  borazine,9  and  the  remaining  coupled  and  uncoupled  boron  species  are  tentatively 

assigned as polyborazylene (PB) and short chain B‐N oligomers or partially cross‐linked PB which could 

not  be  isolated  or  identified  further.  11B  NMR  spectrum  of  the  activated  solutions  using  (1)  also 

contained unreacted AB, a triplet at ‐10 ppm for cyclotriborazane (CTB)7,9 and two doublets at 30.9 and 

27.9 as observed with (1). This correlates with the fact that (5) generates more H2 than (1), in agreement 

with the formation of some PB versus CTB. 

 The difference in activity of (1) and (5) versus (2) and (6) was small, and therefore the use of the more 

expensive,  chiral  catalysts  bearing  the  diphenyl  backbone was  discontinued  and  further  experiments 

were only conducted using (1) and (5). 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60

Equivalents H2

Time (min)

Precatalyst 6

Precatalyst 5

Precatalyst 2

Precatalyst 1

Precatalyst 7

Page 131: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

107  

Due to the highly solvent dependent nature of these systems whereby there is no hydrogen evolution in 

water,  slow but  continuous evolution  in  iPrOH and  rapid activity  in THF, we also  tested diglyme as a 

dehydrogenation solvent (Entries 22‐23, Table 4.6). Reaction profiles using both (1) and (5) in THF were 

compared  to  profiles  of  reactions  done  in  diglyme  and  the  plots were  the  same, within  error.  This 

suggests that the same active species is generated in both solvents. 

4.4.3 Effect of Varying Conditions of AB Dehydrogenation with Precatalyst (5) 

Following optimizations of the solvent and precatalyst, we chose to further evaluate (5) under varying 

conditions to probe its robustness. We first probed the catalytic system for its temperature dependence. 

Standard reactions are run at 22 oC, so we tested the activity of the system when it was pre‐cooled using 

an ice bath (entry 7, Table 4.6). The reaction profile is depicted in Figure 4.24 and shows that although 

the activity is decreased slightly when compared to runs at 22 oC, the system is still quite active, evolving 

one equivalent H2  in 2 minutes, and 1.4 equivalents  in an hour before deactivating, compared  to one 

equivalent H2  in  less  than  30  seconds  and  1.6  equivalents  in  an  hour  for  the  reaction  at  22 oC.  The 

decrease in initial rate can be attributed to slower activation at lower temperatures, but the overall high 

efficiency of the system at 2 oC reflects how unique these systems are when compared to the majority of 

other  AB  dehydrogenation  catalysts  that  require  high  temperatures.10,14,26  Due  to  the  difference  in 

activity observed between  the bis‐MeCN and MeCN‐trans‐CO precatalysts, we were  interested  in  the 

effect CO gas would have on the activity of the catalysts (entry 8, Table 4.6). When reactions were run 

under a CO headspace instead of an argon headspace, minimal H2 evolution was observed, as shown in 

Figure 4.24. This would suggest that either active species are forming and are immediately poisoned by 

CO,  or  CO  inhibits  the  formation  of  active  species.  Due  to  the  fact  that  there  is  no  initial  activity 

observed,  it  is  likely that the active species do not form under these conditions. To further probe this, 

we attempted to poison the system after activation with a known amount of CO; however the results 

were  inconclusive  because  the  reaction  setup  employs  an  open  system  and  the  CO  gas was  rapidly 

purged by the evolving hydrogen. 

We were also  interested  in  testing  the  limits of  the catalyst at much higher AB  loadings  to  see  if our 

systems could compare to the highly rapid ruthenium systems developed by Schneider15 and Fagnou11. 

Using 0.83 mol% (5) (Fe:AB = 1:120 instead of Fe:AB = 1:40) (entry 9, Table 4.6) we observed the same 

general reaction profile, releasing one equivalent of H2  in under one minute, as shown  in Figure 4.24. 

Using  the  linear  portion  of  the  plot  (the  first  30  seconds)  the  turnover  frequency  (TOF)  can  be 

calculated: 

Page 132: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

108  

3.66  

Although the TOF is exceptionally high, the overall turnover number (TON) is only 154 H2 per Fe due to 

catalyst deactivation. 

 

Figure 4.24: Catalytic dehydrogenation of AB. Standard Run: AB  (10 mg, 0.32 mmol)  in 5 mL THF at 22oC using 2.5 mol% Precatalyst (5) and 20 mol% KOtBu, Fe:AB:KOtBu = 1:40:8. Variations from standard conditions as listed in legend. 

Standard experiments were done using 8 equivalents of KOtBu as the base, relative to iron, and we were 

interested in probing the dependence of catalytic activity on base and therefore ran experiments using 

both double  (16 equivalents – entry 26) and half  (4 equivalents – entry 27, Table 4.6)  the amount of 

base,  and  the  reaction  profiles  are  depicted  in  Figure  4.25. As would  be  expected,  all  three  profiles 

(standard  run,  and  half  and  double  KOtBu)  show  the  same  general  shape with  rapid  initial  activity 

followed by a significant rate decrease as the catalyst deactivates; however the initial rate with half base 

is slower and the overall H2 production varies between all three sets of experiments. The slower  initial 

rate with 4 equivalents of base versus 8 or 16  (1 equivalent H2  in 45  seconds  for half base versus 10 

seconds for both 8 and 16 equivalents) can be attributed to slower activation with a lower concentration 

of base. More  surprisingly was  the overall yield of H2 achieved by varying  the  concentration of base; 

1.83, 1.60 and 1.25 H2 in one hour for 16, 8 and 4 equivalents of base (relative to (5)) respectively. Given 

the similar reaction profiles and same  initial rates  for 8 and 16 equivalents KOtBu,  it would appear as 

though  catalyst  activation  is  occurring  in  all  cases.  It  is  possible  that  deactivation  of  the  catalyst  is 

minimized under  the more basic  conditions,  as  alkoxides  could protect  the  active  sites; however  the 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60

Equivalents H2

Time (min)

Standard Run

T = 2degC

Fe:AB = 1:120

CO Atmosphere

Page 133: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

109  

exact  reason  is  still  unclear.  To  probe  this,  we  thought  that  perhaps  the  base  was  reacting 

stoichiometrically with boron‐containing  intermediates,  allowing  for more  equivalents  to be  released 

when more base was present. We were able  to  rule  this out, as  running  the  reaction with equimolar 

amounts of KOtBu and AB (entry 28, Table 4.6), we did not evolve more H2 than with 40 mol% KOtBu. 

Rather,  we  saw  a  decrease  in  overall  yield  (1.66  equivalents  H2  in  1  hour  in  comparison  to  1.83), 

indicating that too much base has the opposite effect, and that the base dependence of this system  is 

much more complicated. To complete our base dependence studies, we tested the use of NaOiPr, as it is 

both reducing and basic, albeit  less basic than KOtBu. KOtBu  is a very strong base but  is not reducing, 

whereas NaOiPr  is a weaker base but  is a moderately  strong  reductant. Using  the  standard 20 mol% 

NaOiPr (entry 29, Table 4.6), we observed that the system was much less active, both in terms of initial 

rates and overall H2 evolution, as depicted by the green triangles in Figure 4.25. Therefore reduction of 

iron occurs most rapidly in the presence of AB and the stronger base. 

 

Figure 4.25: Catalytic dehydrogenation of AB. Standard Run: AB  (10 mg, 0.32 mmol)  in 5 mL THF at 22oC using 2.5 mol% Precatalyst (5) and base. 

Finke  has  reported  that  the  formation  of NPs  for  use  in  catalysis  can  be  viewed  as  an  autocatalytic 

process45 whereby  precatalyst  forms  active  NP  catalyst, which  then  auto‐catalyses  the  formation  of 

more active catalyst. From this we would expect that at very  low precatalyst concentrations formation 

of NPs would be significantly slower and that an induction period might occur. To test the dependence 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60

Equivalents H2

Time (min)

40 mol% KOtBu

100 mol% KOtBu

20 mol% KOtBu,Standard Run

20 mol% NaOiPr

10 mol% KOtBu

Page 134: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

110  

of  catalysis on  iron  concentration, we  varied  the  concentration of  (5)  in otherwise  identical  reaction 

conditions. Precatalyst concentrations of 1.5, 0.65 and 0.15 mM were tested. 1.5 and 0.65 mM yielded 

similar reaction profiles with rapid initial activity followed by deactivation, however the initial rate using 

0.65  mM  precatalyst  was  approximately  75%  that  of  the  standard  1.5  mM  run.  Dropping  the 

concentration of precatalyst  lower  to 0.15 mM  yielded  a  completely different profile exhibiting  a 10 

second  induction  period,  followed  by  rapid  catalytic  activity  then  deactivation.  This  non‐first  order 

kinetics is to be expected for NP formation as at very low iron concentrations nucleation and growth of 

NPs is expected to be significantly slower. 

4.4.4 AB Dehydrogenation with In Situ Generated Catalysts 

Further optimization of our catalytic systems  led to an  investigation of  in situ generated catalysts that 

would preclude  the necessity  to  first generate our Fe(P‐N‐N‐P) precatalysts. This  involved using a one 

pot  reaction  of  commercially  available  Fe(II)  precursors,  KOtBu, AB,  P‐N‐N‐P  ligand  and  solvent. We 

previously calculated that for the 4 nm Fe NPs derived from (1) and (2) for TH that approximately 50% of 

the  iron would  be  on  the  surface,35  indicating  that  less  than  half  of  the  ligand was  being  used. We 

therefore ran  initial tests using Fe(II) precursors and 0.6 equivalents of P‐N‐N‐P  ligand. [Fe(H2O)6][BF4]2 

was tested with  ligand  (8) from Figure 4.21, the same P‐N‐N‐P  ligand of (1) and (5),  in  iPrOH (entry 5) 

and THF  (entry 13, Table 4.6)  for AB dehydrogenation using 4 mol% Fe  (relative  to AB).  In  iPrOH  the 

reaction rate was much slower than the preformed catalysts, yielding only one equivalent of H2  in  just 

under an hour before the system deactivated. In THF, the in situ generated catalyst showed comparable 

activity  in terms of  initial rates and overall H2 generation to reactions using (5), at a  lower AB  loading, 

suggesting  that  the  same  active  species  is  being  formed.  To  further  investigate  ligand  effects  we 

synthesized  bulkier  and  more  basic  P‐N‐N‐P  ligand  (9)  as  shown  in  Figure  4.21  which  contains  a 

cyclohexyl  diamine  backbone  (entry  14,  Table  4.6)  and  compared  activity  with  ligand  (8)  and  the 

reaction profiles are shown in Figure 4.26. Reaction profiles with both ligands are the same in terms of 

initial  rates and extent of H2 evolution  indicating  that making  this  steric and electronic  change had a 

negligible effect. This was to be expected as catalysis with (5) versus (6) is also similar in THF. We were 

also  interested  in  the effect of different Fe(II) precursors and  therefore  tested FeBr2  (entry 17, Table 

4.6). The overall  reaction profile  in Figure 4.26  is  the  same  for both  [Fe(H2O)6][BF4]2 and FeBr2 metal 

precursors, once again suggesting that the same active species is being formed. Both yield the same final 

amount  of H2  (1.6  equivalents  in  1  hr)  although  FeBr2  shows  a  slightly more  rapid  initial  activation, 

potentially due  to  improved  solubility or more  rapid  reduction  to NPs. To confirm  that  the activity of 

Page 135: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

111  

FeBr2 with  (8) can be compared  to  reactions with  (5), we also  ran  reactions using  the same substrate 

loading (Fe:AB = 1:40) as outlined in entry 30 of Table 4.6 and depicted in Figure 4.26. Similar initial rates 

and extent of H2 evolution at both 1:25 and 1:40 was observed, allowing direct comparisons to be made 

with  (5);  (5)  yields 1.1 equivalents H2  in 30  seconds, and 1.6  in 1 hr, whereas FeBr2 with  (8) yields 1 

equivalent  in 30  seconds and 1.4  in 1 hr,  strongly  suggesting  the  same active  site  is present  in both. 

Experiments in diglyme (entry 31, Table 4.6) gave the same results as catalysis in THF for the FeBr2 with 

(8) system, as was observed with (1) and (5). Manners et. al. recently reported the use of skeletal nickel 

heterogeneous catalysts derived from the selective leaching of aluminum out of a 50/50 Ni/Al alloy for 

the  dehydrogenation  of  amine‐boranes.30  Although  the  nickel  systems  were  quite  active,  similarly 

prepared  iron systems were  inactive, suggesting  the subtle  interplay of metal and stabilizing  ligand  in 

our systems which allow them to be so active. 

 

Figure 4.26: Catalytic dehydrogenation of AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL THF at 22oC using 4 or 2.5 mol% Fe, 2.6 or 1.6 mol% ligand and 32 or 20 mol% KOtBu. Fe:Ligand:AB:KOtBu = 1:0.6:25:8 or 1:0.6:40:8. Where Fe‐H20 = [Fe(H2O)6][BF4]2. 

11B NMR  spectral analysis of  in  situ  solutions of  catalysis with  [Fe(H2O)6][BF4]2 and 0.5 equivalents of 

ligand showed two doublets at 30.9 and 27.8 with coupling constants of 127 Hz and 138 Hz respectively. 

The major species  is the doublet at 27.8 ppm, and  it appears to have a broad shoulder from 27 to 24 

ppm. These peaks correspond closely with those previously observed using (5), although the singlets at 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60

Equivalents H2

Time (min)

Fe‐H2O + Ligand 8,1:25 Fe:AB

FeBr2 + Ligand 8,1:25 Fe:AB

FeBr2 + Ligand 8,1:40 Fe:AB

Fe‐H2O + Ligand 9,1:25 Fe:AB

Page 136: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

112  

20.3 and 24.3 ppm were not distinguishable. No peaks for free AB were observed, therefore one would 

predict  from  the  distribution  of  products  that  more  than  1.6  equivalents  of  H2  should  have  been 

produced,  supporting  the  theory  that  deactivation  may  be  caused  by  binding  of  reactive  B‐N 

intermediates  to  the  active  sites of  Fe NPs,  thereby poisoning  the  catalyst  surface.  This deactivation 

mechanism has been previously postulated by Manners et.al. on colloidal nickel catalysts.30 Binding of 

these species to the surface would make them undetectable by 11B NMR spectroscopy as the NPs would 

be superparamagnetic.35 

Using FeBr2 and  ligand  (8), we  further probed  the  temperature dependence of  the system by running 

the reaction at 2 oC as we had done previously with (5) (entry 21, Table 4.6). Similar to the behaviour 

reported with (5), the plot at 2 oC shows a similar overall shape as the plot at 22 oC with a slightly slower 

initial rate, and a deactivation after fewer equivalents H2 released (1.2 equivalents H2 at 2 oC instead of 

1.6 at 22  oC). As a  second probe  to  compare  the  in  situ generated  catalyst  to preformed  catalyst we 

tested FeBr2 and  ligand  (8)  for dehydrogenation of AB under an atmosphere of CO. As was observed 

with (5), no hydrogen evolution was observed when the catalyst was generated under a CO atmosphere, 

indicating that CO impedes catalyst formation in both cases. 

Chaudret and coworkers previously reported a dependence on metal to ligand ratio using their Ru0 NPs 

stabilized  by  3‐aminopropyltriethoxysilane  on  the  initial  rates  of  dehydrogenation  of 

dimethylamineborane  (DMAB).27 We  therefore  investigated our  FeBr2  system with  different  ratios of 

ligand  (8)  to determine  the  effect on  stability  (extent of  conversion prior  to deactivation)  and  initial 

rates. Figure 4.27 shows plots of experiments run using 1.2, 0.6, 0.3 and 0.15 equivalents of  ligand (8), 

relative to FeBr2 (Entries 17‐20, Table 4.6)). Plots of 1.2, 0.6, 0.3 and 0.15 equivalents of ligand all show 

the  same  initial  rates of overall  conversion, and  identical plot  shape, yielding 1 equivalent of H2  in 1 

minute and 1.6 equivalents  in 1 hour.  In  contrast,  the plot  shown  in green  (triangles)  represents  the 

addition of no ligand (entry 16, Table 4.6), and exhibits significantly different behaviour. When there is 

no ligand present, activation is much slower and deactivation occurs much more rapidly, indicating that 

the  ligand provides stabilization on the NP surface preventing agglomeration and active site poisoning. 

This also suggests that as little as 0.15 equivalents of ligand is required to give the needed stabilization 

to maximize  efficiency  of  the  catalyst.  If  the  catalyst was  homogeneous,  one would  expect  to  need 

equimolar amounts of iron and ligand, and that activity would decrease with decreasing ligand amount, 

however  this  is not  the case. Further  reduction of  the amount of  ligand yielded  irreproducible  results 

and  overall  decreased  activity,  indicating  that  0.15  equivalents  is  the  minimum  amount  of  ligand 

Page 137: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

113  

necessary for this system. It is interesting that with changing ligand concentration there is no observable 

effect on  the  rate of  catalysis. Chaudret and  coworkers27 observed  that with  too  little  ligand present 

larger,  less active NPs  formed, and  this  is  likely  the  case with our  system, which  supports  that when 

<0.15 equivalents of  ligand are used  irreproducible  results are obtained. Chaudret also observed  that 

with more ligand present the rate also decreased due to the excess of ligands binding to the active sites. 

In our system no rate decrease is observed with excess ligand, suggesting that the ligand does not act as 

an active site poisoning agent,  likely because  it  is fairly bulky. This provides very strong evidence for a 

heterogeneous system as the active catalyst. 

 

Figure 4.27: Catalytic dehydrogenation of AB (10 mg, 0.32 mmol) in 5 mL THF at 22oC using 4 mol% FeBr2, ligand (8) and 32 mol% KOtBu (relative to AB). Fe:AB:KOtBu = 1:25:8. 

4.4.5 Dimethylamine‐borane (DMAB) Dehydrogenation with Precatalysts (1) and (5) 

Many  heterogeneous  precious metal  catalysts  reported  focus  primarily  on  the  dehydrogenation  of 

DMAB instead of AB,16,25,27,29,30,46 and thus we sought to test our systems using (1) and (5) with KOtBu in 

THF (Entries 24‐25, Table 4.6). Using the same reaction conditions as employed with AB, and with similar 

catalyst  loading  (Fe:KOtBu:DMAB  =  1:8:45)  hydrogen  evolution was measured  at  22  oC.  (1)  and  (5) 

yielded similar results with (5) achieving faster  initial rates (0.62 equivalents H2  in 1 minute for (5) and 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60

Equivalents H2

Time (min)

1.2 Equiv. Ligand 8

0.6 Equiv. Ligand 8

0.3 Equiv. Ligand 8

0.15 Equiv. Ligand 8

0.6 Equiv. Ligand 8, T= 2degC

No Ligand

Page 138: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

114  

0.44  for  (1)) but both  catalysts  yielded 0.97  equivalents H2  in 1 hour  and 1.1  equivalents  in 2 hours 

before  deactivation.  Similar  to  the  AB  plots,  dehydrogenation  of  DMAB  shows  a  rapid  initial  H2 

evolution, followed by a significant decrease in rate, before complete deactivation of the active species. 

Addition  of  more  DMAB  yielded  no  further  H2  evolution  indicating  that  catalyst  deactivation  had 

occurred,  similar  to  the  case with AB.  11B NMR analysis of  the  reaction  solutions proved  to be much 

more  complicated  than  the AB  case and  results are depicted  in Figure 4.28. There  is a  sharp quartet 

at ‐13.3 for unreacted DMAB, a triplet at 2.8 and a quartet at ‐9.7 for the adduct Me2NHBH2NMe2∙BH3, a 

small triplet at 5.5 for the (Me2N‐BH2)2 heterocycle, which is typically the most common product formed 

during  these  reactions  as  it  is  the  rapid  decomposition  product  of  the  postulated  Me2N=BH2 

intermediate.16,21,30 The NMR spectrum also shows  two doublets at 27 and 28.9 with couplings of 140 

and 131 Hz  respectively  identified as BH(NMe2)2 and a  second BH  complex.22 Given  the  formation of 

BH(NMe2)2  it  is  likely  that BH3  release occurs, which could  interact with –OtBu  in solution  to generate 

BH(OtBu)2,47,48  resulting  in  the doublet  found at 28.9 ppm. Given  the product distribution, one would 

surmise  that  evolution  of  a  full  equivalent  of  H2  would  be  unlikely,  suggesting  that  some  boron 

containing products may be insoluble or bound to a superparamagnetic NP, making them undetectable 

by NMR spectroscopy. This wide range of products and modest yields would suggest that the catalyst is 

not selective upon reaction with DMAB, nor  is  it competitive with other reported catalysts, but  it  is a 

useful proof of concept for these iron systems and their versatility. 

Page 139: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

115  

 

Figure 4.28:  In situ  11B NMR  (128 MHz)  spectrum of catalytic dehydrogenation of Me2NHBH3  (entry 24 of Table 4.6) after 30min. Fe:B:KOtBu = 1:45:8. 

4.4.6 Electron Microscopy Imaging 

To  further  probe  the  nature  of  our  iron  catalytic  systems  we  investigated  reaction  solutions  by 

transmission  electron microscopy  (TEM). We  analysed  reaction  solutions  of  catalysis with  (5)  and  of 

catalysis with FeBr2 with 0.3 equivalents of (8) as outlined in entries 32 and 33 respectively of Table 4.6. 

Figure 4.29  [left]  is a standard  image observed  for catalysis with FeBr2 and  ligand  (8) and shows  large 

dense masses with very  small dense particles dispersed on  the  surface. Using energy dispersive X‐ray 

spectroscopy  the  large masses were  identified as KBr, and  the small particles were composed of  iron. 

The KBr is formed as a result of deco‐ordination of Br from FeBr2 in the presence of KOtBu. The particles 

reacted  with  the  electron  beam  and  therefore  high  magnification  imaging  was  not  possible.  This 

indicates  that  the  particles were  likely  bound  to  volatile  solvent molecules  such  as  THF which were 

liberated  upon  exposure  to  the  electron  beam.  Coordination  of  THF  to  Fe NPs  has  been  previously 

reported and supported by extended X‐ray absorption fine structure experiments.49 This would suggest 

that the Fe NPs generated in situ are stabilized by P‐N‐N‐P ligand and THF as a labile ligand, which also 

supports why  the  in  situ generated  catalyst has  comparable activity  to  (5)  in THF but  is more  rapidly 

deactivated  in  iPrOH. A  similar  analysis was  conducted  on  catalytic  solutions  using  (5).  TEM  showed 

Page 140: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

116  

dense  clusters  also  identified  as  potassium  salts  and  dense  areas  depicted  in  Figure  4.29  [right] 

identified  as  ~4  nm  Fe  NPs.  Also  scattered  across  the  grid  were  larger  (8‐12  nm),  poorly  defined 

structures of widely varying sizes that were much less dense than the potassium and iron sections of the 

grid.  Using  a  GIF‐2000  energy  filter  these  areas  were  analysed  for  select  elements50  and  were 

determined  to  be  primarily  composed  of  boron.  This  suggests  that  the  PB  identified  by  11B  NMR 

experiments  is coating  the grids, and can be  roughly characterized by TEM. Applying a  similar energy 

filter and focusing on phosphorus,  it could be shown that phosphorus was primarily bound to the NPs, 

as would be expected  for  the  ligand. Size distribution analysis using  ImageJ software of  the Fe NPs  in 

Figure 4.29 [right] indicate that the NPs are 4.1 + 0.7 nm in diameter, and they appear to be fairly round 

in shape and moderately well dispersed. This fits within the size range observed for catalysis with (1) and 

(2) for TH35 and also matches closely with the AB dehydrogenation Fe NPs reported by Xu et. al.31  

 

Figure 4.29: TEM images of entry 33 [left] and entry 32 [right]. 

To complete our analysis of these new systems, we were interested in comparing them to our previously 

explored TH systems.35 To do this, we generated active catalyst for AB dehydrogenation using our  iron 

precatalysts with AB and KOtBu in THF and then injected these activated solutions into iPrOH solutions 

containing acetophenone and monitored the conversion to 1‐phenylethanol using gas chromatography 

(GC). Using the GC it is possible to monitor both overall conversion as well as product enantiopurity, so 

Page 141: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

117  

to get the most information out of our catalysis we chose to analyse our two chiral precatalysts (2) and 

(6).  We  previously  explained  (vide  supra)  that  catalyst  deactivation  likely  occurs  during  AB 

dehydrogenation  due  to  the  binding  of  reactive  boron  compounds  to  the  surface  of  the  NPs.  To 

minimize this deactivation before the catalysts could be used for TH we used less AB for the formation 

of the active species. A precatalyst to base to AB ratio (Fe:KOtBu:AB) of 1:7:8 in THF was used to reduce 

the  iron  and  generate  the  active  species  and  this  activated  solution was  injected  directly  into  a  vial 

containing iPrOH and acetophenone, yielding a Fe to ketone ratio of 1:300. Typical TH employing (2) and 

a catalyst to substrate  loading  (Fe:acetophenone) of 1:600 yielded 64% e.e. and 50% conversion  in 30 

minutes.35 Using  the  systems described herein we  achieved 79% e.e.  albeit  catalysis  took 4 hours  to 

reach  50%  conversion  using  (2),  and  no  conversion was  observed  using  (6).  The  high  enantiopurity 

indicates that similar to the standard TH case, the chiral ligand must be bound to the surface to induce 

this level of selectivity.51,52 The increase in enantiopurity can be attributed to a selectivity enhancement 

induced by the preference of the system towards preformed catalyst versus  in situ generated catalyst, 

as was observed previously  for TH.35 We hypothesized  that  the  increase  in  selectivity was due  to  the 

unencumbered,  complete  formation  of  the  ligand‐coated NPs without  the  interference  of  substrate, 

allowing for a more optimized coating of the chiral  ligand on the surface. The fact that (2) and not (6) 

gave active catalysts  for TH would  indicate  that  the CO  ligand present  in precatalyst  (2) must  remain 

bound to the active species, and that it is necessary for TH. We observed this previously as (2) was active 

for  TH  and  (6) was only  active  for direct hydrogenation.32  The presence of CO on  the  active  surface 

therefore plays a critical but not well understood role in catalysis as it slows down AB dehydrogenation, 

but  is crucial for TH. Lastly,  it  is worth noting the significant decrease  in rate on going to the catalysts 

prepared  in  THF  using  KOtBu  and  AB  versus  the  systems  prepared  with  KOtBu  in  iPrOH.  This  rate 

reduction can likely be attributed to a decrease in catalytic sites caused by the binding of reactive boron 

containing species to the surface, thereby acting as a catalyst poison. These studies further support that 

the active species during AB dehydrogenation are Fe NPs, similar to those previously investigated. 

   

Page 142: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

118  

4.5 Conclusions 

We  have  demonstrated  the  wide  versatility  of  the  series  of  iron  complexes  generally  described  as 

[Fe(NCMe)(L)(PPh2C6H4CH=NCHR‐)2][BF4]2  for  their  use  in  the  dehydrogenation  of  amine‐boranes, 

particularly  for  ammonia‐borane,  on  top  of  their  efficient  previous  use  as  hydrogenation32,33,35  and 

oxidation36  catalysts.  In  iPrOH,  2.9  equivalents  of  H2  could  be  released  in  under  an  hour,  yielding 

B(OiPr)3, whereas in non‐protic solvents such as THF and diglyme B‐N polymers and oligomers could be 

formed, and very rapid initial rates were observed yielding TOFs of up to 3.66 H2/second. Catalysts were 

shown to be efficient at  low temperatures, a quality not previously thoroughly  investigated, and were 

shown  to be completely poisoned by  carbon monoxide. Electron microscopy  imaging  showed  that Fe 

NPs were forming during catalysis, but could not confirm whether the true catalyst was heterogeneous, 

or  if Fe NPs are  simply a deactivation product. To probe  this property we  tested hydrogen evolution 

using commercially available Fe2+ precursors in the presence of varying amounts of P‐N‐N‐P ligand. For a 

homogeneous  catalyst we would  expect  to  need  a  full  equivalent  of  ligand  to  achieve  comparable 

activity, however, we have shown that 1.2, 0.6, 0.3 and 0.15 equivalents of ligand all achieve the same 

activity, supporting that the active species are  likely to be zero‐valent Fe NPs coated  in, and stabilized 

by, P‐N‐N‐P  ligand,  similar  to what we observed previously  for TH and oxidation with  (1) and  (2).35,36 

Although these iron systems still hold many secrets, they have proven themselves to be quite versatile 

catalysts  for  a wide  range of hydrogen  reactions. Given  the  very  rapid  initial  rates of  catalysis  it has 

proven to be quite difficult to run in operando studies to determine the true nature of the catalyst,53 and 

we can therefore only propose that the active species are zero‐valent Fe NPs. 

   

Page 143: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

119  

4.6 References 

  (1)  Dunn, S. Int. J. Hydrogen Energy 2002, 27, 235. 

  (2)  Schlapbach, L.; Zuttel, A. Nature 2001, 414, 353. 

  (3)  Cook, T. R.; Dogutan, D. K.; Reece,  S.  Y.;  Surendranath, Y.; Teets, T.  S.; Nocera, D. G. 

Chem. Rev. 2010, 110, 6474. 

  (4)  Staubitz, A.; Robertson, A. P. M.; Manners, I. Chem. Rev. 2010, 110, 4079. 

  (5)  Yadav, M.; Xu, Q. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9698. 

  (6)  Staubitz, A.; Sloan, M. E.; Robertson, A. P. M.; Friedrich, A.; Schneider, S.; Gates, P.  J.; 

Günne, J. r. S.; Manners, I. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13332. 

  (7)  Baker,  R.  T.;  Gordon,  J.  C.;  Hamilton,  C.  W.;  Henson,  N.  J.;  Lin,  P.‐H.;  Maguire,  S.; 

Murugesu, M.; Scott, B. L.; Smythe, N. C. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5598. 

  (8)  Sutton, A. D.; Burrell, A. K.; Dixon, D. A.; Garner, E. B.; Gordon, J. C.; Nakagawa, T.; Ott, 

K. C.; Robinson, J. P.; Vasiliu, M. Science 2011, 331, 1426. 

  (9)  Lu, Z.; Conley, B. L.; Williams, T. J. Organometallics 2012, 31, 6705. 

  (10)  Conley, B. L.; Guess, D.; Williams, T. J. J. Am. Chem. Soc 2011, 133, 14212. 

  (11)  Blaquiere, N.; Diallo‐Garcia, S.; Gorelsky, S. I.; Black, D. A.; Fagnou, K. J. Am. Chem. Soc. 

2008, 130, 14034. 

  (12)  Denney, M. C.; Pons, V.; Hebden, T. J.; Heinekey, D. M.; Goldberg, K. I. J. Am. Chem. Soc. 

2006, 128, 12048. 

  (13)  Kim, S.‐K.; Han, W.‐S.; Kim, T.‐J.; Kim, T.‐Y.; Nam, S. W.; Mitoraj, M.; Piekoś, Ł.; Michalak, 

A.; Hwang, S.‐J.; Kang, S. O. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 9954. 

  (14)  Conley, B. L.; Williams, T. J. Chem. Commun. 2010, 46, 4815. 

  (15)  Käß, M.; Friedrich, A.; Drees, M.; Schneider, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 905. 

  (16)  Sewell, L. J.; Lloyd‐Jones, G. C.; Weller, A. S. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 3598. 

  (17)  Schreiber, D. F.; O’Connor, C.; Grave, C.; Ortin, Y.; Müller‐Bunz, H.; Phillips, A. D. ACS 

Catal. 2012, 2, 2505. 

  (18)  Jiang, Y.; Blacque, O.; Fox, T.; Frech, C. M.; Berke, H. Organometallics 2009, 28, 5493. 

  (19)  Clark, T. J.; Russell, C. A.; Manners, I. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9582. 

  (20)  Keaton, R. J.; Blacquiere, J. M.; Baker, R. T. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 1844. 

  (21)  Vogt, M.; de Bruin, B.; Berke, H.; Trincado, M.; Grutzmacher, H. Chem. Sci. 2011, 2, 723. 

  (22)  Vance, J. R.; Robertson, A. P. M.; Lee, K.; Manners, I. Chem. Eur. J. 2011, 17, 4099. 

Page 144: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

120  

  (23)  Vance, J. R.; Schäfer, A.; Robertson, A. P. M.; Lee, K.; Turner, J.; Whittell, G. R.; Manners, 

I. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3048. 

  (24)  Kawano, Y.; Uruichi, M.; Shimoi, M.; Taki, S.; Kawaguchi, T.; Kakizawa, T.; Ogino, H.  J. 

Am. Chem. Soc. 2009, 131, 14946. 

  (25)  Jaska, C. A.; Temple, K.; Lough, A. J.; Manners, I. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 9424. 

  (26)  Kim,  S.‐K.;  Kim,  T.‐J.;  Kim,  T.‐Y.;  Lee,  G.;  Park,  J.  T.;  Nam,  S. W.;  Kang,  S.  O.  Chem. 

Commun. 2012, 48, 2021. 

  (27)  Zahmakran, M.; Philippot, K.; Ozkar, S.; Chaudret, B. Dalton Trans. 2012, 41, 590. 

  (28)  Zahmakiran, M.; Özkar, S. Inorg. Chem. 2009, 48, 8955. 

  (29)  Caliskan, S.; Zahmakiran, M.; Durap, F.; Ozkar, S. Dalton Trans. 2012, 41, 4976. 

  (30)  Robertson, A. P. M.; Suter, R.; Chabanne,  L.; Whittell, G. R.; Manners,  I.  Inorg. Chem. 

2011, 50, 12680. 

  (31)  Yan,  J.‐M.; Zhang, X.‐B.; Han, S.; Shioyama, H.; Xu, Q. Angew. Chem.  Int. Ed. 2008, 47, 

2287. 

  (32)  Sui‐Seng, C.; Freutel, F.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 940. 

  (33)  Meyer, N.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Chem. Eur. J. 2009, 15, 5605. 

  (34)  Prokopchuk,  D.  E.;  Sonnenberg,  J.  F.; Meyer,  N.;  Zimmer‐De  Iuliis, M.;  Lough,  A.  J.; 

Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 3056. 

  (35)  Sonnenberg,  J. F.; Coombs, N.; Dube, P. A.; Morris, R. H.  J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

5893. 

  (36)  Sonnenberg, J. F.; Pichugin, D.; Coombs, N.; Morris, R. H. Top. Catal. 2013. 

  (37)  Sui‐Seng, C.; Haque, F. N.; Hadzovic, A.; Pütz, A. M.; Reuss, V.; Meyer, N.; Lough, A. J.; 

Zimmer‐De Iuliis, M.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2009, 48, 735. 

  (38)  Gao,  J. X.; Zhang, H.; Yi, X. D.; Xu, P. P.; Tang, C.  L.; Wan, H.  L.; Tsai, K. R.;  Ikariya, T. 

Chirality 2000, 12, 383. 

  (39)  Mikhailine, A.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1394. 

  (40)  Widegren, J. A.; Finke, R. G. J. Mol. Catal. A: Chem. 2003, 198, 317. 

  (41)  Crabtree, R. H. Chem. Rev. 2012, 112, 1536. 

  (42)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2010, 49, 10057. 

  (43)  Mikhailine, A. A.; Maishan, M. I.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

12266. 

  (44)  Prokopchuk, D. E.; Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 7375. 

Page 145: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

121  

  (45)  Watzky, M. A.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 10382. 

  (46)  Jaska, C. A.; Temple, K.; Lough, A. J.; Manners, I. Chem. Commun. 2001, 962. 

  (47)  Pelter, A.; Levitt, T. E. Tetrahedron 1970, 26, 1545. 

  (48)  Onak, T.; Landesman, H.; Williams, R.; Shapiro, I. J. Phys. Chem. 1959, 63, 1533. 

  (49)  Welther,  A.;  Bauer, M.; Mayer, M.;  Jacobi von Wangelin,  A.  ChemCatChem  2012,  4, 

1088. 

  (50)  Ahn, C. C.; Krivanek, O. L. EELS Atlas; ASU HREM and Gatan Inc.: United States, 1983. 

  (51)  Bönnemann, H.; Braun, G. A. Angew. Chem. Int. Ed. 1996, 35, 1992. 

  (52)  Osawa, T. Chem. Lett. 1985, 1609. 

  (53)  Bayram, E.; Linehan, J. C.; Fulton, J. L.; Roberts, J. A. S.; Szymczak, N. K.; Smurthwaite, T. 

D.; Özkar, S.; Balasubramanian, M.; Finke, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18889. 

 

 

 

   

Page 146: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

122  

Chapter 5: Synthesis and Mechanistic 

Studies of Iron P‐N‐P’ and P‐NH‐P 

Asymmetric Hydrogenation Catalysts 

Adapted  from  Lagaditis, P.O., Sues, P.E., Sonnenberg,  J.F., Wan, K.Y.,  Lough, A.J., Morris, R. H.  J. Am. 

Chem. Soc. 2014, 136, 1367‐1380, Sonnenberg, J.F., Sues, P.E., Wan, K.Y., Morris, R.H. Submitted, 2014 

and Sonnenberg, J.F., Lough, A.J., Morris, R.H. Submitted, 2014. 

5.1 Abstract 

Pre‐catalysts mer‐trans‐[Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4]  (10) were  successfully  developed  for  the  asymmetric 

direct  hydrogenation  of  ketones  and  imines  upon  activation with  LiAlH4,  then  alcohol ROH  (R  = Me, 

tAmyl, tBu), followed by base and H2 (g). Previous mechanistic  investigations determined that reactive 

Fe(P‐NH‐P’)(CO)(H)(OR)  (11)  complexes  were  initially  produced  during  activation.  Here  we  provide 

strong NMR and experimental evidence that the role of base and H2 in the activation of the isomers of 

the  complex  Fe(P‐NH‐P’)(OR)(H)(CO)  (where  P‐NH‐P’  =  PPh2CH2CH2NHCHMeCHPhPCy2  or  (S,S)‐ 

PPh2CH2CH2NHCH2CH2PiPr2,  is  to  generate  the  trans‐dihydridoamino  complexes,  Fe(P‐NH‐P’)(CO)(H)2 

(13).  This  complex  can  then  react with  a  ketone within  the  catalytic  cycle.  Employing  related  ligand 

scaffolds, we  successfully  generated and  tested a  series of  three new  chiral precatalysts  (10d‐f) with 

chirality derived from amino acids, yielding fairly active and selective systems; turnover frequencies up 

to 920 h‐1 and up  to 74% enantiomeric excess at 50  oC and 5‐20 atm H2. Extending  the  scope of  the 

ligand structure, we then developed a series of chiral P‐N‐P (16) and P‐NH‐P (17) systems starting with 

ortho‐diphenylphosphinobenzaldehyde to incorporate a phenylene linker, as well as their corresponding 

[Fe(P‐N‐P)(NCMe)3][BF4]2  (18)  and  [Fe(P‐NH‐P)(NCMe)3][BF4]2  (19)  complexes,  which  were  not 

catalytically  active.  Lastly,  we  made  a  new  achiral  iron  complex  mer‐cis‐Fe(PPh2(o‐

C6H4)CHNCH2CH2PPh2)(CO)Br2  (20)  which  was  active  for  the  direct  hydrogenation  of  acetophenone, 

achieving turnover frequencies of 800 h‐1 at 50 oC and 25 atm H2. 

Page 147: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

123  

5.2 Introduction 

The  synthesis of enantiopure alcohols and amines  is of  significant  importance  to  the pharmaceutical, 

fragrance and  fine chemical  industries, and  is typically achieved via the hydrogenation of ketones and 

imines,  respectively, using precious metal catalysts.1,2 There has been  tremendous  interest  recently  in 

developing  greener  catalysts  based  on  early  transition  metals,  to  replace  iridium,  ruthenium  and 

rhodium catalysts, as  they are much cheaper, more earth abundant and  less  toxic, as was detailed  in 

Chapter 1.3‐5 Our group has been primarily focused on the development and mechanistic investigation of 

iron  carbonyl  P‐N‐N‐P  catalysts  for  asymmetric  transfer  hydrogenation  (ATH),6‐17  as was  discussed  in 

detail  in  Chapter  2;  however  we  often  encountered  problems  with  product  racemization  due  to 

equilibration. We therefore sought to develop asymmetric direct hydrogenation systems that could use 

hydrogen gas to prevent reversibility. 

Recently, Milstein and coworkers reported iron systems with tridentate P‐N‐P ligands capable of directly 

hydrogenating  polar  double  bonds.18,19  These  complexes,  shown  in  Figure  5.30,  achieved  turnover 

frequencies (TOF) up to 430 h‐1 at 40 oC and 4.1 atm H2. Beller and coworkers also used a similar ligand 

system on  iron  for  the  release of H2 gas  from methanol and water with TOFs up  to 600 h‐1.20 He also 

recently detailed the use of the same system for the hydrogenation of esters,21 as did Chakraborty et. al. 

who characterized a  reactive dihydride  intermediate.22    In  their hydrogen evolution paper, Beller and 

coworkers hypothesized  that  the  system  goes  through  reactive  amide‐hydride  species, which  can be 

generated  from  a  Fe(P‐NH‐P)(CO)(H)(OR)  complex  using  base.  This  type  of  Fe(P‐N‐P)H(CO)  amide 

structure has been recently crystallographically characterized by Chakraborty et. al. in their study of the 

dehydrogenation  and  hydrogenation  of  N‐heterocycles.23  This  structure  is  similar  to  the  proposed 

reactive intermediates discussed in detail vide infra.  

Prior  to  the work with  the P‐N‐P  systems, Casey and Guan developed a  Shvo‐type  system using  iron 

capable  of  hydrogenating  aldehydes  and  ketones,  via  an  outer  sphere  (bifunctional) mechanism,  at 

modest  temperatures  and  pressures.24,25  This  ligand  scaffold  was  then  used  by  Berkessel  et.  al.  in 

conjunction with a chiral phosphorus  ligand26 and by Beller and coworkers  in conjunction with a chiral 

phosphonic acid27  to yield alcohols and amines in modest enantiomeric excess (e.e.), respectively. Our 

group  has  also  developed  a  series  of  iron‐(P‐N‐N‐P)  systems,  also  shown  in  Figure  5.30,  capable  of 

hydrogenating ketones with TOFs up to 1000 h‐1 and e.e. up to 76% at 50 oC and 25 atm H2.11 The most 

efficient direct hydrogenation catalyst known to date was developed by Noyori and coworkers, and is a 

Page 148: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

124  

ruthenium based catalyst containing a chiral, bidentate phosphorus ligand (BINAP) and a chiral diamine 

ligand.28,29 The catalyst, upon activation with base to generate a reactive hydride complex, is capable of 

achieving a total turnover number (TON) of up to 100,000 and an e.e. of 99% at ambient temperature 

and 8 atm H2.  The catalyst operates via a bifunctional, outer‐sphere mechanism that takes advantage of 

the  “N‐H  effect”, whereby  the Ru‐hydride  and  ligand N‐H  add directly  to  the  substrate polar double 

bond, resulting in a metal amido intermediate that then heterolytically splits H2.30‐33 We were therefore 

interested  in developing  a new  series of direct hydrogenation  catalysts based on  iron  that would be 

chiral, able to potentially take advantage of the N‐H effect, and employ pincer ligands.34 

N

PiPr2

PiPr2

FeHCO

BrN

PiPr2

PiPr2

FeHBH3CO

H

Fe

TMS

TMS

OH

OCOC

H

O O

OPFe

TMS

TMS

OH

OCOC

H

O

OHiPr

iPr iPr

iPr

iPr

iPr

Milstein 2011 and 2012

Beller 2011

N N

PPh2

PPh2

Fe

N

RR

Morris 2008

[BF4]2

Casey 2007

N

PiPr2

PiPr2

FeBrCO

HH

N

Beller 2013 and 2014Jones 2014

Fe

TMS

TMS

OH

OCL*

CO

O

O

OP NMe2

R

R

L* =

Berkessel 2011

Ru

Cl

ClN

N

H H

PPh2

Ph2P

HH

OMe

OMe

R-BINAP R-DAIPEN

Noyori 1998

 

Figure 5.30: Catalysts used for the direct hydrogenation of polar double bonds. 

Combining these key structural features, we developed a P‐N‐P’ ligand scaffold that incorporated chiral 

centres,  yielding highly  active  and enantioselective direct hydrogenation  catalysts based on  iron  that 

Page 149: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

125  

could operate under mild conditions.35 The precatalysts could be generated using a  template method 

employing  air‐stable phosphonium dimers,10  chiral PN  ligands  and  FeBr2 under  a CO  (g)  atmosphere, 

followed  by  silver‐assisted  ligand  exchange36  to  cleanly  generate  mer‐trans‐[Fe(Br)(CO)2(P‐CH=N‐

P′)][BF4] (where P‐CH=N‐P′ = R2PCH2CH=NCH2CH2PPh2 and R = iPr (10a) or Cy (10b) or P‐CH=N‐P′ =  (S,S)‐ 

Cy2PCH2CH=NCH(Me)CH(Ph)PPh2  (10c)),  the  synthesis  of  which  is  discussed  in  detail  below.  These 

systems were  found  to  be  quite  active  for  the  direct  hydrogenation  of  both  ketones  and  activated 

imines under mild conditions; yielding moderate to high e.e.’s when the chiral ligand backbone (Me/Ph) 

was employed. Activation of these precatalysts was found to first require reduction with LiAlH4 and then 

quenching with  excess  alcohol  to  yield hydride  species which  could be  further  activated by base  for 

catalysis (see Scheme 5.13). Extensive NMR experiments followed by detailed DFT calculations allowed 

for the identification of the hydride and aluminum‐hydride species formed during the LiAlH4 and alcohol 

activation  steps.  In  this  chapter, we will  first  outline  further  experimentally  determined mechanistic 

investigations,  followed by  an  account of new  iron  species developed  to probe  the  applicability of  a 

modified  ligand scaffold. For the mechanistic studies, specific emphasis was placed on determining the 

role of base and its importance during activation of the precatalyst, as well as during the catalytic cycle. 

Given  the  success of  these  catalysts, we  then  explored  the  effect of  changing  the  ligand  sterics  and 

chirality  (number  and  type of  chiral  centres) using  alternative PN  ligands,  the  effect of  changing  the 

ligand structure and flexibility using o‐phenylene linkers on the achiral side of the ligand, and the effects 

of incorporating an N‐H functionality into the ligand backbone. 

Page 150: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

126  

N

PPh2

PR2

FeHCO

HH2Al

HFe

N

CO

PR2

PPh2

HH3Al

Li

N

PPh2

PR2

FeCOBr

OC

BF4

6 equivLiAlH4

THF

xs R'OH

N

PPh2

PR2

FeH

CO

O

H

+isomers

THF

R'

where R = iPr or Cy

11

12

+

10

N

PPh2

PR2

FeCO

COH

R' = Me, tAmyl, tButyl

 

Scheme 5.13: Activation of [Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4] precatalysts (10a‐c) with LiAlH4 and alcohol. 

5.3 Results and Discussion 

5.3.1 NMR Investigation of the Mechanism 

Following our successful application of NMR spectroscopy and DFT calculations to determining the initial 

activation of our mer‐trans‐[Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4] precatalysts  (10a‐c),35 we  sought  to  further  apply 

these methods to elucidate the complete activation process and catalytic mechanism of these systems. 

For  ease  of  analysis, we  used  our  achiral  catalyst  (R’  =  R”  =  H),  bearing  iPr  groups  on  one  of  the 

phosphorus  donors  (R  =  iPr),  (10a)  for  all NMR  studies.  Activation  of  (10a) with  LiAlH4  followed  by 

quenching with alcohol,  then  reaction with 12‐crown‐4 and  filtration  to  remove  residual cations, was 

shown  to  yield  a  hydride‐alkoxide  iron  complex,  (11)  as  shown  in  Scheme  5.13.  For  catalysis,  this 

complex  is  further  activated with  base  under  hydrogen  to  achieve  catalytic  turnover.  To  probe  this 

activation we used NMR spectroscopy to sequentially study this process. Addition of several equivalents 

of base without hydrogen present was previously shown to generate the zero‐valent iron species Fe(P‐

NH‐P’)(CO)2 (12), as shown in Scheme 5.14,35 which was inactive towards catalysis, even in the presence 

of hydrogen gas. Treatment of  (11) with 1 atm H2 yielded no change, even over prolonged periods of 

Page 151: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

127  

exposure  (24  hours). Addition  of  approximately  8  equivalents  of  base  (relative  to  Fe),  either  KOtBu, 

NaOtBu or NaOMe, in the presence of 1 atm H2 yielded an immediate colour change from bright orange 

to  dark  pink,  and  then  rapidly  to  deep  brown. NMR  analysis  of  the  resultant  solution  indicated  the 

complete consumption of (11) and the formation of a new species (13) with 31P {1H} doublets at 118.0 

and  95.8  ppm  and  2JPP  =  118  Hz,  as  well  as  a  new  hydride  signal  centred  at  ‐9.10  ppm.  Selective 

decoupling of both the 118.0 and 95.8 ppm 31P signals allowed for resolution of the ‐9.10 ppm signal as 

two hydride doublets at ‐9.05 and ‐9.16 ppm with JHH = 9.8 Hz, indicating a dihydride species. The value 

of 9.8 Hz  for  the hydride‐hydride coupling constant supports  the  formation of a  trans‐dihydride,19,37‐40 

and the 118 Hz phosphorus‐phosphorus coupling  is  large and similar to (11) (JPP = 136 Hz),35  indicating 

that the phosphorus donors are trans, yielding a mer‐conformation of the P‐N‐P’ ligand. This leads to an 

assignment  of  the  structure  of  (13),  which  is  hypothesized  in  Scheme  5.14.  To  complete  the 

characterization, we ran simulations of the hydride peaks using MestReNova Simulation Software. Using 

known coupling constants we were able to exactly simulate the 31P‐coupled 1H spectrum of the hydrides, 

as well as determine that JPH = 42 Hz. This value  is  lower than the 50‐60 Hz splitting observed for (11), 

likely due to  the high trans  influence of the hydrides, producing weak Fe‐H bonds, and thus small 2JPH 

splitting, as observed. It is also worth noting that the 31P‐coupled 1H NMR spectra of the hydrides of (13) 

are  highly  symmetrical,  supporting  that  the  hydrides  are  chemically  inequivalent  but  in  quite  similar 

chemical environments. The P‐N‐P’ ligand is not chiral, and therefore to explain the inequivalency of the 

hydrides  we  suggest  that  the  ligand  has  an  amino  group  (P‐NH‐P’),  as  drawn  in  Scheme  5.14. 

Unfortunately, we were unable to detect an N‐H signal in the NMR spectrum using a wide range of 2‐D 

techniques (COSY, TOCSY, NOESY and ROESY NMR experiments); however there are several equivalents 

of  alcohol  in  excess of  the  iron  concentration  in  solution  that may  affect  the  fluxionality of  the N‐H 

moiety. During the NOESY analysis, we did notice an out of phase correlation between the hydrides and 

what  appears  to  be  free H2  at  4.55  ppm,  indicating  some  kind  of  interaction  (NOE would  be  out  of 

phase), however further analysis was not possible due to the timescale of exchange. A single crystal X‐

ray determination of the iron (0) dicarbonyl complex (12) allowed confirmation of the presence of an N‐

H,35 supporting the postulated structure of (13) with an amine functionality. Lastly, we were also able to 

identify a second species  in much smaller concentrations present using 31P and 1H NMR spectroscopy, 

which we  tentatively assigned as  the corresponding dihydride species mer‐cis‐Fe(P‐NH‐P’)(CO)(H)2. 31P 

doublets at 114.6 and 93.0 with JPP = 106 Hz and poorly resolved hydrides at ‐8.1 and ‐20.6 ppm which 

correspond to each other by 31P‐1H HMBC, suggest the presence of a cis‐dihydride and trans‐P (mer‐P‐N‐

P’). Due to very low concentration and peak resolution, no further analysis was possible on this species. 

Page 152: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

128  

 

 

Scheme  5.14:  Activation  of  iron‐alkoxide  (11)  with  base  and  hydrogen  to  generate  active  dihydride  (13)  and  iron  (0) 

dicarbonyl (12). 

We  similarly  analysed  our  chiral  system  (10c)  via NMR  spectroscopy  for  the  formation  of  dihydride 

species.  Following  the  same  activation  steps  used  to  generate  (13), we were  able  to  detect  a  new 

dihydride complex  (13c). Following the same  logic  for  identifying the trans dihydride  in  (13), (13c) has 

two  doublets  in  the  31P  NMR  spectrum  at  110.2  and  106.5  ppm with  2JPP  =  113.6  Hz  for  the  trans 

phosphorus nuclei, yielding the mer‐(P‐N‐P’) ligand. Two sets of hydride signals were detected in the 1H 

NMR spectrum at ‐8.56 and ‐8.94 ppm with 2JHH = 9.3 Hz. The ‐8.56 signal was a doublet of doublets of 

doublets with 2JPH = 39.0 and 44.2 Hz and the ‐8.94 hydride was a doublet of triplets with 2JPH = 41.9 Hz. 

The  two hydrides were correlated with one another via  1H‐1H COSY, and were both correlated  to  the 

major  31P  signals  through  1H‐31P  HMBC.  Unlike  (13)  the  hydride  signals  are more  well‐defined  and 

Page 153: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

129  

separated due  to  the chirality of  the backbone, which allowed  for  the direct observation of  the COSY 

correlation and all of  the  coupling  constants without  the need  for  31P decoupling. Also  similar  to  the 

achiral case, we were able to observe a second species  in both the 31P and 1H (hydride) NMR spectra, 

albeit  in  comparable  concentrations  to  the  trans‐dihydride.  31P  NMR  spectroscopy  exhibited  two 

doublets at 102.5 and 109.7 ppm with  2JPP = 116.4 Hz and  the hydride peaks appeared at  ‐7.31 and  ‐

21.00 ppm  in the 1H NMR spectrum, with 2JHH = 15.5 Hz and 2JPH = 52.0 and 58.0 Hz for the  ‐7.31 ppm 

hydride and 2JPH = 51.9 Hz for the ‐21.00 ppm hydride. The signals were similarly correlated using 1H‐1H 

COSY to confirm that the new species was a dihydride, and using 1H‐31P HMBC. Similar to the achiral case 

we once again suggest that this second isomer is the cis‐dihydride. 

To probe whether the dihydride (13) was the active species in catalysis we tested it with acetophenone 

to gauge conversion  to 1‐phenylethanol under H2. We directly  injected  the THF‐d8  solutions  from  the 

NMR  studies  which  contained  (13a),  excess  base,  excess  alcohol,  and  residual  12‐crown‐4,  into  a 

pressurized Parr reactor set at 50 oC and 5 bar H2 along with 0.3 mL acetophenone (Catalyst:Substrate ~ 

1:500) and 6 mL THF. We saw complete conversion to 1‐phenylethanol in under 15 minutes, which was 

comparable  to  our  in  situ  generated  catalysts  under  the  same  conditions,  that  achieved  complete 

conversion  in 15 minutes as well.35 This  indicates that the dihydride species  is  likely the active catalyst 

during direct hydrogenation, or an entry point  into the catalytic cycle. This was also the case with our 

chiral system, (13c), which similarly achieved complete conversion in 15 minutes and yielded an e.e. of 

83%, comparable to our in situ generated systems. This product enantiopurity further supports that the 

dihydride is the active species, and that the enantiodifferentiating step is unaffected. Interestingly, if we 

injected 0.05 mL of acetophenone into the J‐Young NMR tube containing (13a) or (13c) and maintained 

a pressure of 1  atm H2  at 30 oC, we  saw  very  little  conversion  to 1‐phenylethanol  and NMR  spectra 

indicated that the dihydride decomposed into an intractable mixture. The catalyst system is known to be 

active, albeit  slower, at  lower  temperatures,  indicating  that  it was  the  lower H2 pressure  that caused 

catalyst deactivation, and that higher pressures are required for catalyst turnover. Dihydride (13) can be 

generated under 1 atm of H2, however catalytic turnover and conversion of the ketone to product is not 

possible and requires at least 5 atm H2. This pressure dependence was therefore an area of interest for 

further mechanistic investigations. 

Generation of the dihydride (13a) was feasible using either KOtBu or NaOMe, and we were interested in 

the effect of the alkali cation and the effect of the strength or basicity of the alkoxide used in catalysis. 

As discussed previously, generation of the dihydride requires base. By drying the dihydride solution and 

Page 154: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

130  

redissolving the residue in benzene we were able to filter off the majority of the excess base, and then 

inject  the  dihydride  directly  into  a  pressurized  reactor.  Interestingly, minimal  catalytic  turnover was 

observed, indicating that not only is base required to generate the dihydride, but it is also required for 

catalysis. A possible explanation for the continual need for base is that during catalysis there is an excess 

of alcohol present which allows the iron complex to be converted back to the alkoxide complex (11). The 

excess base is required to prevent this. This was later confirmed using DFT (vide infra) which indicated a 

low energy deactivation pathway to form (11). 

1H NMR analysis of the dihydride indicated that the trans‐hydrides were inequivalent, which suggested 

that there was an N‐H present in the ligand backbone. Alternatively, this inequivalence could arise from 

an iron‐amide and a tightly bound cation. To probe the influence of the cation, we ran catalysis with in 

situ generated catalysts activated with either NaOtBu or KOtBu. The procedure  involved reacting (10a) 

with LiAlH4, addition of t‐amyl alcohol until hydrogen evolution ceased, and then  injecting the mixture 

directly into a Parr reactor containing either NaOtBu or KOtBu and acetophenone under H2. Both yielded 

complete conversion of acetophenone to 1‐phenylethanol in 15 minutes, indicating that the identity of 

the cation does not play a significant role in catalysis. For our NMR studies we were able to generate the 

dihydride species (13a) with either KOtBu or NaOMe, however, when we ran catalysis with either KOtBu 

or NaOMe for acetophenone conversion, only the system with KOtBu was active. Turning to our in situ 

generated systems, we saw complete conversion of acetophenone  in  the presence of KOtBu, NaOtBu 

and potassium phenylethoxide, but no conversion using NaOMe. This shows that base  is required not 

only  to  form  the  dihydride, but  also  for  catalytic  turnover.  It  also  suggested  that  the  basicity of  the 

alkoxide  used  plays  a  key  role,  as  potassium  phenylethoxide,  the  alkoxide  of  the  product  alcohol,  is 

strong enough for catalytic turnover, whereas methoxide, a weaker base, is not. This indicates that the 

added base must be stronger than the phenylethoxide product for catalytic turnover.  

Similar to the studies discussed in Chapter 2,16 and preliminary mechanistic studies with (10),35 we then 

turned to DFT to calculate the energetics of potential pathways for both catalyst activation and catalytic 

turnover. This work is beyond the scope of this thesis, and therefore will not be discussed in detail, but 

to summarize, two energetically viable pathways were identified as potential mechanisms for catalysis. 

One mechanism  involved a cation (K+ or Na+) assisted pathway, whereby the cation was closely within 

the coordination sphere of the  iron‐amide and assisted  in H2 splitting. The second mechanism did not 

involve  any  cation  assistance, but  rather  involved  the  splitting of H2  across  a metal‐amide bond  and 

step‐wise, outersphere reduction of the ketone. It was also determined that the splitting of H2 was the 

Page 155: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

131  

most energetically  intensive step,  indicating that H2 splitting  is the rate‐determining step (RDS)  in both 

calculated mechanisms.  

With  two  energetically  viable mechanisms  in hand, we once  again  turned  to NMR  spectroscopy  and 

catalysis  to  determine which mechanism was  taking  place.  1H NMR  spectroscopy  indicated  that  the 

trans‐hydrides were inequivalent, which supports either the presence of an NH or an iron‐amide with a 

tightly bound cation, found in the two pathways investigated by DFT. Cryptands are widely used for the 

sequestration of metal cations from reaction solutions,41 and we therefore hypothesized that if the first 

mechanism was occurring, the addition of a cryptand would pull the metal cation away from the active 

catalyst  and  catalysis  would  be  significantly  slowed  or  stopped.  To  test  this,  we  used  our  in  situ 

generated catalysts activated by KOtBu and added 1.1 equivalents of 2,2,2‐cryptand42 with  respect  to 

KOtBu,  to  the  reaction solution  following activation. Conversion of acetophenone was complete  in 15 

minutes, indicating that the cryptand had no effect on catalysis, and providing evidence that the cation‐

assisted mechanism calculated by DFT  is not occurring  in this system. To  further support this, we also 

tested our pre‐synthesized methoxide complex (11) (which has most metal salts removed from filtration 

and 12‐crown‐4 workup) for catalysis with base and 2,2,2‐cryptand. Once again, catalysis was complete 

in less than 15 minutes, indicating that a cation‐based mechanism was not occurring. 

Therefore, we propose  that  the mechanism  shown  in  Figure 5.31  is most  likely  to be occurring with 

these systems. This mechanism  indicates that H2 splitting  is  the RDS, which  is consistent with  the  fact 

that  higher  pressures  than  1  atm  H2  (g)  is  needed  for  catalytic  turnover.  We  were  able  to  show 

experimentally that dihydride formation can occur with NaOMe (and therefore H2 splitting) but catalytic 

turnover does not, which seems contradictory to the results that the RDS  is H2 splitting. This suggests 

that solution hydrogen ion activity (pKa) plays a role in catalytic turnover, as well as catalyst activation, 

however  the  exact  role  of  basicity  is  still  unknown  and  under  active  investigation  in  our  group.  The 

presence of a reactive 5‐coordinate amide in this mechanism is also supported by a recent development 

by  Jones  and  coworkers  who  were  able  to  crystallographically  characterize  a  highly  reactive 

Fe(PNP)(CO)H  amide  complex  during  the  dehydrogenation  and  hydrogenation  of  N‐heterocycles, 

supporting that this route is experimentally viable.23  

Page 156: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

132  

 

Figure 5.31: Free energy profile of the amino metal hydride catalytic pathway. 

5.3.2 Modifying the Catalyst Chirality 

Following  the  successful  synthesis,  mechanistic  investigation,  and  catalytic  testing  of  the  [Fe(P‐N‐

P’)(CO)2Br][BF4]  systems  originally  developed,  we  were  interested  in  broadening  the  scope  of  the 

catalyst architecture and probing the effect of ligand chirality (both number of chiral sites and sterics of 

chiral  groups),  size  and  flexibility.  We  were  also  interested  in  introducing  an  N‐H  into  the  ligand 

backbone as DFT and NMR studies suggested that an N‐H was likely involved in catalysis. As outlined in 

Scheme 5.15,  the precatalysts are  formed using an  iron‐assisted  template  reaction of a phosphonium 

dimer10,43 and a chiral PN‐ligand under a CO (g) headspace,13 followed by halide abstraction and carbonyl 

ligand substitution using AgBF4 also under CO (g)36 to yield the trans‐[Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4] catalysts. 

Unlike  the Milstein  system  discussed  previously18 where  a  trans‐Fe(P‐N‐P)(CO)Br2  complex  could  be 

isolated and used to form the reactive iron‐hydride species, a mixture of cis‐ and trans‐bromide species 

were  isolated using our P‐N‐P’  template approach. To avoid  the  two  isomer problem, we applied  the 

approach developed by Kirchner and co‐workers.36 His group also isolated a mixture of isomers using his 

pincer ligands on iron,44,45 but found that the use of AgBF4 allowed for the clean formation of a trans‐CO 

dicarbonyl complex as the sole isomer. This selectivity was shown to arise from the addition of CO to the 

Page 157: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

133  

coordinatively  unsaturated  [Fe(P‐N‐P)(CO)Br]+  complex  (formed  from  the  loss  of  one  Br‐  to  Ag+)  to 

selectively  form  the  trans‐carbonyl  complex.  In  Kirchner  and  coworkers’  report,  the  yields  of  these 

reactions  are  significantly  improved  when  done  under  a  CO  (g)  atmosphere,  suggesting  that  the 

resultant  transient  Fe(P‐N‐P)Br+  is  able  to  rapidly  bind  another  CO  ligand  and  continue  the  cycle  of 

intermolecular transfer. We propose that this same reaction selectivity is taking place with our Fe(P‐N‐

P’)(CO)Br2  isomers,  resulting  in  the  clean  formation  of  precatalysts mer‐trans‐Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br+,  as 

shown in Scheme 5.15. 

H2NPPh2

R'

+PR2

R2P OH

HO

[Br]21) FeBr2, THF

CO, 5 h2) AgBF4, DCM

CO, 30 min

0.5

PR2

N PPh2

Fe

BrCO

CO

R'[BF4]

R''

R''

(10a) R = iPr, R' = R" = H, 83% yield(10b) R = Cy, R' = R" = H, 89% yield(S,S)-(10c) R = Cy, R' = Me, R" = Ph, 82% yield(S)-(10d) R = Cy, R' = Ph, R" = H, 86% yield(S)-(10e) R = Cy, R' = CH2Ph, R" = H, 84% yield(S)-(10f) R = Cy, R' = iPr, R" = H, 78% yield

 

Scheme 5.15: Synthesis of [Fe(P‐N‐P)(CO)2Br][BF4] catalysts (10a‐f). 

During previous studies35 phosphonium dimers bearing either iPr, Cy or Ph substituents, and PN‐ligands 

(achiral R’ = R” = H or chiral R’ = Me, R” = Ph) were used to develop a series of  iron complexes, which 

were  then  tested.  It was  found  that  either  iPr  or  Cy  substituents  on  the  initial  phosphonium  dimer 

species  yielded  comparably  active  catalysts,  while  complexes  with  Ph  substituents  were  inactive. 

Therefore, further studies employed the phosphonium dimer bearing cyclohexyl groups on phosphorus 

as  this  is  significantly  cheaper  than  the  iPr  variant.  For  the direct hydrogenation of acetophenone at 

50oC and 5 atm H2, achiral catalysts (10a) and (10b) achieved turnover frequencies (TOF) of 1980 h‐1, and 

the chiral catalyst (S,S)‐(10c) achieved TOF of 1980 h‐1 with an e.e. of 80% (S). As discussed previously, 

the precatalysts must be activated prior to use in catalysis. To do this, precatalysts are first treated with 

LiAlH4  in  THF under  an  inert  atmosphere,  followed by  addition of  alcohol,  typically  tert‐amyl  alcohol 

(tAmOH). These activated iron solutions, containing Fe(P‐NH‐P’)(H)(OR)(CO) as discussed previously, are 

injected into a pre‐heated and pressurized Parr reactor with base and substrate, to yield an active trans‐

Page 158: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

134  

Fe(P‐NH‐P’)(H)2(CO) complex. Keeping this activation process in mind, we were interested in developing 

a new series of catalysts that employed a cheaper and more variable chiral centre(s). 

The  chirality  in  the  previously  developed  system  was  derived  from  phenylpropanolamine,  or 

norephedrine, which  is a controlled substance, and very expensive. We therefore turned our attention 

to amino acids as a potential source of chirality, as they are more cost efficient. The synthesis of chiral‐

PN  ligands  from  amino  acids  is  well  known,46‐51  and  we  chose  to  study  valine,  phenylglycine,  and 

phenylalanine as sources of iPr, Ph and CH2Ph chiral groups, respectively. The steps for the formation of 

chiral PN‐ligands  from amino acids are shown  in Scheme 5.16 and given  in detail  in  the experimental 

section. The amino acid is first reduced with LiAlH4 to yield the amino alcohol, followed by protection of 

the nitrogen with  a BOC group  to prevent unwanted  side  reactions. The  alcohol  is  then  tosylated  to 

allow for a facile substitution with potassium diphenylphosphide. The  last step  involves the removal of 

the BOC protecting group with strong acid to yield the chiral PN compound with overall yields of 20‐30% 

from the amino alcohol. 

 

Scheme 5.16: Synthetic pathway for the formation of chiral PN complexes (14d‐f). 

With  three new  chiral PN‐ligands  (S)‐(14d‐f)  in hand, we  followed  the procedure outlined  in  Scheme 

5.15 to generate precatalysts (S)‐(10d‐f). All three new complexes were fully characterized by NMR, MS, 

EA and IR, and in the case of (10d), by single crystal X‐ray diffraction (Figure 5.32). The new complexes 

are structurally similar to the previously reported precatalysts (10b) and (10c), with 31P {1H} NMR shifts, 

2JPP  coupling  constants, and  IR  ν(CO)  stretching  frequencies,  in wavenumbers,  shown  in Table 5.7. All 

carbonyl IR stretching frequencies are within the range of 2000‐2010 cm‐1 for the trans‐CO ligands, and 

all 2JPP couplings are within the range of 81‐85 Hz for the trans‐31P nuclei of the P‐N‐P ligand, indicative 

of the mer‐conformation of the pincer ligand about the catalyst, as observed in the crystal structures of 

(10a‐c)35 and (10d). Relevant bond  lengths and angles for (10d) are given  in Figure 5.32, and are quite 

similar  to  the values obtained  in previous  systems.  In  the pincer  ligand, N(1)‐C(2) and N(1)‐C(3) bond 

Page 159: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

135  

lengths of 1.286(11) and 1.511(7) Å,  respectively, demonstrate  that  the  ligand does  contain an  imine 

group. The P‐Fe‐P bond angle  is 170.25(7)o and  the CO‐Fe‐CO bond angle  is 172.5(4)o,  indicative of a 

slightly distorted octahedral complex. 

 

Figure 5.32: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of precatalyst (10d). Hydrogen atoms of Ph and Cy 

groups removed for clarity, as is the BF4 counterion. Selected bond lengths (Å) and angles (deg): Fe(1)‐P(1): 2.245(2); Fe(1)‐

P(2):  2.277(2); Fe(1)‐N(1):  1.998(5); Fe(1)‐Br(1):  2.473(1); N(1)‐C(2):  1.286(8); N(1)‐C(3): 1.511(7):  O(1)‐C(11):  1.13(1); O(2)‐

C(12):  1.044(8); P(2)‐Fe(1)‐P(1):  170.25(7); C(11)‐Fe(1)‐C(12):  172.5(4). 

Page 160: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

136  

Table 5.7: Comparative 31P {1H} NMR shifts, 2JPP coupling constants and IR v(CO) stretches for Precatalysts (10b‐f). 

Precatalyst  31P {1H} NMR Shifts 

(ppm)a 

2JPP Coupling 

Constants (Hz) 

IR ν(CO) 

(cm‐1)b 

(10b)  70.8 (d) and 45.7 (d)  85.0  2005 

(10c)  69.2 (d) and 67.8 (d)  81.0  2000 

(10d)  66.8 (d) and 39.4 (d)  81.6  2009 

(10e)  64.2 (d) and 42.6 (d)  82.1  2004 

(10f)  63.3 (d) and 46.3 (d)  81.6  2006 

a Solvent = THF‐d8; b KBr disk 

5.3.3 Catalytic Asymmetric Hydrogenation of Acetophenone 

With  new  precatalysts  in  hand,  we  were  interested  in  testing  their  catalytic  activity  for  the  direct 

hydrogenation of  acetophenone  to  chiral 1‐phenylethanol using  the previously  established  activation 

methodology (LiAlH4, tAmOH, base). (10b) and (10c) both achieved TOFs of 1980 h‐1 and (10c) achieved 

an e.e. of 80% at 50oC and 5 atm H2. Under the same conditions, (10d) achieved a TOF of 920 h‐1 and an 

e.e. of 55%, whereas  (10e) was slower and  less selective achieving TOF of 460 h‐1 and an e.e. of 13%. 

(10f) was  significantly  less  active  achieving  TOF of  250  and  an  e.e. of  74%, however  20  atm H2 was 

required for reproducible results. We are currently unsure as to why the activity drops so significantly on 

going from (10b) (achiral) or (10c) (two chiral centres) to (10d‐f) (one chiral centre). We postulate that it 

may have to do with PN‐backbone flexibility; in (10c) the two centres lock the orientation of the PN due 

to  interactions and steric repulsions of the Me and Ph groups, whereas  in (10d‐f) with the single chiral 

site,  the  backbone  is  not  as  rigid.  In  addition,  the  Ph,  CH2Ph  and  iPr  groups may  induce  structural 

changes  (puckering,  folding, etc.) away  from  the optimal catalytic structure due  to repulsion  from  the 

rest of the P‐N‐P’ ligand (or P‐NH‐P’ ligand that forms after the activation of the catalyst). In the achiral 

case  (10b),  there  are no  chiral  centres  to  lock  the  ring, however  there  also  aren’t  functional  groups 

disrupting  the structure,  therefore  it  is  less  rigid, but also  less  likely  to pucker. This also supports  the 

activity  trend  that  (10d)  is more  active  than  (10f), whereby  the  bulkier  ‐iPr  side  group  has  a more 

pronounced, negative effect on the activity of the catalysts than the less bulky and more rigid –Ph group 

of  (10d).  The  rigidity  argument  also  supports  that  (10d)  is more  active  than  (10e), which  contains  a 

floppier –CH2Ph group. The next point to address is the effect of changing the chiral centres on the e.e. 

of the reaction. As would be expected, on changing from two chiral centres in (10c) to one in (10d‐f) we 

Page 161: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

137  

saw  a  fairly  large  drop  in  e.e.,  likely  caused  by  the  less  rigid  backbone  structure.  Also  as would  be 

predicted, the e.e. is higher for the more sterically bulky system for the –iPr group (10f) than in the –Ph 

and –CH2Ph systems. 

Table  5.8:  Catalytic  activity  and  selectivity  for  the  ADH  of  acetophenone  to  1‐phenylethanol  at  50oC. 

Ph

O

Ph

OH

0.2 mol % Precatalyst

1.2 mol % LiAlH4

xs tAmOH

2.0 mol % KOtBu

THF, 50oC, H2  

Precatalyst  Pressure H2 (atm)  TOF (h‐1)  e.e. (%) 

(10a)  5  1980  n/a 

(10b)  5  1980  n/a 

(S,S)‐(10c)  5  1980  80 (S) 

(S)‐(10d)  5  920  55 (S) 

(S)‐(10e)  5  460  13 (S) 

(S)‐(10f)  25  250  74 (S) 

(20)  25  800  n/a 

5.3.4 Synthesis of Fe Complexes Bearing Multiple Stereogenic Centres 

This significant  influence on both activity and selectivity seen on going from two chiral centres to one 

prompted us to investigate other possible PN‐ligands bearing two chiral centres. Given our tremendous 

success with the diphenylethylene diamine (dpen) backbone in our ATH Fe‐(P‐N‐N‐P) catalysts,6,15,52 we 

were interested in developing PN‐ligands bearing this type of functionality. Using commercially available 

(1R,2S)‐2‐amino‐1,2‐diphenylethanol,  the  aminophosphine  compound  (1S,2S)‐2‐(diphenylphosphino)‐

1,2‐diphenylethanamine  (14g),  can  be  synthesized  in  an  overall  37%  yield  employing  the  process 

previously developed by Guo et. al.53 and depicted  in  Scheme 5.17. To  summarize,  the amine  is  first 

protected with a BOC group to prevent unwanted side reactions with the primary amine functionality, 

followed by cyclisation using thionyl chloride to form a sulfamidite. This could then be oxidized to the 

sulfamidate  using  a  catalytic  amount  of  RuCl3‐nH2O  and  sodium  periodate.  Then,  using  potassium 

diphenylphosphide, the sulfamidate can be ring opened in an SN2 fashion, reversing the chirality of the 

nearest  chiral  centre,  to  yield  the BOC‐protected PN‐ligand, which  can be  readily deprotected under 

strongly acidic conditions. 

Page 162: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

138  

 

Scheme 5.17: Synthetic pathway for the formation of the chiral PN compound (S,S)‐(14g). 

With  (S,S)‐(14g)  in  hand,  we  attempted  to  synthesize  the  corresponding  trans‐[Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br]+ 

complex  using  the  method  detailed  in  Scheme  5.15.  Unfortunately,  the  synthesis  was  not  as 

straightforward as was previously described, likely due to significant steric and electronic changes when 

the  diphenyl  backbone  is  used.  Using  a  wide  range  of  reaction  solvents  (THF,  MeOH,  acetone), 

temperatures  (0oC, room  temperature and reflux  (70oC)) and orders of reagent addition, we were not 

able  to  synthesize  the desired  complex, but  rather  isolated brown powders. Upon  crystallization and 

analysis using single crystal X‐ray diffraction, we were able to identify the major product of our reaction 

attempts as [Fe(PN)2(CO)Br][BF4] (15), as shown in Figure 5.33. 

Page 163: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

139  

 

Figure 5.33: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of [Fe(PN)2(CO)Br][BF4] (15). Hydrogen atoms of Ph 

groups and the BF4 anion are removed  for clarity. Selected bond  lengths  (Å) and angles  (deg): Fe(1)‐P(1): 2.2701(9); Fe(1)‐

P(1a):   2.2702(9); Fe(1)‐N(1):   2.045(3); Fe(1)‐N(1a): 2.045(3); Fe(1)‐Br(1):   2.451(2); Fe(1)‐C(3): 1.76(1); O(1)‐C(3):   1.17(1); 

P(1)‐Fe(1)‐P(1a):  172.20(5); N(1)‐Fe(1)‐N(1a): 92.1(2); P(1)‐Fe(1)‐N(1): 83.3(1). 

Interested  in the potential reactivity of this complex, we devised an alternative route to the clean and 

efficient synthesis of (15), depicted  in Scheme 5.18. Using two equivalents of (14g) with FeBr2 under a 

CO  (g) atmosphere,  followed by salt metathesis with NaBPh4, we were able  to  isolate the BPh4 salt of 

(15) as a clean brown powder that could be characterized by NMR, MS, IR and, upon recrystallization, by 

single crystal X‐ray diffraction. Complex (15) exhibited a much lower ν(CO) than (10) at 1944 cm‐1 versus 

2000‐2010 cm‐1,  indicative of a more electron donating trans N‐group versus the trans‐CO  in (10). The 

31P {1H} NMR spectrum exhibited two doublets at 84.6 and 76.6 ppm with 2JPP = 145.8 Hz, larger than the 

81‐85 Hz observed  for  (10), but  still  indicative of  trans‐phosphorus donors and  therefore mer‐P‐N‐P’. 

The P‐Fe‐P bond angle is 172.20(5)o, slightly greater than the ~170o angle in (10), while the Fe‐P and Fe‐

N bond  lengths are  similar. As would be expected  from  the  IR  ν(CO) difference,  the C‐O bond of  the 

carbonyl  in (15)  is  longer than that of (10); 1.169(12) Å  in (15) versus 1.126(11) and 1.044(8) Å  in (10), 

indicative of more electronic back donation into the carbonyl antibonding orbital in the new system. 

Page 164: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

140  

 

Scheme 5.18: Synthesis of [Fe(PN)2(CO)Br][BPh4] (15). 

Still  intent on generating the corresponding [Fe(P‐N‐P)(CO)2Br]+ complex with the 1,2‐diphenylethylene 

backbone, we attempted to react (15) with phosphine‐aldehyde and CO (g) under varying conditions to 

synthesize  the  desired  complex. We were  still  unable,  however,  to  generate  the  target  precatalyst. 

Given the presence of two chiral centres, potential structural rigidity due to steric repulsion of the two 

chiral centres, and varied electronics of (14g), we hypothesize that if such a precatalyst could be formed, 

it  is  likely  that  it would  be  both  quite  active  and  selective  for  direct  hydrogenation  of  polar  double 

bonds, and therefore further attempts to synthesize this elusive complex are still underway. 

Although (15) does not possess the initially desired structure, we were interested in whether it could be 

catalytically active. Unfortunately, under pressures of up to 25 atm H2 and temperatures of up to 50oC 

we  saw  no  conversion  of  ketones  or  imines  to  their  corresponding  alcohols  or  amines.  Given  the 

structural similarities of our new iron system to our [Fe(P‐N‐N‐P)(CO)Br]+ TH catalysts,6,10,12 we were also 

interested  in  the  hydrogenation  of  ketones  or  imines  using  isopropanol  as  the  proton  and  hydride 

source. Unfortunately, the system was once again inactive for TH catalysis. In our previous iron catalysts, 

the P‐N‐N‐P ligand was always planar, whereas the two PN‐ligands of (15) are not in a plane, which may 

block access to catalytically active states or sites. It is also worth pointing out, that with the tetradentate 

system, a variant of the catalyst was made where there were amine  linkages, [Fe(P‐NH‐NH‐P)(CO)Br]+. 

This system was found to be significantly less active than its diimine counterpart.8 This may help explain 

why our system, which contains NH2 groups, was not catalytically active. 

   

Page 165: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

141  

5.3.5 Changing the Catalyst Structure Using 6,5‐(P‐N‐P) Ligands 

Given  that  catalysis  and  enantioselectivity  appeared  to  be  strongly  influenced  by  the  structure  and 

flexibility of  the P‐N‐P pincer  ligand, we chose  to explore a new class of  ligands on  iron with a  larger 

ligand architecture. As discussed  in previous  chapters, our group has developed  three generations of 

iron‐(P‐N‐N‐P)  catalysts  for  use  in  hydrogenation.6,10,11  All  catalyst  ligands  are  formed  via  the 

condensation  of  a  diamine with  phosphine‐aldehydes, much  like  the  formation  of  the  P‐N‐P  ligands 

previously discussed.  In  the  first  generation  TH  systems, o‐phenylene  linkers were utilized, making  a 

6,5,6‐ ring system around iron, as discussed in Chapter 2, which gave the ligand the flexibility to bend up 

and  form  the  ferraaziridine and  ferraaziridinido  species  (3) and  (4)  respectively.7,16  In  the  second and 

third generation P‐N‐N‐P catalysts, much  like  the P‐N‐P  systems discussed here, phosphonium dimers 

were  used  to  generate  smaller  phosphine‐aldehydes  in  situ,  that  gave  rise  to  5,5,5‐  ring  systems  on 

iron.6,10 These 5,5,5‐systems were rigid and prevented  the  folding of  the  ligand during TH catalysis.8,54 

Another interesting feature of the ligands in the different generations was the fact that the 6,5,6‐(P‐N‐N‐

P) ligands could be made without the presence of iron, unlike the 5,5,5‐systems that required iron as a 

template. This made the reduction of the imine functionalities to amines feasible with the 6,5,6‐system, 

allowing for the introduction of an N‐H functionality.55‐57 

Combining  these concepts, we sought  to develop a new generation of P‐N‐P  ligands using  larger, and 

more flexible o‐phenylene linkers, as well as a related series of P‐NH‐P ligands, all of which were to be 

tested  for hydrogenation as  iron  catalysts. To  synthesize  the 6,5‐(P‐N‐P)  ligands, we applied a  similar 

methodology to that previously developed for the synthesis of P‐N‐N‐P  ligands;11,55‐58 the condensation 

of o‐(diphenylphosphino)benzaldehyde with PN‐ligands (14) in the presence of a drying agent, as shown 

in Scheme 5.19. Upon workup,  this preparation yielded a wide variety of  chiral P‐N‐P  ligands  (16),  in 

yields varying from 46‐75%. All of the compounds were characterized by NMR, MS and EA. In the NMR 

spectra,  1H chemical  shifts  for  the  imine  ranged  from 8.4‐9.0 ppm, and all  species  showed  two  sharp 

singlets  in the 31P NMR spectrum. (16a) has peaks at ‐13.2 and ‐19.5, (16c) at ‐8.1 and ‐14.5, (16d) at ‐

12.8 and  ‐22.9,  (16e) at  ‐14.1 and  ‐23.1, (16f) at  ‐13.3 and  ‐22.0 and  (16g) at  ‐7.2 and  ‐15.4 ppm. The 

achiral  ligand  (16a) was  synthesized and characterized previously by Bluhm et. al.59 who also made a 

large  series of  structurally  similar achiral  ligands  containing P, N, S, and O donor groups. All of  these 

pincer ligands were used in the synthesis of Cr(‘Y’N‘Z’)Cl3 systems, such as Cr(P‐N‐P)Cl3; these complexes 

in  turn were used  for  the oligomerization and polymerization of ethylene, as well as  for  the selective 

formation of 1‐hexene. Similar achiral P‐N‐N ligands have also been developed, where in the place of the 

Page 166: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

142  

diphenylphosphine moiety of the PN‐ligand, Wehman et. al. used a pyridine group, that allowed for the 

synthesis of  stable Pd(II) and Pd(0) P‐N‐N complexes.60 Kawamura et. al. published  the  synthesis of a 

chiral  P‐N‐P  ligand  derived  from  valine  that  is  similar  to  (16f)  that  contained  a  3,5‐di‐tert‐butyl‐

phenylene  linker  in  the  place  of  our  unfunctionalized  phenylene‐linker.61  They  used  this  ligand with 

copper  in  the asymmetric 1,4‐addition of diethylzinc  to 2‐cyclohexen‐1‐one, however,  the e.e. of  the 

resulting ketone was only moderate and activity was quite low.  

H

O

PPh2H2N

PPh2R1

Na2SO4

DCM, 24 hPPh2

N PPh2

R1R2

R2

(16a) R1 = R2 = H

(S,S)-(16c) R1 = Me, R2 = Ph

(S)-(16d) R1 = Ph, R2 = H

(S)-(16e) R1 = CH2Ph, R2 = H

(S)-(16f) R1 = iPr, R2 = H

(S,S)-(16g) R1 = R2 = Ph

+

 

Scheme 5.19: Condensation reaction of phosphine aldehyde with (14) to generate enantiopure P‐N‐P ligands (16). 

The next stage of our investigation was the synthesis of the corresponding series of P‐NH‐P ligands (17) 

as depicted in Scheme 5.20. It was previously reported that the P‐N‐N‐P ligands could be reduced in the 

presence  of  NaBH4  to  yield  the  corresponding  P‐NH‐NH‐P  ligands,  and  we  therefore  tested  this 

methodology first.8,55‐57 This was effective for the achiral system (17a), as was also reported by Bluhm,59 

who tested the chromium complex as discussed previously. The use of NaBH4 was also effective for the 

generation of  (17c), with  the Me/Ph PN‐backbone, however  (17d‐f) could not be effectively  reduced. 

Under  similar  reaction  conditions  and  times,  (16d‐f)  were  less  than  half  reduced  to  (17d‐f),  and 

prolonged exposure gradually led to decomposition and some ligand oxidation (some phosphine oxides 

were detected). To cleanly form (17d‐f), LiAlH4 was used, which allowed for the complete reduction of 

the imine bond in those cases. Therefore, the imine bonds of the ligands with a single chiral centre are 

more difficult  to  reduce, once again  supporting  the observation  that  these  systems have  significantly 

different  behaviour  than  the  achiral  and  norphedrine  derivatives.  The  P‐NH‐P  ligands  were  fully 

characterized  by  NMR, MS  and  EA.  1H  NMR  spectroscopy  showed  the  disappearance  of  the  imine 

proton, and  31P  {1H}  spectra once again exhibited  two  sharp  singlets  for  the  inequivalent phosphorus 

Page 167: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

143  

atoms. (17a) has peaks at  ‐16.1 and  ‐20.6, (17c) at  ‐11.2 and  ‐16.2, (17d) at  ‐16.4 and  ‐23.5, (17e) at  ‐

16.0  and  ‐23.4  and  (17f)  at  ‐16.1  and  ‐22.2  ppm. With  the  exception  of  the  achiral  P‐NH‐P  ligand 

developed  by  Bluhm,59  this  is  a  new,  and  novel  series  of  ligands.  Structurally  similar  P‐N‐N  ligands 

bearing an N‐H group have been developed and  studied extensively by Clarke and  coworkers  for  the 

direct and transfer hydrogenation of ketones using ruthenium.62‐64 They have also investigated the effect 

of varying the substituents on phosphorus,65 much like our group has done with our P‐N‐N‐P ligands,13,14 

to  improve the e.e. of the hydrogenation reactions. Furthermore, they explored the role of the N‐H  in 

catalysis  by  designing  a  series  of  P‐NR‐NR’2  ligands66  and  found  these  to  be  less  active  in  ketone 

hydrogenation  than  their  P‐NH‐NH2  counterparts,  indicating  the  importance of  the N‐H  in  the  ligand 

structure. 

 

Scheme 5.20: Reduction of P‐N‐P ligands (16) to form chiral P‐NH‐P ligands (17). 

Following the successful synthesis and characterization of a new library of P‐N‐P and P‐NH‐P ligands, we 

then  investigated  their  coordination  to  iron.  This was  initially probed using  [Fe(H2O)6][BF4]2  in MeCN 

under  ambient  conditions  under  an  inert  atmosphere  to  generate  the  corresponding  [Fe(P‐N‐

P)(NCMe)3][BF4]2  (18) and  [Fe(P‐NH‐P)(NCMe)3][BF4]2  (19) complexes, as depicted  in Scheme 5.21. The 

reactions were  very  clean  and most were  nearly  quantitative, with  yields  ranging  from  83‐99%.  The 

complexes with  imine  functionalities  (18) were  isolated as deep  red powders and  the complexes with 

the N‐H ligand (19) were isolated as bright pink‐purple powders.  

Page 168: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

144  

 

Scheme  5.21:  Synthesis of  [Fe(P‐N‐P)(NCMe)3][BF4]2  (18)  and  [Fe(P‐NH‐P)(NCMe)3][BF4]2  (19)  from  P‐N‐P  (16)  and  P‐NH‐P 

(17), respectively. 

All of  the new complexes were characterized using NMR, MS and EA  techniques, and  (18a) and  (18e) 

were characterized crystallographically as depicted  in Figure 5.34 and Figure 5.35, respectively. The 1H 

NMR spectra of (18) have singlets for the imine proton in the range of 7.9‐8.8 ppm, which are no longer 

present  in  (19),  indicating  that  the  imine  has  been  reduced.  31P  {1H} NMR  spectra  of  these  species 

proved  to be quite useful  for  their characterization, as  they exhibited  two doublets  in  the 40‐70 ppm 

range with 2JPP in the range of 138‐152 Hz. Complex (18) had slightly larger 2JPP in the range of 149‐152 

Hz, versus  (19), which were  in  the  range of 138‐142 Hz.  In  the  31P NMR  spectra, complexes with  two 

chiral  centres  exhibited distinctly different doublets, whereas  the doublets  for  the  complexes with  a 

single chiral centre exhibited a slight roofing effect (2nd order patterning). The achiral complexes, on the 

other hand, demonstrated extreme  second order patterns. Crystal  structures of  (18a) and  (18e) were 

quite  similar  in  terms of common bond  lengths and angles. The  imine C=N bond  for both was 1.279‐

1.291 Å long, indicative of a C‐N double bond, in comparison to the other side of the ligand which had C‐

N bonds with lengths of 1.485‐1.495 Å, indicative of a C‐N single bond. 

Page 169: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

145  

 

Figure 5.34: Molecular structure  (thermal ellipsoids at 30% probability) of precatalyst  (18a). Hydrogen atoms of Ph groups 

and  BF4  anion  are  removed  for  clarity.  Selected  bond  lengths  (Å)  and  angles  (deg):  Fe(1)‐P(1):  2.2732(8);  Fe(1)‐P(2):  

2.3044(8); Fe(1)‐N(1):  1.972(2); Fe(1)‐N(2):  1.922(2); Fe(1)‐N(3): 1.932(2); Fe(1)‐N(4): 1.907(2); N(1)‐C(7):  1.279(3); N(1)‐C(8): 

1.485(3): P(2)‐Fe(1)‐P(1):  173.82(3); N(1)‐Fe(1)‐P(1):  89.82(6); N(1)‐Fe(1)‐P(2): 84.76(6). 

Page 170: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

146  

 

Figure 5.35: Molecular structure  (thermal ellipsoids at 30% probability) of precatalyst  (18e). Hydrogen atoms of Ph groups 

and BF4 anion are removed for clarity. Selected bond lengths (Å) and angles (deg): Fe(1)‐P(1): 2.287(1); Fe(1)‐P(2):  2.256(1); 

Fe(1)‐N(1):  1.976(3); Fe(1)‐N(2):  1.896(4); Fe(1)‐N(3): 1.928(4); Fe(1)‐N(4): 1.925(3); N(1)‐C(3):  1.291(5); N(1)‐C(2): 1.495(5): 

P(2)‐Fe(1)‐P(1):  173.44(4); N(1)‐Fe(1)‐P(1):  84.32(9); N(1)‐Fe(1)‐P(2): 89.12(9). 

Following the development of a new library of chiral and achiral iron‐P‐N‐P and iron‐P‐NH‐P complexes, 

we  tested  (18)  and  (19)  for  various  types  of  catalysis.  Unfortunately,  neither  the  P‐N‐P  or  P‐NH‐P 

complexes were active  for  the direct or  transfer hydrogenation of ketones or activated  imines. Direct 

hydrogenation  trials were  conducted  at  50  oC  and  25  atm  H2,  employing  the  previously  developed 

LiAlH4/tAmOH/KOtBu activation process. A simplified process employing only KOtBu was tested as well. 

Transfer hydrogenation was tested  in an argon glovebox at 28 oC  in  iPrOH using KOtBu. Unfortunately, 

the hydrogenation of  ketones  to alcohols and  imines  to amines was not  successful under any of  the 

conditions explored. Given the success of our previously developed [Fe(P‐N‐N‐P)(NCMe)2][BF4]2 systems 

to dehydrogenate AB,67 as discussed in Chapter 4, we also tested the achiral complexes (18a) and (19a) 

for the catalytic release of H2. Unfortunately, these systems were once again inactive in the presence of 

base. Although straightforward to synthesize and handle, these systems appear to be too stable to be 

Page 171: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

147  

catalytically active  for  the  transformations we have explored, and a more complete  investigation  into 

potential applications of these systems is still required. 

The next phase of our investigation was to explore the newly developed ligand scaffolds using FeBr2 and 

CO (g) as has been previously discussed. Beginning with the achiral  imine  ligand (16a) we  investigated 

potential routes for synthesizing Fe(P‐N‐P)(CO)Br2 complexes. Stirring (16a) and one equivalent of FeBr2 

under N2  for 45 minutes,  followed by  rapid  freezing of  the  reaction  solution with  liquid nitrogen and 

atmosphere  evacuation,  along with  subsequent  introduction of CO  (g)  and  thawing,  led  to  the  clean 

formation of Fe(P‐N‐P)(CO)Br2 (20a) in 85% yield as a red‐orange powder. The complex (20a) could also 

be  synthesized  using  a  template  reaction with  FeBr2,  (14a)  and  o‐(diphenylphosphino)benzaldehyde, 

however, the product was more difficult to extract and purify because unidentified side products were 

also  forming. The structure of  (20a) was confirmed by X‐ray crystallography, as shown  in Figure 5.36, 

and the complex was fully characterized using NMR, IR, MS and EA. The imine proton was seen in the 1H 

NMR spectrum at 8.36 ppm, and  this was also confirmed by the crystal structure which had C(2)‐N(1) 

and C(3)‐N(1) bond  lengths of 1.489(3) and 1.283(3) Å corresponding to the C‐N and C=N bonds of the 

ligand backbone,  respectively.  In  the  IR  spectrum of  (20a),  the  carbonyl  stretching wavenumber was 

1961 cm‐1, much lower than that of (10a‐f) (2004‐2010 cm‐1) indicating a more electron rich iron centre 

than the trans‐dicarbonyl species. The inequivalent phosphorus atoms of the ligand appear as doublets 

in the 31P {1H} NMR spectrum at 44.0 and 39.6 ppm with a 2JPP = 216.9 Hz, indicative of trans‐phosphorus 

donors. This  implies a mer‐ geometry  for  the  ligand, as observed  in  the crystal structure, yielding  the 

overall  geometry  of  mer‐cis‐Fe(P‐N‐P)(CO)Br2  (bromides  cis).  Also  observed  in  the  31P  {1H}  NMR 

spectrum was a second set of doublets at 64.8 and 57.8 ppm with a 2JPP = 184 Hz. This was identified as 

the  trans‐Br  species  from  the  crystal  structure, present  in 8% based on  the  cis Br/CO disorder  in  the 

molecular structure. 

Page 172: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

148  

 

Figure 5.36: Molecular  structure  (thermal ellipsoids at 30% probability) of precatalyst  (20). Hydrogen atoms of Ph groups 

removed  for  clarity.  Selected  bond  lengths  (Å)  and  angles  (deg):  Fe(1)‐P(1):  2.2668(8);  Fe(1)‐P(2):    2.2653(8);  Fe(1)‐N(1):  

1.987(2); Fe(1)‐Br(1):   2.4821(5); Fe(1)‐Br(2): 2.4787(5); Fe(1)‐C(10): 1.776(4); N(1)‐C(2):   1.489(3); N(1)‐C(3): 1.283(3):   O(1)‐

C(10):  1.097(5); P(2)‐Fe(1)‐P(1):  174.36(3); C(10)‐Fe(1)‐Br(1):  178.2(1); Br(2)‐Fe(1)‐Br(1): 96.52(2).  

With  (20a)  in  hand, we  tested  the  direct  hydrogenation  of  ketones  using  the  LiAlH4/tAmOH/KOtBu 

process previously developed. At 50 oC and 5 atm H2 catalysis was slow and irreproducible. At 50 oC and 

25  atm H2,  catalysis with  a  ratio  of  (20a):KOtBu:acetophenone  =  1:13:500 was  80%  complete  in  30 

minutes, and 98% complete  in an hour, yielding a TOF of 800 h‐1. This  is  lower than the corresponding 

precatalysts  (10a) and  (10b), which exhibited TOFs of 1980 h‐1 under the milder H2 pressure of 5 atm. 

However, (20a) has diphenylphosphine groups on both sides of the P‐N‐P ligand, unlike (10a) and (10b) 

which have a diphenylphosphine group on one side and an alkyl substituted phosphorus donor on the 

other  side.  For  the  achiral  5,5‐(P‐N‐P)  iron  complex,  when  both  phosphorus  donors  were 

diphenylphosphine groups, the pre‐catalyst was completely inactive,35 indicating that the incorporation 

of the o‐phenylene  linker to generate a 6,5‐(P‐N‐P) system may have positively  influenced reactivity as 

targeted.  

Although previous investigations demonstrated that the various complexes (10d‐f) with one stereogenic 

centre yielded lower e.e. than the one with two (10c), we were interested in synthesizing and testing the 

Page 173: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

149  

complete series with the o‐phenylene  linker, as was done with (20a), to determine whether the same 

trends were maintained  on  changing  the  ligand  structure  and  flexibility. Unfortunately, we  ran  into 

difficulties  attempting  to  coordinate  our  pre‐synthesized  chiral  P‐N‐P  and  P‐NH‐P  ligands  to  FeBr2. 

Following  various methodologies  we  were  unable  to  isolate  Fe(P‐N‐P)(CO)Br2  or  [Fe(P‐N‐P)(CO)2Br]+ 

complexes bearing  the new  chiral  ligands developed. Using  in  situ  31P NMR  spectroscopy of  reaction 

solutions under a CO  (g) headspace we were able to detect a pair of doublets,  indicating that a single 

iron  species  was  forming,  however,  upon  workup,  decomposition  occurred.  Investigating  this 

decomposition  we  learned  that  the  iron  species  were  unstable  when  no  longer  under  a  CO  (g) 

atmosphere,  leading  to  the  formation  of  several  species,  some  of  which  were  paramagnetic,  as 

evidenced  by  the  highly  broadened NMR  spectra.  Confirming  the  presence  of  paramagnetic  species, 

Fe(PPh2C6H4CHNCHiPrCH2PPh2)Br2  crystallized  out  of  the  reaction  mixture  while  attempting  to 

synthesize  (20f)  and was  characterized  crystallographically,  as  shown  in  Figure  5.37.  The  complex  is 

trigonal bipyramidal with a much narrower P‐Fe‐P angle of 158.78(13)o versus the 170‐175o range seen 

with the previously characterized octahedral Fe(P‐N‐P) complexes. The Fe‐Br bonds are of comparable 

length to the previous complexes, however, the Fe‐N and two Fe‐P bonds are much longer: Fe(1)‐N(1) of 

2.249(10) versus 1.97‐2.04 Å and Fe(1)‐P(1) and Fe(1)‐P(2) of 2.620(4) and 2.500(3) versus 2.25‐2.30 Å. 

This  indicates a more weakly and  loosely bound  ligand  in this case, explaining why they decompose so 

readily. The imine moiety is maintained in the complex with C(6)‐N(1) and C(2)‐N(1) bonds of 1.298(17) 

and 1.482(16) Å for the C=N and C‐N bonds respectively. 

Page 174: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

150  

 

Figure 5.37: Molecular structure (thermal ellipsoids at 30% probability) of Fe(P‐N‐P)Br2 (iPr). Hydrogen atoms of Ph groups 

removed for clarity. Selected bond lengths (Å) and angles (deg): Fe(1)‐P(1): 2.620(4); Fe(1)‐P(2):  2.500(3); Fe(1)‐N(1):  2.25(1); 

Fe(1)‐Br(1):  2.453(2); Fe(1)‐Br(2): 2.377(2); N(1)‐C(2):  1.48(2); N(1)‐C(6): 1.30(2):  P(2)‐Fe(1)‐P(1):  158.8(1); Br(2)‐Fe(1)‐Br(1): 

122.3(1); N(1)‐Fe(1)‐P(1): 78.1(3); N(1)‐Fe(1)‐P(2): 80.8(3). 

The results discussed in this chapter raise more questions about what structural features are required to 

generate  highly  active  and  selective  iron  catalysts  for  direct  hydrogenation. More work  is  currently 

underway to further probe these systems, but is beyond the scope of this thesis chapter. For example, 

analogues of  the commercially available o‐(diphenylphosphino)benzaldehyde with PR2 groups  (R = Cy, 

iPr)  are  known,  and  can  be  used  to  generate  systems  like  (20a).  New  methodologies  need  to  be 

developed to synthesize a wider range of more rigid P‐N‐P and P‐NH‐P ligands and their iron complexes 

in order  to apply  these  in catalytic processes. These  ideas will be  further detailed  in Chapter 6  in  the 

Future Work section. 

   

Page 175: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

151  

5.4 Conclusions 

The activation process and mechanism of  catalysis of our  recently developed  [Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4] 

complexes was  studied  further. The alkoxide‐monohydride  complex  (11a), previously  identified as an 

intermediate  in  the  activation  of  the  catalyst  was  treated  with  base  and  H2  and  shown  by  NMR 

spectroscopy  to  form  a  trans‐dihydride  complex  (13)  that was  catalytically  active  towards  the  direct 

hydrogenation  of  ketones.  To  further  expand  the  range  of  available  pre‐catalysts, we  synthesized  a 

series of enantiopure PN‐ligands derived from amino acids. These were condensed with phosphonium 

dimers  and  used  to  synthesize mer‐trans‐[Fe(P‐N‐P)(CO)2Br][BF4]  complexes  (10d‐f)  derived  from  (S)‐

phenylglycine, (S)‐phenylalanine and (S)‐valine, respectively, which were shown to be catalytically active 

for the direct hydrogenation of ketones under mild conditions. The new systems were slower and  less 

enantioselective  than  the  original  catalyst,  which  contained  a  PN  moiety  derived  from  (S,S)‐

norephedrine (10c). This is likely due to increased flexibility of the ligand, and a reduction in the number 

of  stereogenic  substituents. Under  comparable  conditions  the  TOF  for  acetophenone  hydrogenation 

decreased as (10a‐c) (1980 h‐1) > (10d) (920 h‐`1) > (10e) (460 h‐1) > (10f) (250 h‐1) while the e.e of the (S)‐

1‐phenylethanol produced decreased as (10c) (80%) > (10f) (74%) > (10d) (55%) > (10e) (13%). 

 Given the subtle interplay of ligand rigidity, and the involvement of an N‐H in the ligand backbone in the 

reaction mechanism, we developed a new series of P‐N‐P and P‐NH‐P ligands with an o‐phenylene linker 

on  one  side  of  the  ligand  to  significantly  increase  ligand  flexibility.  This  new  library  of  ligands was 

coordinated  to  iron  to make  a  series of  [Fe(P‐N‐P)(NCMe)3][BF4]2  (18)  and  [Fe(P‐NH‐P)(NCMe)3][BF4]2  

(19)  complexes  that were  shown  to  be  quite  stable,  but  inactive  towards  hydrogenation  (direct  or 

transfer) and AB dehydrogenation. Lastly, we coordinated our achiral P‐N‐P ligand (16a) to FeBr2 under 

CO  (g)  to  generate  a  new  precatalyst  mer‐cis‐Fe(P‐N‐P)(CO)Br2  which  was  active  for  the  direct 

hydrogenation of acetophenone with a TOF of 800 h‐1 at 50 oC and 25 atm H2. Unfortunately the chiral 

variants of this system decomposed when removed from a CO (g) atmosphere. 

   

Page 176: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

152  

5.5. Experimental 

5.5.1 General Considerations 

All  procedures  and  manipulations  were  performed  under  an  argon  or  nitrogen  atmosphere  using 

standard Schlenk‐line and glove box techniques unless stated otherwise. All solvents were degassed and 

dried  using  standard  procedures  prior  to  all  manipulations  and  reactions  unless  stated  otherwise. 

Deuterated solvents were purchased from Cambridge Isotope Laboratories or Sigma Aldrich, degassed, 

and  dried  over  activated  molecular  sieves  prior  to  use.  All  other  reagents  were  purchased  from 

commercial  sources and utilized without  further purification. NMR  spectra were  recorded at ambient 

temperature and pressure using a Varian Gemini 400 MHz spectrometer (400 MHz for 1H, 100 MHz for 

13C, 376 MHz for 19F, and 161 MHz for 31P),  or an Agilent DD2‐600 MHz spectrometer (600 MHz for 1H, 

151 MHz  for 13C, 564 MHz  for 19F, and 243 MHz  for 31P) unless stated otherwise. The 1H and 13C NMR 

chemical shifts were measured relative to partially deuterated solvent peaks but are reported relative to 

tetramethylsilane  (TMS). All  31P chemical  shifts were measured  relative  to 85% phosphoric acid as an 

external  reference.  Gas  Chromatography  was  done  on  a  Perkin  Elmer  Clarus  400  Chromatograph 

equipped with a chiral column  (CP chirasil‐Dex CB 25 m x 2.5 mm)  to determine substrate conversion 

and enantiopurity. Hydrogen gas was used as the mobile phase, and the oven temperature was set at 

130°C.  Retention  times  for  phenylethanol  are  7.58  and  8.03 minutes,  and  for  acetophenone  is  4.56 

minutes.  All  of  the  hydrogenation  reactions  were  performed  in  a  50  mL  stainless  steel  Parr 

Hydrogenation  reactor  at  constant  temperatures  and pressures.  The  temperature was maintained  at 

50°C using a constant temperature water bath and was purged of oxygen by flushing the reactor several 

times  with  5  atm  of  H2  (g).  The  elemental  analyses  were  performed  on  a  Perkin‐Elmer  2400  CHN 

elemental analyzer.  Some complexes gave unsatisfactory carbon analyses but acceptable hydrogen and 

nitrogen content because of a combustion problem due to the tetrafluoroborate, hexafluorophosphate 

and tetraphenylborate anions, as previously reported  in the  literature.68 These complexes are denoted 

with ** following the EA results.  

5.5.2 Synthesis of Precatalysts for NMR Studies 

Iron precatalysts (10a,b,c) were generated according to the reported  literature procedure, as were the 

alkoxide mono‐hydride complexes FeH(OR’)(CO)(P‐CH2NH‐P′) (11), as shown in Figure 5.38.35  

Page 177: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

153  

 

Figure 5.38: 1H NMR spectrum  (600 MHz, THF‐d8) of methoxide‐hydride  (11a). Peaks:  ‐21.6  (dd) and  ‐22.7  (dd) ppm, 2JPH = 

52.0 and 56.4 Hz. 

5.5.3 Synthesis of trans‐dihydride complex (13) 

Following  the  same procedure as outlined  for  the alkoxide mono‐hydride  complexes  FeH(OR’)(CO)(P‐

CH2NH‐P′)  (11a)35  a  THF‐d8  solution  (0.6 mL)  of  the  complex was  transferred  to  a  Schlenk  flask  and 

exposed to hydrogen. After stirring under H2 (g) for 5 minutes, base (approx. 8 mg) was added in THF‐d8 

(0.3 mL)  and  stirred  under H2  (g)  for  30 minutes. Upon  addition  of  base,  the  bright  orange  solution 

rapidly  turned bright pink,  then dark green/brown. The  solution was  then  injected  into an NMR  tube 

filled with H2  (g) and analysed. Key NMR spectra are depicted  in Figure 5.39, Figure 5.40, Figure 5.41, 

Figure 5.42 and Figure 5.43. 

Page 178: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

154  

 

Figure 5.39: 1H NMR spectrum (500 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13). 

 

Figure 5.40: 1H NMR {31P‐fully decoupled} spectrum (500 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13). Peaks: ‐9.05 (d) and ‐9.16 (d) 

ppm, 2JHH = 9.8 Hz. 

Page 179: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

155  

 

Figure 5.41: Simulated 1H NMR spectrum of trans‐dihydride (13). Simulated using hydride shifts ‐9.05 and ‐9.16 ppm, 2JHH = 

9.8 Hz, 2JPP = 118.0 Hz, and 

2JHP = 42.0, 42.0, 43.0, and 43.0 Hz. 

 

Figure 5.42:31P {1H} NMR spectrum (202 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13) doublets at 118.0 and 95.8 ppm (2JPP = 118 Hz), 

cis‐dihydride doublets at 114.6 and 93.0 ppm (2JPP = 72.5 Hz) and Fe0 complex (12) at 102.8 and 81.5 ppm. 

Page 180: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

156  

 

Figure 5.43: 1H NMR spectrum (500 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13) at ‐9.1 ppm and cis‐dihydride at ‐8.1 and ‐20.6 ppm. 

To further remove the excess base, solutions were dried under reduced pressure, then benzene (3 mL) 

was added to the solution in a vial in a nitrogen filled glovebox. The solution was then filtered through 

Celite, dried, and put under H2 (g). To the dried solution, THF‐d8 (0.7 mL) was added and further stirred 

under H2 (g) for 10 minutes and analysed. 

For the chiral system (13c), a similar workup was undertaken starting from (10c). Key NMR spectra are 

depicted in Figure 5.44. 

 

Figure 5.44: 1H NMR spectrum (600 MHz, THF‐d8) of trans‐dihydride (13c) at ‐8.56 (ddd) and ‐8.94 (td) ppm  and  cis‐dihydride at ‐7.31 (ddd) and ‐21.0 (td) ppm. 

Page 181: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

157  

5.5.4 Hydrogenation Studies 

For preformed catalyst systems: Stock solutions of acetophenone (0.3 mL, 2.6 mmol) in THF (7 mL) were 

injected  into Parr reactors heated to 50 0C and pressurized to 5 atm H2 (g) against a flow of hydrogen. 

12‐inch  needles  equipped  with  1 mL  syringes  were  used  to  remove  THF‐d8  solutions  from  rubber‐

septum capped NMR tubes prepared above, and  injected  into the reactors against a flow of hydrogen. 

At set times, small amounts of sample were removed from the reactor using a needle and syringe under 

a flow of hydrogen and injected into the Gas Chromatograph for analysis. 

For  in  situ  generated  systems:  In  an  argon  filled  glovebox,  a  vial was  charged with  [Fe(CO)2(Br)(P‐N‐

P′)][BF4] (5 mg, 0.006 mmol) and 3 mL THF.  To this solution, 0.05 mL of LiAlH4 (1.0 M in THF) was added 

and the color of the solution immediately changed from pink to dark brown.  After stirring for 5 minutes, 

2‐methyl‐2‐butanol  (0.5  mL)  was  added  and  the  solution  was  allowed  to  stir  for  an  additional  10 

minutes.  The solution was transferred to a syringe equipped with a 12 inch needle.  The same vial was 

then charged with acetophenone (0.35 mL, 3.0 mmol) and 3 mL THF.  The solution was taken up into the 

same  syringe  that  already  contained  the  precatalyst  solution  and  stoppered.  In  a  second  syringe 

equipped  with  a  12  inch  needle,  a  solution  of  base  (0.08  mmol)  in  3  mL  THF  was  taken  up  and 

stoppered. Both syringes were removed from the glovebox and injected into Parr reactors heated to 50 

0C and pressurized  to 5 atm H2  (g) against a  flow of hydrogen. At set  times, small amounts of sample 

were removed from the reactor using a needle and syringe under a flow of hydrogen and injected into 

the Gas Chromatograph for analysis. 

For  cryptand addition experiments: a  third  syringe equipped with a 12‐inch needle was  charged with 

2,2,2‐cryptand  (36 mg, 0.095 mmol)  in 0.8 mL THF and stoppered. This solution was  injected  into  the 

Parr reactor 2 minutes after the addition of the catalyst/acetophenone and base solutions, and run the 

same as discussed above. 

5.5.5 Synthesis of PN Precursors (14defg) 

Many of  these  individual  steps are published elsewhere,46‐51,53  so  the  series of  steps  required  for  the 

generation of the various PN‐ligands illustrated in Scheme 5.16 and Scheme 5.17 are briefly summarized 

here: 

For (14d‐f), illustrated with (14d): 

Page 182: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

158  

BOC‐Protection: Following a LiAlH4 reduction of commercially available amino acids,69 the corresponding 

amino  alcohols  were  purified  using  a  short  silica  plug  to  remove  alumina‐containing  impurities. 

Phenylglycinol (2.7 g, 20 mmol) was dissolved in 60 mL DCM and NEt3 (2.8 mL, 21 mmol), then cooled to 

0oC. To  the cooled  solution,  (Boc)2O  (4.6 g, 21 mmol)  in 10 mL DCM was added and  stirred  for 18 h, 

being allowed to slowly warm to RT. 80 mL H2O was added and allowed to stir for a further 0.5 h and 

then  the  organics were  collected,  and  the  aqueous  phase was washed with  DCM  (2  x  50 mL).  The 

organics were  combined, washed with  brine  (2  x  70 mL)  and H2O  (70 mL),  then  dried with Na2SO4, 

filtered and dried under reduced pressure to yield a white solid. 

Tosylation: The white solid (BOC‐protected) (5.0 g, 21.5 mmol) was dissolved in 120 mL DCM and NEt3 (7 

mL, 54 mmol), then cooled to 0oC. To the cooled solution, TsCl (5.0 g, 26 mmol) was added and stirred 

for 18 h, being allowed to slowly warm to RT. 100 mL H2O was added and allowed to stir for a further 1 h 

and then the organics were collected, and the aqueous phase was washed with DCM (2 x 70 mL). The 

organics were combined, washed with brine (2 x 70 mL), aqueous NH4Cl (2 x 70 mL) and H2O (2 x 70 mL), 

then dried with Na2SO4, filtered and dried under reduced pressure to yield a white solid. 

Phosphide Reaction: All steps of  this synthesis were conducted using an  inert argon atmosphere.  In a 

flask KPPh2 (from 2 g HPPh2 and 450 mg KH – 10 mmol) was dissolved in 70 mL THF and transferred to a 

Schlenk line. The solution was cooled to ‐40oC and the white solid (tosylated product) (2 g, 5 mmol) in 25 

mL dry THF was added dropwise to the cooled solution. The solution was stirred at ‐40oC for 6 h, then 

warmed to RT and stirred for 10 h, then dried under reduced pressure to yield a bright orange residue. 

In  a  nitrogen  filled  glovebox,  the  residue  was  quickly  dissolved  in  70 mL  pentane,  and  the  excess 

phosphide was quenched dropwise with ~3 mL MeOH. The white KOMe by‐product was filtered off and 

the solution was concentrated to half volume. The solution was then placed in a freezer for 0.5 h, and a 

white powder was collected and dried. 

BOC Deprotection:  (*inert atmosphere) The white  solid  (from phosphide  reaction)  (0.68 g, 1.7 mmol) 

was dissolved  in 30 mL distilled DCM and cooled to 0oC. To the cooled solution, CF3CO2H (5.5 mL) was 

added dropwise and the solution was stirred at 0oC for 1 h then RT for 14 h, before being quenched with 

40 mL degassed H2O. Then, the organics were collected and the aqueous phase was extracted with DCM 

(2 x 20 mL). The organics were  combined and washed with NaHCO3  (30 mL) and water  (50 mL). The 

solution was dried with Na2SO4, filtered, and dried under reduced pressure, to yield an off‐white solid. 

Overall Yield  from phenylglycinol   = 27%. Characteristic 31P  {1H} NMR peaks at  ‐22.0  (14d),  ‐22.5  (14e) 

and ‐21.7 (14f) ppm. 

Page 183: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

159  

For (14g):  

BOC‐Protection: To a  flask containing commercially available (1R,2S)‐(‐)‐2‐amino‐1,2‐diphenylethanol (3 

g, 14 mmol) and sodium carbonate  (3.5 g, 33 mmol), 60 mL THF and 30 mL H2O were added and  the 

solution was cooled to 0oC under air. To the cooled solution, (Boc)2O (3.5 g, 16 mmol) in 15 mL THF was 

added. The solution was stirred at 0oC for 1 h, then RT for 3 h, before 60 mL H2O was added and stirred 

for  an  additional 0.5 h.  The organics were  collected,  and  the  aqueous phase was washed with  ethyl 

acetate (2 x 50 mL). The organics were combined, washed with brine (2 x 70 mL) and H2O (70 mL), then 

dried with MgSO4, filtered and dried under reduced pressure. To the residue, 18 mL of DCM was added 

to partially dissolve the residue, followed by 150 mL of hexanes. The slurry was stirred for 18 h and the 

white solid was collected by filtration and dried under reduced pressure to yield a pure, white solid. 

Cyclisation: The resultant white powder (3.9 g, 12 mmol) was dissolved in 110 mL of DCM and NEt3 (5.2 

mL, 51 mmol), and the solution was cooled to ‐40oC. To the cooled solution, SOCl2 (1.5 mL, 13 mmol) in 9 

mL DCM was added and the cooled solution was stirred for 1.5 h. It was then quenched with 8 mL H2O, 

warmed to RT, and the organics were extracted. The aqueous phase was washed with DCM (2 x 30 mL), 

then  the organics were combined and washed with brine  (2 x 70 mL) and water  (70mL). The solution 

was then dried with MgSO4, filtered and dried under reduced pressure to yield the crude residue. 

Oxidation:  The  crude  residue  from  cyclisation  (4.4  g,  12 mmol) was dissolved  in  25 mL DCM,  40 mL 

MeCN and 50 mL H2O then cooled to 0oC before RuCl3‐nH2O (26 mg) was added. NaIO4 (4 g, 19 mmol) 

was added in portions and the solution was stirred at 0oC for 1 h, then RT for 1.5 h. The organics were 

collected,  and  the  aqueous phase was washed with  ether  (2  x  40 mL).  The  combined organics were 

washed with brine (2 x 70 mL) and water (30mL), then the solution was dried with MgSO4, filtered and 

the solvent was removed under reduced pressure. The residue was dissolved in 8 mL of DCM and stirred 

with 100 mL of hexanes for 5 hours, to yield a white solid that was collected by filtration and dried under 

reduced pressure to yield a pure, white solid. 

Phosphide Reaction: All  steps of  this  synthesis were conducted using an  inert argon atmosphere. The 

white solid (from oxidation) (3 g, 8 mmol) was dissolved  in 40 mL dry THF and cooled to  ‐78oC. To the 

cooled solution, KPPh2 (from 1.7 g HPPh2 and 400 mg KH – 8.5 mmol) in 20 mL THF was added dropwise, 

and the solution was stirred at ‐78oC for 1.5 h, then RT for 18 h. To quench the excess phosphide, 25 mL 

degassed  brine  and  2.5 mL  2N  H2SO4  (degassed) were  added  and  the  solution was  stirred  for  1  h. 

Degassed aqueous Na2CO3 (~10 mL) was added to make the solution slightly basic, and then the organics 

Page 184: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

160  

were  collected.  The  aqueous  phase  was  extracted  with  15  mL  DCM,  and  then  the  organics  were 

combined and washed with brine  (2 x 30 mL) and water  (20 mL). The solution was dried with MgSO4, 

filtered,  and  the  solvent  removed under  reduced pressure.  To  the  residue, 10 mL MeOH  and 10 mL 

MeCN were added and stirred for 4 h. The slurry was cooled in the freezer for 1 h, then the white solid 

was collected and dried under reduced pressure. 

BOC Deprotection: (*inert atmosphere) The white solid (from phosphide reaction) (3 g, 6.2 mmol) was 

dissolved  in 25 mL distilled DCM and cooled to 0oC. To the cooled solution, CF3CO2H (7 mL) was added 

dropwise and the solution was stirred at 0oC for 1 h then RT for 4 h, before the solvent was removed 

under reduced pressure. The residue was dissolved  in 25 mL DCM, neutralized with degassed aqueous 

Na2CO3 (~25 mL), and the organics were collected. The aqueous phase was extracted with 15 mL DCM, 

and  then  the  organics were  combined  and washed with  brine  (2  x  25 mL)  and water  (25 mL).  The 

solution was dried with MgSO4, filtered, and the solvent was removed reduced pressure, to yield an oily 

solution  that  solidified  to  a white  solid  upon  standing.  Yield  =  2  g  =  37%  overall  (from  (1R,2S)‐(‐)‐2‐

amino‐1,2‐diphenylethanol). Characteristic 31P {1H} NMR peak at ‐8.3 ppm. 

5.5.6 Synthesis of mer‐trans‐[Fe(Br)(CO)2(P‐N‐P′)][BF4] precatalysts (10d‐f) 

General Synthesis:  In a nitrogen  filled glovebox, dicyclohexylphosphonium dimer  (0.05 g, 0.078 mmol) 

and potassium  tert‐butoxide  (0.018 g, 0.16 mmol) were stirred  in 8 mL THF  for 10 minutes  to yield a 

cloudy white solution. To this solution PN‐ligand (14d‐f) (0.16 mmol) and FeBr2 (0.05 g, 0.23 mmol) were 

added, yielding a pale yellow solution, and the flask was transferred to a Schlenk line and put under a CO 

(g) atmosphere. Immediately upon exposure the solution turned purple. The solution was stirred under 

CO (g) (~2 atm) for 5 hours to yield a deep red‐purple solution. The solvent was removed under reduced 

pressure, and the residue was transferred to a nitrogen filled glovebox, and redissolved in 8 mL of DCM. 

The solution was  filtered  through Celite,  transferred back  to  the Schlenk  line and exposed  to a CO  (g) 

atmosphere. AgBF4 (0.033 g, 17 mmol)  in 2 mL of THF was  injected  into the solution and stirred for 30 

minutes.  The  solvent  was  removed  under  reduced  pressure,  and  the  flask  transferred  back  into  a 

nitrogen  filled  glovebox.  The  residue  was  redissolved  in  5 mL  of  DCM,  filtered  through  Celite  and 

concentrated to ~1 mL under reduced pressure. 5 mL of pentane was added to crash out the product as 

a deep purple powder, which was  subsequently washed with diethyl ether  and dried under  reduced 

pressure. 

 

Page 185: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

161  

For R1 = Ph, R2 = H (10d): Yield = 110 mg = 86% 

1H NMR (400MHz, THF‐d8) δ: 8.15 (m, 2H, Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 8.01 (m, 2H, Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 7.1‐7.6 

(m, Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 7.21 (N=CH, determined indirectly from 1H‐1H COSY), 4.51 (t, 1H, N‐CH, J = 11.6 

Hz), 3.63 (CH2‐PPh2, determined indirectly from 1H‐1H COSY), 3.58 (CH2‐PCy2, determined indirectly from 

1H‐1H COSY), 3.39 (CH2‐PCy2, determined indirectly from 1H‐1H COSY), 3.13 (dd, 1H, CH2‐PPh2, J = 5.1 and 

13.1 Hz) and 0.9‐2.6 (m, PCy‐H) ppm. 31P {1H} (161 MHz, THF‐d8) δ: 66.76 (d, J = 81.9 Hz) and 39.35 (d, J = 

81.6 Hz) ppm.  13C  {1H}  (100 MHz, THF‐d8) δ: 181.6  (N=CH), 128‐133  (Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 74.1  (N‐CH), 

38.5 (PCy‐C), 36.1 (PCy2‐CH2), 34.5 (PPh2‐CH2), 25‐29 (PCy‐C) and 13.3 (PCy2‐C) ppm. 19F {1H} (356 MHz, 

THF‐d8) δ: ‐153 ppm. Anal. Calcd. For [FeC36H43P2NO2Br][BF4]: C 53.6, H 5.40, N 1.70, Found: C 41.93, H 

4.98, N 1.40.** MS (ESI, m/z+): 720.1 [FeC36H43P2NO2Br]+. IR: v(CO) = 2009.2 cm‐1.  

For R1 = CH2Ph, R2 = H (10e): Yield = 110 mg = 84% 

1H NMR (400MHz, THF‐d8) δ: 8.13 (m, 1H, N=CH), 7.74 (m, 1H, Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 6.9‐7.5 (m, 14H, Ar‐

CH  and  P‐Ar‐CH),  3.61  (N‐CH,  determined  indirectly  from  1H‐1H  COSY),  3.30  (CH2‐PCy2,  determined 

indirectly  from  1H‐1H COSY), 3.03  (CH2‐PPh2, determined  indirectly  from  1H‐1H COSY), 2.86  ((CH2‐PPh2, 

determined indirectly from 1H‐1H COSY), 1.33 (CH2‐Ph, determined indirectly from 1H‐1H COSY) and 0.8‐

2.5 (m, PCy‐H) ppm. 31P {1H} (161 MHz, THF‐d8) δ: 64.20 (d, J = 82.1 Hz) and 42.55 (d, J = 82.1 Hz) ppm. 

13C {1H} (100 MHz, THF‐d8) δ: 146.7 (N=CH), 127‐133 (Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 66.5 (N‐CH), 41.1 (CH2‐PPh2), 

38.6 (CH2‐PCy2), 26.9 (CH2‐Ph) and 22‐28 (PCy‐C) and 13.6 (PCy2‐C) ppm. 19F {1H} (356 MHz, THF‐d8) δ: ‐

153.3  ppm. Anal.  Calcd.  For  [FeC37H45P2NO2Br][BF4]:  C  54.2, H  5.5, N  1.7,  Found:  C  47.35, H  5.39, N 

1.83.** MS (ESI, m/z+): 734.1 [FeC37H45P2NO2Br]+and 676.1 [FeC35H45P2NBr]

+ (loss of two ‐CO). IR: v(CO) = 

2004.4 cm‐1. 

For R1 = iPr, R2 = H (Used AgPF6 instead of AgBF4) (10f): Yield = 120 mg = 78% 

1H NMR  (400MHz, THF‐d8)  δ: 8.16  (m, 1H, Ph‐CH), 7.92  (m, 1H, Ph‐CH), 7.05‐7.68  (m, 9H, Ph‐CH and 

N=CH at 7.58 – determined  indirectly for 1H‐13C HSQC), 3.26 (m, 1H, N‐C(iPr)H), 2.98 (m, 2H, CH2‐PPh), 

2.35 (m, 2H, CH2‐PCy), 1.21 (iPr‐CH, determined indirectly for 1H‐1H COSY), 0.75 (m, 6H, iPr‐CH3) and 0.6‐

2.1  (m, PCy‐H) ppm.  31P  {1H}  (161 MHz, THF‐d8)  δ: 63.28  (d,  J = 81.6 Hz), 46.26  (d,  J = 81.6 Hz) and  ‐

137.56 (m, PF6‐) ppm. 13C {1H} (100 MHz, THF‐d8) δ: 163.19 (N=CH), 129‐135 (Ph‐CH), 67.02 (N‐C(iPr)H), 

42.70 (CH2‐PPh), 35.80 (PCy2‐C), 32.52 (CH2‐PCy), 20‐30 (PCy2‐C), 24.07 (iPr‐CH) and 15.23 (iPr‐CH3) ppm. 

19F {1H} (356 MHz, THF‐d8) δ: ‐64.13 (d, PF6‐, J = 790 Hz) ppm. Anal. Calcd. For [FeC37H45P2NO2Br][PF6]: C 

47.73, H 5.46, N 1.69, Found: C 40.09, H 6.17, N 1.80.** MS  (ESI, m/z+): 686.1  [FeC33H45P2NO2Br]+and 

628.2 [FeC31H45P2NBr]+ (loss of two ‐CO). IR: v(CO) = 2005.8 cm‐1. 

Page 186: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

162  

5.5.7 Synthesis of [Fe(PN)2(CO)(Br)][BPh4] (15) 

In a nitrogen filled glovebox, (14g) (0.074 g, 0.19 mmol) and FeBr2 (0.028 g, 0.13 mmol) were stirred in 4 

mL of THF for 30 minutes, then transferred to a Schlenk  line and stirred under CO (g) (~2 atm) for 2.5 

hours to yield a deep brown solution. The solvent was removed under reduced pressure and transferred 

to a nitrogen filled glovebox. The residue was dissolved in ~5 mL of DCM and filtered through Celite to 

remove salts. The DCM solution was concentrated under reduced pressure to ~1 mL, and NaBPh4 (0.033 

g, 0.096 mmol)  in 5 mL of methanol was added and stirred for 15 minutes to precipitate a pale purple 

solid. The solid was collected, washed with cold methanol, and dried under  reduced pressure. Yield = 

100 mg = 87%. 

1H  NMR  (400MHz,  THF‐d8)  δ:  6.6‐8.1  (m,  40  H,  Ph‐CH),  5.23  (m,  1H,  C(Ph)H),  5.00  (m,  1H,  C(Ph)H, 

correlates  to 5.23 proton), 4.85  (m, 1H, C(Ph)H), 3.43  (m, 1H, C(Ph)H, correlates  to 4.85 proton), 3.43 

(broad s, 1H (should be 2H, likely solvent exchange), NH2) and 2.66 broad s, 2H, NH2) ppm. 31P {1H} (161 

MHz, THF‐d8) δ: 84.62  (d, J = 145.8 Hz) and 76.58 (d, J = 145.8 Hz) ppm. 13C {1H} (100 MHz, THF‐d8) δ: 

126‐137 (Ph‐C), 68.5 (C(Ph)H, correlates to 3.43 proton), 64.4 (C(Ph)H, correlates to 5.00 proton), 50.0 

(C(Ph)H,  correlates  to  5.23  proton),  49.3  (C(Ph)H,  correlates  to  4.85  proton),ppm.  Anal.  Calcd.  For 

[FeC53H48P2NOBr][BPh4]: C 74.23, H 5.50, N 2.25, Found: C 64.66, H 5.43, N 2.36.** MS (ESI, m/z+): 927.2 

[FeC53H48P2N2OBr]+, IR: v(CO) = 1943.6 cm‐1. 

5.5.8 Synthesis of P‐N‐P Ligands (16a,c‐g) 

R1 = R2 = H  (16a):  In a nitrogen  filled glovebox,  (14a)  (0.6 g, 2.6 mmol) was added  to a solution of o‐

(diphenylphosphino)benzaldehyde (0.76 g, 2.6 mmol) and Na2SO4 (5 g, 35 mmol) in 30 mL of DCM. The 

mixture was stirred for 24 hours, then  filtered through a frit and concentrated to 2 mL. With rigorous 

stirring, 8 mL of cold ethanol was added and the flask was sealed and stored at  ‐30 oC for 48 hours to 

yield a white powder. The powder was filtered and washed with cold ethanol, then dried under reduced 

pressure to yield pure P‐N‐P ligand. Yield = 980 mg =75%. 

1H NMR (400MHz, CD2Cl2) δ: 8.77 (d, 1H, HC=N, J = 4.7 Hz), 7.8 (dd, 1H, Ar‐CH, J = 3.9, 7.5 Hz), 7.1‐7.4 (m, 

22H, Ar‐CH, P‐Ar‐CH), 6.8 (dd, 1H, Ar‐CH, J = 7.4, 4.6 Hz), 3.5 (t, 2H, N‐CH2, J = 7.8 Hz), and 2.1 (t, 2H, P‐

CH2, J = 7.8 Hz) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) δ: ‐13.2 (s), ‐19.5 (s) ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD2Cl2) δ: 

159.5 (d, HC=N, J = 20 Hz), 137‐139 (Ar‐C, P‐Ar‐C), 127‐134 (Ar‐C, P‐Ar‐C), 57.8 (d, N‐CH2, J = 21.1 Hz) and 

29.5 (d, P‐CH2, J = 12.8 Hz) ppm. Anal. Calcd. For [C33H29P2N]: C 79.0, H 5.82, N 2.79, Found: C 77.83, ̾ H 

5.59,  N  2.81. MS  (TOF‐DART, m/z+):  502.185  [C33H30P2N]+.   ̾Complex was made multiple  times  in  an 

Page 187: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

163  

attempt to synthesize pure compound (acceptable EA) however silica grease impurities (observed in 1H 

NMR spectroscopy) caused the carbon analyses to be low.  

R1 = Me, R2 = Ph (16c): In a nitrogen filled glovebox, (14c) (0.1 g, 0.31 mmol) was added to a solution of 

o‐(diphenylphosphino)benzaldehyde (0.091 g, 0.31 mmol) and Na2SO4 (1 g, 7 mmol) in 5 mL of DCM. The 

mixture was stirred for 24 hours, then  filtered through a frit and concentrated to 1 mL. With rigorous 

stirring, 8 mL of cold pentane was added and the flask was sealed and stored at ‐30 oC for 24 hours to 

yield a white powder. The powder was filtered and washed with cold pentane, then dried under reduced 

pressure to yield pure P‐N‐P ligand. Yield = 120 mg = 65%. 

1H NMR (400MHz, CD2Cl2) δ: 8.80 (d, 1H, HC=N, J = 4.90 Hz), 7.6 (m, 2H, Ar‐CH), 7.0‐7.4 (m, 26H, Ar‐CH, 

P‐Ar‐CH), 6.8 (m, 1H, Ar‐CH), 3.72 (d, 1H, CH(Ph), J = 5.6 Hz), 3.63 (dq, 1H, CH(CH3) J = 5.6 and 6.1Hz), 

and 0.95 (d, 1H, CH3, J = 6.1 Hz) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) δ: ‐8.1 (s), ‐14.5 (s) ppm. 13C {1H} (100 

MHz, CD2Cl2) δ: 157.7 (C=N), 132‐134 (Ar‐C, P‐Ar‐C), 126‐130 (Ar‐C, P‐Ar‐C), 68.6 (CH‐Me), 51.3 (CH‐Ph) 

and 19.8 (CH3) ppm. Anal. Calcd. For [C40H35P2N]: C 81.19, H 5.96, N 2.37, Found: C 80.75, H 5.10, N 1.93. 

MS (TOF‐DART, m/z+): 592.232 [C40H36P2N]+. 

R1 = Ph, R2 = H (16d): In a nitrogen filled glovebox, (14d) (0.15 g, 0.49 mmol) was added to a solution of 

o‐(diphenylphosphino)benzaldehyde (0.14 g, 0.48 mmol) and Na2SO4 (2 g, 14 mmol) in 8 mL of DCM. The 

mixture was stirred for 24 hours, then  filtered through a frit and concentrated to 1 mL. With rigorous 

stirring, 8 mL of cold ethanol was added and the flask was sealed and stored at  ‐30 oC for 48 hours to 

yield  a white  solid.  The  solid was  filtered  and washed with  cold  ethanol,  then  dried  under  reduced 

pressure to yield pure P‐N‐P ligand. Yield = 150 mg = 55%. 

1H NMR (400MHz, CD2Cl2) δ: 8.68 (d, 1H, N=CH, J = 4.6 Hz), 7.76 (ddd, 1H, Ar‐CH, J = 1.5, 3.9 and 7.8 Hz), 

7.05‐7.32 (m, 27H, Ar‐CH), 6.78 (ddd, 1H, Ar‐CH, J = 1.3, 4.6 and 7.7 Hz), 4.16 (quart., 1H, C(Ph)H, J = 7.8 

Hz) and 2.41 (qd, 2H, CH2, J = 13.6 and 7.1 Hz) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) δ: ‐12.8 (s), ‐22.9 (s) ppm. 

13C {1H} (100 MHz, CD2Cl2) δ: 158.8 (d, C=N, J = 19.8 Hz), 126‐135 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 72.5 (d, CH, J = 16.4 

Hz) and 53.4 (quint, CH2, J = 27.2 Hz) ppm. Anal. Calcd. For [C39H33P2N]: C 81.1, H 5.76, N 2.43, Found: C 

79.07, ̾  H  5.79,  N  2.36. MS  (ESI, m/z+):  578.2  [C39H34P2N]+. ̾Complex  was made multiple  times  in  an 

attempt to synthesize pure compound (acceptable EA) however silica grease impurities (observed in 1H 

NMR spectroscopy) caused the carbon analyses to be low. 

R1 = CH2Ph, R2 = H (16e): In a nitrogen filled glovebox, (14e) (0.27 g, 0.85 mmol) was added to a solution 

of o‐(diphenylphosphino)benzaldehyde (0.25 g, 0.85 mmol) and Na2SO4 (2 g, 14 mmol) in 10 mL of DCM. 

The mixture was stirred for 24 hours, then filtered through a frit and concentrated to 2 mL, sealed and 

Page 188: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

164  

stored at ‐30 oC for 48 hours to yield a pale yellow solid. The solution was decanted off and the solid was 

dried under reduced pressure to yield pure P‐N‐P ligand. Yield = 230 mg = 46%. 

1H NMR (400MHz, CD2Cl2) δ: 8.37 (d, 1H, N=CH, J = 4.7 Hz), 7.71 (ddd, 1H, Ar‐CH, J = 1.6, 3.9 and 7.6 Hz), 

7.15‐7.45 (m, 25H, Ar‐CH), 7.01 (dd, 2H, Ar‐CH, J = 1.7 and 7.9 Hz), 6.86 (ddd, 1H, Ar‐CH, J = 1.5, 4.5 and 

7.6 Hz) 3.28 (m, 1H, CH) 2.99 (dd, 1H, CH‐P, J = 4.9 and 13.3 Hz), 2.74 (dd, 1H, CH‐P, J = 8.1 and 13.3 Hz), 

2.33 (dd, 1H, CH‐Ph, J = 5.1 and 13.6 Hz) and 2.13 (dd, 1H, CH‐Ph, J = 8.1 and 13.6 Hz) ppm. 31P {1H} (161 

MHz, CD2Cl2) δ: ‐14.1 (s), ‐23.1 (s) ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD2Cl2) δ: 158.1 (d, C=N, J = 19.3 Hz), 125‐140 

(Ar‐C and P‐Ar‐C), 70.3 (d, CH, J = 14.1 Hz) 43.5 (d, CH2‐P, J = 9.0 Hz) and 34.5 (d, CH2‐Ph, J = 12.8 Hz) 

ppm. Anal. Calcd. For [C40H35P2N]: C 80.2, H 5.96, N 2.37, Found: C 79.29, H 6.18, N 2.27. MS (ESI, m/z+): 

592.2 [C40H36P2N]+. 

R1 = iPr, R2 = H (16f): In a nitrogen filled glovebox, (14f) (0.1 g, 0.37 mmol) was added to a solution of o‐

(diphenylphosphino)benzaldehyde (0.11 g, 0.37 mmol) and Na2SO4 (2 g, 14 mmol) in 8 mL of DCM. The 

mixture was stirred for 24 hours, then  filtered through a frit and concentrated to 1 mL. With rigorous 

stirring, 8 mL of cold pentane was added and the flask was sealed and stored at ‐30 oC for 24 hours to 

yield a pale  yellow  solution and a pale grey  residue. The  residue was discarded and  the  solvent was 

removed under reduced pressure to yield pure P‐N‐P ligand as a pale yellow oily solid. Yield = 100 mg = 

50%. 

1H NMR (400 MHz, CD2Cl2) δ: 8.65 (d, 1H, HC=N, J = 4.77 Hz), 7.75 (ddd, 1H, Ar‐CH, J = 1.4, 3.9 and 7.7 

Hz), 7.70 (dd, 1H, Ar‐CH, J = 3.3 and 5.7 Hz), 7.55 (dd, 1H, Ar‐CH, J = 3.3 and 5.7 Hz), 7.2‐7.4 (m, 20H, P‐

Ar‐CH), 6.85 (ddd, 1H, Ar‐CH, J = 1.4, 4.6 and 7.7 Hz), 2.88 (m, 1H, N‐C‐H), 2.31(dd, 1H, CH2, J = 4.3 and 

13.8 Hz), 2.15 (dd, 1H, CH2, J = 8.9 and 13.8 Hz), 1.82 (m, 1H, iPr‐CH), and 0.73 (dd, 6H, iPr‐CH3, J = 5.0, 

6.7 Hz) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) δ: ‐13.3 (s), ‐22.0 (s) ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD2Cl2) δ: 158.5 (d, 

C=N, J = 19.8 Hz), 128‐140 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 74.3 (d, N‐C, J = 13 Hz), 33.6 (d, iPr‐CH, J = 8.6 Hz), 32.7 (d, 

CH2, J = 13 Hz), 19.3 (s, iPr‐CH3) and 17.6 (s, iPr‐CH3) ppm. Anal. Calcd. For [C36H35P2N]: C 79.5, H 6.49, N 

2.58, Found: C 78.6, H 7.04, N 2.19. MS (ESI, m/z+): 544.23 [C36H36P2N]+. 

R1 = R2 = Ph (16g): In a nitrogen filled glovebox, (14g) (0.15 g, 0.41 mmol) was added to a solution of o‐

(diphenylphosphino)benzaldehyde  (0.12  g,  0.41  mmol)  and  Na2SO4  (2  g,  14  mmol)  in  10  mL  of 

dichloromethane. The mixture was stirred for 24 hours, then filtered through a frit and concentrated to 

1 mL. With  rigorous  stirring, 8 mL of  cold ethanol was added,  the  solution was  concentrated  to half 

volume, and the vial was sealed and stored at  ‐30 oC for 2 hours to yield a pale yellow solid. The solid 

Page 189: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

165  

was  filtered  and washed with  cold  ethanol,  then  dried  under  reduced  pressure  to  yield  pure  P‐N‐P 

ligand. Yield = 151 mg = 58%. 

1H NMR (400MHz, CD2Cl2) δ: 8.99 (d, 1H, N=CH, J = 5.6 Hz), 7.68 (td, 2H, Ar‐CH, J = 1.7 and 7.7 Hz), 6.85‐

7.45 (m, 31H, Ar‐CH), 6.81 (ddd, 1H, Ar‐CH, J = 1.4, 4.8 and 7.6 Hz), 4.83 (dd, 1H, N‐CHPh, J = 5.8 and 8.2 

Hz) and 4.22 (dd, 1H, P‐CHPh, J = 5.5 and 8.2 Hz) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) δ: ‐7.17 (s), ‐15.36 (s) 

ppm. 13C {1H}  (100 MHz, CD2Cl2) δ: 158.4 (C=N), 133‐135 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 126‐131 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 

78.9 (d, N‐CHPh, J = 21.0 Hz) and 52.0 (d, P‐CHPh, J = 16.1 Hz) ppm. Anal. Calcd. For [C45H37P2N]: C 82.68, 

H 5.70, N 2.14, Found: C 82.50, H 6.16, N 2.14. MS (ESI, m/z+): 654.2 [C45H38P2N]+. 

5.5.9 Synthesis of P‐NH‐P Ligands (17a,c‐f) 

R1 = R2 = H  (17a):  In a nitrogen  filled glovebox,  (16a)  (0.055 g, 0.11 mmol) and NaBH4  (0.012 g, 0.31 

mmol) were  dissolved  in  5 mL  ethanol,  sealed,  and  transferred  to  a  Schlenk  line.  The  solution was 

refluxed  under  argon  for  24  hours,  then  8 mL  of  distilled water was  added  to  neutralize  the  excess 

NaBH4. The flask was then opened to air, and the product was extracted with 20 mL DCM. The aqueous 

phase  was  further  extracted  with  DCM  (2x15  mL),  and  the  combined  organics  were  washed  with 

saturated  NH4Cl  solution  (3x15 mL)  and  water  (3x15 mL),  dried  with  Na2SO4,  and  the  solvent  was 

removed under reduced pressure to yield a clean, white powder. Yield = 54 mg = 97%. 

1H NMR (400MHz, CD2Cl2) δ: 7.2‐7.4 (m, 22H, Ar‐CH), 7.15 (td, 1H, Ar‐CH, J = 1.4 and 7.4 Hz), 6.78 (ddd, 

1H, Ar‐CH, J = 1.4, 4.5 and 7.7 Hz), 3.8 (d, 2H, N‐CH2‐Ph, J = 1.8 Hz), 2.51 (quart., 2H, N‐CH2, J = 8.1 Hz), 

1.94 (t, 2H, P‐CH2, J = 8.1 Hz), 1.28 (br‐s, 1H, NH) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) δ: ‐16.1 (s), ‐20.6 (s) 

ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD2Cl2) δ: 128‐135 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 52.0 (N‐CH2‐Ph), 45.8 (N‐CH2‐CH2) and 28.7 

(P‐CH2) ppm. Anal. Calcd. For [C33H31P2N]: C 78.71, H 6.21, N 2.78, Found: C 78.82, H 6.66, N 2.40. MS 

(ESI, m/z+): 504.2 [C33H32P2N]+. 

R1 = Me, R2 = Ph  (17c):  In a nitrogen  filled glovebox,  (16c)  (0.052 g, 0.088 mmol) and NaBH4  (0.010 g, 

0.26 mmol) were dissolved  in 4 mL of ethanol, sealed, and  transferred  to a Schlenk  line. The solution 

was refluxed under argon for 24 hours, then 6 mL of distilled water was added to neutralize the excess 

NaBH4.  The  flask was  then  opened  to  air,  and  the  product was  extracted with  15 mL  of DCM.  The 

aqueous phase was  further extracted with DCM  (2x10 mL), and  the  combined organics were washed 

with  saturated NH4Cl  solution  (10 mL), brine  (10 mL)  and water  (10 mL), dried with MgSO4,  and  the 

solvent was removed under reduced pressure to yield a clean, white powder. Yield = 37 mg = 71%. 

Page 190: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

166  

1H NMR (600MHz, CD2Cl2) δ: 7.57 (m, 2H, Ph‐CH), 7.10‐7.42 (m, 26H, Ph‐CH), 6.85 (ddd, 1H, Ph‐CH, J = 

1.4, 4.5 and 7.7 Hz), 3.96 (dd, 1H, N‐CH2, J = 2.2 and 13.7 Hz), 3.87 (dd, 1H, N‐CH2, J = 2.4 and 13.7 Hz), 

3.83 (m, 1H, P‐C(Ph)H), 2.77 (m, 1H, N‐C(Me)H), 1.29 (br‐s, 1H, NH) and 1.00 (d, 3H, CH3, J = 6.7 Hz) ppm. 

31P  {1H}  (161 MHz, CD2Cl2)  δ:  ‐11.15  (s),  ‐16.15  (s) ppm.  13C  {1H}  (150 MHz, CD2Cl2)  δ: 126‐135  (Ph‐C), 

53.39 (N‐C(Me)H), 49.22 (N‐CH2), 48.36 (P‐C(Ph)H) and 17.16 (‐CH3) ppm. Anal. Calcd. For [C33H31P2N]: C 

80.92, H 6.28, N 2.36 Found: C 80.62, H 6.31, N 2.34. MS (ESI, m/z+): 594.2 [C40H38P2N]+. 

R1 = Ph, R2 = H (17d): In a nitrogen filled glovebox, (16d) (0.13 g, 0.23 mmol) was dissolved in 3 mL of THF 

and brought up  in a  syringe and  stoppered.  In a  separate  flask  in  the nitrogen  filled glovebox,  LiAlH4 

(0.018 g, 0.47 mmol) was dissolved in 5 mL of THF, sealed, and transferred to a Schlenk line. The solution 

was cooled using an ice bath to 0oC, and the solution of P‐N‐P ligand was slowly added. The solution was 

stirred at 0oC for 30 minutes, room temperature for 1 hour and then refluxed under argon for 18 hours. 

The solution was cooled in an ice bath and 0.5 mL of water was added to quench any excess LiAlH4, then 

the solution was filtered under air through a frit to remove any lithium salts, and washed with 3 mL of 

THF. 10 mL of water was added to wash the solution, and the aqueous phase was further washed with 

10 mL of DCM. The combined organics were washed with saturated NH4Cl solution  (10 mL), brine  (10 

mL)  and  water  (10  mL),  dried  with  MgSO4,  filtered,  and  the  solvent  was  removed  under  reduced 

pressure to yield a clear oil that solidified on standing. Yield = 120 mg = 92%. 

1H NMR (400MHz, CD2Cl2) δ: 7.15‐7.45 (m, 28H, Ar‐CH), 6.89 (m, 1H, Ar‐CH), 3.71 (s, 2H, N‐CH2‐Ph), 3.62 

(m, 1H, N‐CH), 2.33 (d, 2H, CH2‐PPh2, J = 7.1 Hz) and 1.29 (br‐s, 1H, NH) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) 

δ: ‐16.4 (s), ‐23.5 (s) ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD2Cl2) δ: 132‐134 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 127‐129 (Ar‐C and P‐

Ar‐C), 60.0 (d, N‐CH J = 15.9 Hz), 50.1 (d, N‐CH2‐Ph, J = 20.7 Hz) and 38.2 (d, CH2‐PPh2, J = 14.3 Hz) ppm. 

Anal. Calcd. For  [C39H35P2N]: C 80.81, H 6.09, N 2.42, Found: C 79.19, ̾ H 6.80, N 2.26. MS  (ESI, m/z+): 

580.2  [C39H36P2N]+. ̾Complex  was made multiple  times  in  an  attempt  to  synthesize  pure  compound 

(acceptable EA) however silica grease impurities (observed in 1H NMR) caused the carbon analyses to be 

low. 

R1 = CH2Ph, R2 = H (17e): In a nitrogen filled glovebox, (16e) (0.075 g, 0.13 mmol) was dissolved in 2 mL 

of THF and brought up  in a syringe and stoppered.  In a separate  flask  in  the nitrogen  filled glovebox, 

LiAlH4 (0.010 g, 0.26 mmol) was dissolved in 4 mL of THF, sealed, and transferred to a Schlenk line. The 

solution was cooled using an  ice bath  to 0oC, and  the solution of P‐N‐P  ligand was slowly added. The 

solution was stirred at 0oC for 30 minutes, room temperature for 1 hour and then refluxed under argon 

for 18 hours. The  solution was  cooled  in an  ice bath and 0.5 mL of water was added  to quench any 

Page 191: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

167  

excess LiAlH4,  then  the  solution was  filtered under air  through a  frit  to  remove any  lithium  salts, and 

washed with 3 mL of THF. 10 mL of water was added to wash the solution, and the aqueous phase was 

further washed with 10 mL of DCM. The combined organics were washed with saturated NH4Cl solution 

(10 mL), brine  (10 mL) and water  (10 mL), dried with MgSO4,  filtered, and  the  solvent was  removed 

under reduced pressure to yield a clear oil that solidified on standing. Yield = 66 mg = 89%. 

1H NMR (400MHz, CD2Cl2) δ: 7.0‐7.3 (m, 26H, Ar‐CH), 6.97 (m, 2H, Ar‐CH), 6.74 (m, 1H, Ar‐CH), 3.80 (d, 

2H, N‐CH2‐Ph, J = 2.0 Hz), 2.76 (m, 1H, N‐CH), 2.70 (m, 2H, CH2‐P), 2.03 (d, 2H, CH2‐Ph, J = 6.1 Hz) and 

1.20 (br‐s, 1H, NH) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) δ: ‐16.0 (s), ‐23.4 (s) ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD2Cl2) 

δ: 132‐134 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 126‐129 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 56.2 (N‐CH), 49.0 (N‐CH2‐Ph) 41.2 (CH2‐P) and 

33.3  (CH2‐Ph)  ppm.  Anal.  Calcd.  For  [C40H37P2N]:  C  80.92,  H  6.28,  N  2.36,  Found:  Due  to  nature  of 

compound, sample could not be extracted for EA. MS (ESI, m/z+): 594.2 [C40H38P2N]+. 

R1 =  iPr, R2 = H (17f):  In a nitrogen filled glovebox, (16f) (0.133 g, 0.24 mmol) was dissolved  in 2 mL of 

THF and brought up in a syringe and stoppered. In a separate flask in the nitrogen filled glovebox, LiAlH4 

(0.020 g, 0.52 mmol) was dissolved in 6 mL of THF, sealed, and transferred to a Schlenk line. The solution 

was cooled using an ice bath to 0oC, and the solution of P‐N‐P ligand was slowly added. The solution was 

stirred at 0oC for 30 minutes, room temperature for 1 hour and then refluxed under argon for 18 hours. 

The solution was cooled in an ice bath and 0.5 mL of water was added to quench any excess LiAlH4, then 

the solution was filtered under air through a frit to remove any lithium salts, and washed with 4 mL of 

THF. 15 mL of water was added to wash the solution, and the aqueous phase was further washed with 

3x10 mL of DCM. The combined organics were washed with saturated NH4Cl solution (15 mL), brine (15 

mL)  and  water  (15  mL),  dried  with  MgSO4,  filtered,  and  the  solvent  was  removed  under  reduced 

pressure to yield a clear oil. Yield = 120 mg = 90%. 

1H NMR  (400MHz, CD2Cl2) δ: 7.21‐7.45  (m, 22H, Ph‐CH), 7.15  (td, 1H, Ph‐CH,  J = 1.4 and 7.5 Hz), 6.86 

(ddd, 1H, Ph‐CH, J = 1.3, 4.5 and 7.7 Hz), 4.28 (m, 1H, N‐CH2), 4.17 (m, 1H, N‐CH2), 3.88 (m, 2H, CH2‐P), 

2.40 (m, 1H, N‐CH), 1.95 (m, 1H, iPr‐CH), 1.62 (br‐m, 1H, NH) and 0.79 (dd, 6H, iPr‐CH3, J = 6.8 and 37.1 

Hz) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD2Cl2) δ: ‐16.09 (s), ‐22.15 (s) ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD2Cl2) δ: 127‐134 

(Ph‐C), 62.07  (N‐CH2), 59.80  (N‐CH), 49.89  (CH2‐P) 20.31  (iPr‐CH) and 17.10  (iPr‐CH3) ppm. Anal. Calcd. 

For  [C36H37P2N]:  C  79.24,  H  6.84,  N  2.57,  Anal.  Calcd.  For  [C36H37P2N]‐2H2O  (observed  in 1H  NMR 

spectroscopy, from aqueous workup steps): C 74.30, H 7.10, N 2.40, Found: C 74.69, H 7.81, N 1.58. MS 

(ESI, m/z+): 546.2 [C36H38P2N]+. 

Page 192: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

168  

5.5.10 Synthesis of [Fe(P‐N‐P)(NCMe)3][BF4]2 (18a,c‐g) 

R1 = R2 = H (18a): In a nitrogen filled glovebox, (16a) (0.097 g, 0.19 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 (0.065 g, 

0.19 mmol) were stirred in 12 mL of acetonitrile for 16 hours. The solution was then concentrated to 1.5 

mL and washed with pentane  (2 x 6 mL). The acetonitrile  layer was then evaporated  in vacuo to yield 

pure product as a deep red solid. Yield = 160 mg = 98%. 

1H NMR  (400MHz, CD3CN) δ: 8.75  (s, 1H, N=CH), 7.45‐7.93  (m, 23H, Ph‐CH), 7.40  (m, 1H, Ph‐CH), 3.84 

(dt, 2H, N‐CH2, J = 14.0 and 6.8 Hz), 3.02 (dt, 2H, CH2‐PPh2, J = 6.4 and 2.9 Hz) and 1.99 (s, NC‐CH3/NC‐

CD3)  ppm.  31P  {1H}  (161  MHz,  CD3CN)  δ:  Extreme  second  order  doublets  centered  at  54.94  ppm, 

apparent coupling J = 151.7 Hz). 13C {1H} (100 MHz, CD3CN) δ: 176.9 (N=CH), 129‐137 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 

117.3  (NCMe),  67.8  (N‐CH2),  22.7  (CH2‐PPh2)  and  0.77  (NC‐CH3)  ppm.  Anal.  Calcd.  For 

[FeC39H38P2N4][BF4]2:  C  54.8, H  4.5, N  6.6,  Found:  C  54.22, H  4.48, N  6.59. MS  (ESI, m/z+):  278.6  [Fe 

C33H29P2N]+2 (loss of three MeCN). 

R1 = Me, R2 = Ph  (18c):  In a nitrogen  filled glovebox,  (16c)  (0.038 g, 0.063 mmol) and  [Fe(H2O)6][BF4]2 

(0.021  g,  0.063  mmol)  were  stirred  in  4  mL  of  acetonitrile  for  16  hours.  The  solution  was  then 

concentrated to 0.5 mL and washed with pentane (2 x 6 mL). The acetonitrile layer was then evaporated 

in vacuo to yield pure product as a deep red solid. Yield = 58 mg = 97%. 

1H NMR (400MHz, CD3CN) δ: 8.67 (s, 1HN=CH), 7.16‐7.92 (m, 27H, Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 7.00 (d, 2H, Ar‐

CH and P‐Ar‐CH, J = 7.45 Hz), 4.14 (1H, C(Me)H, overlapping – determined indirectly using 1H‐13C HSQC), 

4.10 (1H, C(Ph)H, overlapping – determined indirectly using 1H‐13C HSQC), 1.29 (d, 3H, ‐CH3, J = 4.71 Hz), 

1.99 (s, 9H, CH3CN) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD3CN) δ: 72.31 (d, J = 149.4 Hz) and 54.31 (d, J = 149.4 Hz) 

ppm.  13C  {1H}  (100 MHz,  CD3CN)  δ:  175.5  (N=CH),  127‐137  (Ar‐C  and  P‐Ar‐C),  119.8  (NCMe),  73.38 

(C(Me)H), 49.07  (C(Ph)H), 19.22  (‐CH3) and 0.49  (NCCH3) ppm. Anal. Calcd. For  [FeC46H44P2N4][BF4]2: C 

58.51, H 4.70, N 5.93, Found: C 55.19, H 4.53, N 4.93.** MS (DART, m/z+): 388.3 [FeC46H44P2N4]2+. 

R1 = Ph, R2 = H (18d): In a nitrogen filled glovebox, (16d) (0.238 g, 0.41 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 (0.139 

g, 0.41 mmol) were stirred in 18 mL of acetonitrile for 16 hours. The solution was then concentrated to 3 

mL and washed with pentane  (2 x 6 mL). The acetonitrile  layer was then evaporated  in vacuo to yield 

pure product as a deep red solid. Yield = 365 mg = 97%. 

1H NMR (400MHz, CD3CN) δ: 7.92 (N=CH, determined indirectly via 1H‐13C HSQC), 7.96 (m, 3H, Ar‐CH and 

P‐Ar‐CH), 7.84 (m, 2H, Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 7.23‐7.77 (m, 22H, Ar‐CH and P‐Ar‐CH), 7.16 (m, 2H, Ar‐CH 

and P‐Ar‐CH), 4.72 (td, 1H, C(Ph)H, J = 3.4 and 11.5 Hz), 3.66 (ddd, 1H, CH2, J = 4.0, 13.0 and 14.7 Hz), 

Page 193: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

169  

3.26 (ddd, 1H, CH2, J = 7.0, 12.5 and 14.6 Hz), 1.99 (s, 9H, CH3CN) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD3CN) δ: 54.8 

(d,  J  = 151 Hz)  and 50.5  (d,  J  = 151 Hz) ppm  (roofing doublets).  13C  {1H}  (100 MHz, CD3CN)  δ: 176.8 

(N=CH), 129‐137  (Ar‐C  and P‐Ar‐C), 120.8  (NCMe), 77.4  (N‐C(Ph)H), 27.4  (CH2)  and 1.0  (NCCH3) ppm. 

Anal. Calcd. For  [FeC45H42P2N4][BF4]2: C 58.1, H 4.6, N 6.0, Found: C 55.01, H 4.26, N 5.35.** MS  (ESI, 

m/z+): 337 [C41H36P2N2]2+ (loss of two MeCN) and 316.6 [C39H33P2N]

2+ (loss of three MeCN).  

R1 = CH2Ph, R2 = H  (18e):  In a nitrogen filled glovebox, (16e) (0.086 g, 0.15 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 

(0.049  g,  0.15  mmol)  were  stirred  in  8  mL  of  acetonitrile  for  16  hours.  The  solution  was  then 

concentrated to 1.5 mL and washed with pentane (2 x 6 mL). The acetonitrile layer was then evaporated 

in vacuo to yield pure product as a deep red solid. Yield = 136 mg = 96%. 

1H NMR (400MHz, CD3CN) δ: 8.33 (d, 1H, N=CH, J = 5.4 Hz), 7.92 (t, 2H, Ph‐CH, J = 8.0 Hz), 7.2‐7.8 (m, 

25H, Ph‐CH), 6.95 (d, 2H, Ph‐CH, J = 4.8 Hz), 4.00 (m, 1H, N‐CH), 3.27 (CH2‐Ph, 1H, overlapping with 3.20 ‐ 

determined  indirectly  from  1H‐1H  COSY),  3.20  (CH2‐PPh2,  1H,  overlapping  with  3.27  –  determined 

indirectly from 1H‐1H COSY), 3.08 (dd, 1H, CH2‐PPh2, J = 7.7 and 14.0 Hz), 2.80 (m, 1H, CH2‐Ph) and 2.00 

(s, NC‐CH3/NC‐CD3) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD3CN) δ: 54.7 (d, J = 151 Hz) and 51.7 (d, J = 151 Hz) ppm 

(roofing doublets). 13C {1H} (100 MHz, CD3CN) δ: 176.1 (d, N=CH, J = 5.4 Hz), 127‐137 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 

118.6  (NCMe),  76.1  (N‐CH),  39.3  (CH2‐PPh2),  27.8  (CH2‐Ph)  and  0.5  (NC‐CH3)  ppm.  Anal.  Calcd.  For 

[FeC46H44P2N4][BF4]2:  C  58.5,  H  4.7,  N  5.9,  Found:  C  56.39,  H  5.0,  N  5.49.** MS  (ESI, m/z+):  606.2 

[FeC36H35P2N]Li+ (loss of three MeCN). 

R1 = iPr, R2 = H (18f): In a nitrogen filled glovebox, (16f) (0.099 g, 0.18 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 (0.061 

g, 0.18 mmol) were stirred in 10 mL of acetonitrile for 16 hours. The solution was then concentrated to 

1.5 mL and washed with pentane (2 x 6 mL). The acetonitrile layer was then evaporated in vacuo to yield 

pure product as a deep red solid. Yield = 152 mg = 94%. 

1H NMR (400MHz, CD3CN) δ: 8.58 (s, 1H, N=CH), 7.96 (m, 2H, Ph‐CH), 7.4‐7.8 (m, 18H, Ph‐CH), 7.30 (m, 

4H, Ph‐CH), 3.74 (dm, 1H, N‐CH, J = 29.7 Hz), 3.32 (m, 1H, CH2‐PPh2), 2.84 (dd, 1H, CH2‐PPh2, J = 7.8 and 

14.7 Hz), 1.94 (s, NC‐CH3/NC‐CD3), 1.25 (m, 1H, iPr‐CH), 0.87 (d, 3H, iPr‐CH3, J = 6.2 Hz) and 0.00 (d, 3H, 

iPr‐CH3, J = 6.5 Hz) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD3CN) δ: 53.8 (d, J = 151.6 Hz) and 57.3 (d, J = 151.6 Hz) 

ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD3CN) δ: 177.9 (N=CH), 129‐138 (Ar‐C and P‐Ar‐C), 121.0 (NCMe), 87.5 (N‐CH), 

30.0  (iPr‐CH),  24.4  (CH2‐PPh2),  19.2  (iPr‐CH3),  18.1  (iPr‐CH3)  and  1.2  (NC‐CH3)  ppm.  Anal.  Calcd.  For 

[FeC42H44P2N4][BF4]2:  C  58.9,  H  4.7,  N  5.9,  Found:  C  47.08,  H  4.44,  N  4.87.** MS  (ESI, m/z+):  606.2 

[FeC36H35P2N]Li+ (loss of three MeCN). 

Page 194: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

170  

R1 = R2 = Ph (18g): In a nitrogen filled glovebox, (16g) (0.038 g, 0.058 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 (0.019 

g, 0.057 mmol) were stirred in 5 mL of acetonitrile for 16 hours. The solution was then concentrated to 1 

mL and washed with pentane  (2 x 6 mL). The acetonitrile  layer was then evaporated  in vacuo to yield 

pure product as a deep red solid. Yield = 55 mg = 96%. 

1H NMR (400MHz, CD3CN) δ: 8.15 (s, 1H, N=CH), 6.95‐7.80 (m, 34H, Ph‐CH), 5.17 (dd, 1H, N‐CH(Ph), J = 

13.0 and 7.3 Hz), 4.88 (dd, 1H, CH(Ph)‐PPh2, J = 7.7 and 13.0 Hz) and 2.00 (s, 9H, NC‐CH3) ppm. 31P {1H} 

(161 MHz, CD3CN) δ: 69.79  (d,  J = 148.5 Hz) and 53.34  (d,  J = 148.5 Hz). 13C  {1H}  (100 MHz, CD3CN) δ: 

177.9  (N=CH), 127‐137  (Ar‐C and P‐Ar‐C), 117.6  (NCMe), 81.7  (N‐CH(Ph)), 46.6  (CH(Ph)‐PPh2) and 0.34 

(NC‐CH3) ppm. Anal. Calcd. For [FeC51H46P2N4][BF4]2: C 60.87, H 4.61, N 5.57, Found: C 59.57, H 4.67, N 

5.07. MS (ESI, m/z+): 415.2 [FeC51H46P2N4]+2. 

5.5.11 Synthesis of [Fe(P‐NH‐P)(NCMe)3][BF4]2 (19a,c‐f) 

R1 = R2 = H (19a): In a nitrogen filled glovebox, (17a) (0.103 g, 0.20 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 (0.069 g, 

0.20 mmol) were stirred in 14 mL of acetonitrile for 16 hours. The solution was then concentrated to 1.5 

mL and washed with pentane  (2 x 6 mL). The acetonitrile  layer was then evaporated  in vacuo to yield 

pure product as a deep red solid. Yield = 167 mg = 98%. 

1H NMR (400MHz, CD3CN) δ: 7.90 (m, 2H, Ph‐CH), 7.80 (m, 2H, Ph‐CH), 7.45‐7.75 (m, 17H, Ph‐CH), 7.37 

(t, 1H, Ph‐CH, J = 8.3 Hz), 7.28 (m, 2H, Ph‐CH), 3.54 (dd, 1H, Ph‐CH2‐NH, J = 13.0 and 3.8 Hz), 3.44 (t, 1H, 

CH2‐PPh2, J = 14.6 Hz), 3.19 (m, 1H, Ph‐CH2‐NH), 3.10 (m, 1H, NH‐CH2‐CH2), 2.49 (m, 1H, CH2‐PPh2), 2.38 

(m, 1H, NH), 2.32 (m, 1H, NH‐CH2‐CH2) and 1.99 (s, NC‐CH3/NC‐CD3) ppm. 31P {1H} (161 MHz, CD3CN) δ: 

58.69 (d, J = 141.9 Hz) and 43.74 (d, J = 141.9 Hz) ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD3CN) δ: 127‐141 (Ar‐C and 

P‐Ar‐C), 119.1  (NCMe), 57.3  (Ph‐CH2‐NH), 53.8  (HN‐CH2‐CH2), 24.2  (CH2‐PPh2) and 0.49  (NC‐CH3) ppm. 

Anal. Calcd. For  [FeC39H40P2N4][BF4]2: C 54.7, H 4.7, N 6.5, Found: C 53.22, H 4.96, N 6.27.** MS  (ESI, 

m/z+): 339.3 [FeC39H40P2N4]2+, 318.1 (loss of MeCN), 300.1 (loss of two MeCN) and 279.6 (loss of three 

MeCN). 

R1 = Me, R2 = Ph  (19c):  In a nitrogen  filled glovebox,  (17c)  (0.030 g, 0.050 mmol) and  [Fe(H2O)6][BF4]2 

(0.017  g,  0.50  mmol)  were  stirred  in  5  mL  of  acetonitrile  for  16  hours.  The  solution  was  then 

concentrated to 1 mL and washed with pentane (2 x 4 mL). The acetonitrile layer was then evaporated in 

vacuo to yield pure product as a bright pink solid. Yield = 47 mg = 99%. 

1H NMR (500MHz, CD3CN) δ: 7.00‐7.68 (m, 29H, Ph‐CH), 3.99 (dd, 1H, P‐C(Ph)H, J = 7.7 and 12.2 Hz), 3.82 

(dd, 1H, N‐CH2, J = 5.1 and 13.1 Hz), 3.04 (m, 1H, N‐CH2), 2.88 (m, 1H, N‐C(Me)H), 1.99 (s, NC‐CH3/NC‐

Page 195: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

171  

CD3), 1.92 (NH, determined  indirectly using 1H‐1H‐COSY) and 1.17 (d, 3H, CH3, J = 5.8 Hz) ppm. 31P {1H} 

(202 MHz, CD3CN) δ: 74.30 (d, J = 138.4 Hz) and 43.31 (d, J = 138.4 Hz) ppm. 13C {1H} (125 MHz, CD3CN) δ: 

126‐137 (Ph‐C), 122.0 (NCMe), 62.50 (N‐C(Me)H), 52.78 (N‐CH2), 50.50 (P‐C(Ph)H), 17.11 (‐CH3) and 1.31 

(NC‐CH3)  ppm.  Anal.  Calcd.  For  [FeC46H46P2N4][BF4]2(extra  MeCN  in  solution,  verified  by  NMR 

spectroscopy):  C  58.39,  H  5.00,  N  7.09,  Found:  C  48.80,  H  4.58,  N  7.85.**  MS  (ESI,  m/z+):  656.2 

[FeC40H37P2N][Li]+ (loss of three MeCN). 

R1 = Ph, R2 = H (19d): In a nitrogen filled glovebox, (17d) (0.075 g, 0.13 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 (0.044 

g, 0.13 mmol) were stirred in 10 mL of acetonitrile for 16 hours. The solution was then concentrated to 

1.5 mL and washed with pentane (2 x 6 mL). The acetonitrile layer was then evaporated in vacuo to yield 

pure product as a bright purple solid.  Yield = 114 mg = 99%. 

1H NMR (600MHz, CD3CN) δ: 7.25‐7.88 (m, 28H, Ph‐CH), 6.76 (s, 1H, Ph‐CH), 3.63 (t, 1H, P‐CH2, J = 13.8 

Hz), 3.46  (m, 1H, N‐C(Ph)H), 3.15  (m, 1H, N‐CH2), 2.94  (t, 1H, N‐CH2), 2.77  (m, 1H, P‐CH2), 2.00  (NH, 

determined indirectly using 1H‐1H‐COSY) and 1.98 (s, NC‐CH3/NC‐CD3) ppm. 31P {1H} (242 MHz, CD3CN) δ: 

49.07  (d,  J = 139.1 Hz) and 41.22  (d,  J = 139.1 Hz) ppm.  13C  {1H}  (150 MHz, CD3CN) δ: 126‐133  (Ph‐C), 

120.4 (NCMe), 67.24  (N‐C(Ph)H), 53.84  (N‐CH2), 32.92 (P‐CH2) and 0.68 (NC‐CH3) ppm. Anal. Calcd. For 

[FeC45H44P2N4][BF4]2: C 57.98, H 4.76, N 6.01, Found: C 54.66, H 4.92, N 6.04.** MS (DART, m/z+): 380.2 

[FeC45H44P2N4]2+. 

R1 = CH2Ph, R2 = H (19e): In a nitrogen filled glovebox, (17e) (0.025 g, 0.042 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 

(0.014  g,  0.42  mmol)  were  stirred  in  5  mL  of  acetonitrile  for  16  hours.  The  solution  was  then 

concentrated to 1 mL and washed with pentane (2 x 4 mL). The acetonitrile layer was then evaporated in 

vacuo to yield pure product as a bright pink solid. Yield = 38 mg = 95%. 

1H NMR (600MHz, CD3CN) δ: 7.06‐7.83 (m, 29H, Ph‐CH), 3.90 (m, 1H, N‐CH2), 3.73 (m, 1H, P‐CH2), 3.13 

(m, 1H, CH2‐Ph), 3.02 (m, 1H, N‐CH2), 2.71 (m, 1H, N‐C(Bn)H), 2.60 (m, 1H, P‐CH2), 2.23 (m, 1H, Ph‐CH2), 

1.98  (s, NC‐CH3/NC‐CD3),  1.97  (NH, determined  indirectly using  1H‐1H‐COSY) ppm.  31P  {1H}  (242 MHz, 

CD3CN) δ: 48.82 (d, J = 139.9 Hz) and 41.38 (d, J = 139.9 Hz) ppm. 13C {1H} (150 MHz, CD3CN) δ: 126‐133 

(Ph‐C), 123.0  (NCMe), 63.78  (N‐C(Bn)H), 52.72  (N‐CH2), 37.87 (P‐CH2), 30.1  (Ph‐CH2) and 1.06 (NC‐CH3) 

ppm. Anal. Calcd. For [FeC46H46P2N4][BF4]2: C 58.39, H 4.90, N 5.92, Found: C 49.34, H 4.78, N 5.56.** MS 

(ESI, m/z+): 656.2 [FeC40H37P2N][Li]+ (loss of three MeCN). 

R1 = iPr, R2 = H (19f): In a nitrogen filled glovebox, (17f) (0.063 g, 0.12 mmol) and [Fe(H2O)6][BF4]2 (0.039 

g, 0.12 mmol) were stirred in 12 mL of acetonitrile for 16 hours. The solution was then concentrated to 2 

Page 196: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

172  

mL and washed with pentane  (2 x 5 mL). The acetonitrile  layer was then evaporated  in vacuo to yield 

pure product as a bright pink solid. Yield = 88 mg = 83%. 

1H NMR  (400MHz, CD3CN) δ: 7.22‐7.86  (m, 24H, Ph‐CH), 4.12  (m, 1H, N‐CH(iPr)), 3.66  (m, 1H, N‐CH2), 

3.44 (m, 1H, P‐CH2), 2.84 (m, 1H, N‐CH2), 2.13 (P‐CH2, determined indirectly from 13C‐1H HSQC), 1.99 (s, 

NC‐CH3/NC‐CD3), 1.43 (br s, 1H, NH), 1.19 (m, 1H, iPr‐CH) and 0.77 (br m, 6H, iPr‐CH3) ppm. 31P {1H} (161 

MHz, CD3CN) δ: 49.55 (d, J = 139.8 Hz) and 41.25 (d, J = 139.8 Hz) ppm. 13C {1H} (100 MHz, CD3CN) δ: 128‐

135  (Ar‐C and P‐Ar‐C), 121.90  (NCMe), 62.01  (N‐CH(iPr)) 51.69  (N‐CH2), 23.95  (P‐CH2), 20.64  (iPr‐CH), 

12.55  (iPr‐CH3) and 0.83  (NC‐CH3) ppm. Anal. Calcd. For  [FeC42H46P2N4][BF4]2: C 56.16, H 5.16, N 6.23, 

Found: C 47.42, H 4.38, N 6.23.** MS (ESI, m/z+): 362.2 [FeC42H46P2N4]2+and 608.2 [FeC36H37P2N]Li

+. 

5.5.12 Synthesis of Fe(P‐N‐P)(CO)Br2 (20) 

In a nitrogen filled glovebox, (16a) (0.05 g, 0.1 mmol) was added to a solution of FeBr2 (0.22 g, 0.1 mmol) 

in 5 mL THF and stirred at room temperature for 45 minutes. The solution was then frozen using liquid 

nitrogen  and  the  gases  removed  under  reduced  pressure.  A  carbon  monoxide  headspace  was 

introduced and the solution was allowed to warm to room temperature and stirred for an additional 2 

hours. The solvent was removed under reduced pressure and the crude product was washed with ether 

and hexanes. The residue was dissolved  in minimal amounts of DCM and the product was precipitated 

out with  cold  pentane.  The  powder  was  filtered  and washed  with  cold  pentane,  then  dried  under 

reduced pressure to yield pure Fe‐P‐N‐P product. Yield = 63 mg = 85%. 

1H NMR (600 MHz, CD2Cl2) δ: 8.36 (s, 1H, N=CH), 8.25 (dd, 2H, Ph‐CH, J = 7.7 and 10.0 Hz), 8.08 (m, 2H, 

Ph‐CH), 8.03 (m, 2H, Ph‐CH), 7.31‐7.65 (m, 17H, Ph‐CH), 7.26 (t, 1H, Ph‐CH, J = 8.1 Hz), 4.00 (m, 1H, N‐

CH2), 3.43 (m, 1H, N‐CH2),3.02 (m, 1H, P‐CH2) and 2.55 (m, 1H, P‐CH2) ppm. 31P {1H} (242 MHz, CD2Cl2) δ: 

44.01 (d, J = 216.9 Hz), 39.55 (d, J = 216.9 Hz) ppm. 13C {1H} (150 MHz, CD2Cl2) δ: 173.7 (N=CH),126‐137 

(Ph‐C), 71.5  (N‐CH2) and 24.1  (P‐CH2) ppm. Anal. Calcd. For  [C34H29NP2OFeBr2]: C 54.8, H 3.92, N 1.88, 

Found: C 54.93, H 4.19, N 2.74. MS (TOF‐ESI, m/z+): 636.0 [C33H29NP2FeBr]+ (Loss of CO, Br). IR: v(CO) = 

1960.6 cm‐1. 

Note: Synthesis yields a mixture of cis/trans with a ratio of 8% trans based on the cis Br/CO disorder in 

the crystal structure. Minor trans species also observable by 31P NMR spectroscopy at 64.8 and 57.8 ppm 

(doublets, J = 184 Hz). 

Page 197: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

173  

5.5.13 Transfer Hydrogenation Catalysis 

To a vial containing pre‐catalyst (6 mg, 0.007 mmol) and KOtBu (6 mg, 0.054 mmol), isopropanol (6 mL, 

78 mmol)  and  acetophenone  (0.5 mL,  4.3 mmol) were  added  at  28oC,  in  an  argon  filled  glovebox. 

Solutions were stirred vigorously, and samples were taken from the mixture, quenched by exposure to 

air  and  analysed  by  gas  chromatography.  All  of  the  catalytic  results  were  reproduced  to  ensure 

consistency. 

5.5.14 Ammonia‐Borane Dehydrogenation Catalysis 

In an argon  filled glovebox, pre‐catalyst  (6 mg, 0.007 mmol) and ammonia‐borane  (AB)  (10 mg, 0.32 

mmol) were added to a 25 mL two‐neck round‐bottom flask which was sealed with a rubber septum and 

a 10 mL dry‐addition flask containing KOtBu (8 mg, 0.071 mmol). The sealed system was removed from 

the glovebox and submerged  in a 24oC water bath before 5 mL THF was added to the flask and stirred 

for 10 minutes. A cannula needle was used to pierce the septum and an upturned 50 mL burette filled 

with water was used to measure the evolution of gas. To start the reaction, the dry‐addition flask was 

tilted,  and  base was  added  to  the  reaction, which was  stirred  vigorously. Hydrogen  production was 

measured  in terms of volume displacement of water  in the burette as a measure of time. All catalytic 

results were reproduced to ensure consistency. [C:B:S = 1:10:45]   

Page 198: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

174  

5.6 References 

  (1)  Blaser, H. U.; Malan, C.; Pugin, B.; Spindler, F.; Steiner, H.; Studer, M. Adv. Synth. Catal. 

2003, 345, 103. 

  (2)  Naud, F.; Spindler, F.; Rueggeberg, C.  J.; Schmidt, A. T.; Blaser, H. U. Org. Process Res. 

Dev. 2007, 11, 519. 

  (3)  Bullock, R. M. Catalysis without Precious Metals; Wiley‐VCH: Hoboken, NJ, 2010. 

  (4)  Bullock, R. M. Science 2013, 342, 1054. 

  (5)  Morris, R. H. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2282. 

  (6)  Zuo, W.; Lough, A. J.; Li, Y. F.; Morris, R. H. Science 2013, 342, 1080. 

  (7)  Sonnenberg,  J. F.; Coombs, N.; Dube, P. A.; Morris, R. H.  J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

5893. 

  (8)  Mikhailine, A. A.; Maishan, M. I.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

12266. 

  (9)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9662. 

  (10)  Mikhailine, A.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1394. 

  (11)  Sui‐Seng, C.; Freutel, F.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 940. 

  (12)  Meyer, N.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Chem. Eur. J. 2009, 15, 5605. 

  (13)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2010, 49, 10057. 

  (14)  Sues, P. E.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Organometallics 2011, 30, 4418. 

  (15)  Mikhailine, A. A.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2010, 49, 11039. 

  (16)  Prokopchuk,  D.  E.;  Sonnenberg,  J.  F.; Meyer,  N.;  Zimmer‐De  Iuliis, M.;  Lough,  A.  J.; 

Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 3056. 

  (17)  Mikhailine, A. A.; Maishan, M. I.; Morris, R. H. Org. Lett. 2012, 14, 4638. 

  (18)  Langer, R.; Leitus, G.; Ben‐David, Y.; Milstein, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2120. 

  (19)  Langer, R.;  Iron, M. A.; Konstantinovski, L.; Diskin‐Posner, Y.; Leitus, G.; Ben‐David, Y.; 

Milstein, D. Chem. Eur. J. 2012, 18, 7196. 

  (20)  Alberico, E.; Sponholz, P.; Cordes, C.; Nielsen, M.; Drexler, H.‐J.; Baumann, W.; Junge, H.; 

Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125, 14412. 

  (21)  Werkmeister,  S.;  Junge,  K.; Wendt, B.; Alberico,  E.;  Jiao, H.; Baumann, W.;  Junge, H.; 

Gallou, F.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 10.1002/anie.201402542. 

Page 199: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

175  

  (22)  Chakraborty, S.; Dai, H.; Bhattacharya, P.; Fairweather, N. T.; Gibson, M. S.; Krause, J. A.; 

Guan, H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7869. 

  (23)  Chakraborty, S.; Brennessel, W. W.; Jones, W. D. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 8564. 

  (24)  Casey, C. P.; Guan, H. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5816. 

  (25)  Casey, C. P.; Guan, H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2499. 

  (26)  Berkessel,  A.;  Reichau,  S.;  von  der  Höh,  A.;  Leconte,  N.;  Neudörfl,  J.  r.‐M. 

Organometallics 2011, 30, 3880. 

  (27)  Zhou, S.; Fleischer, S.; Junge, K.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5120. 

  (28)  Noyori, R.; Ohkuma, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 40. 

  (29)  Noyori, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2008. 

  (30)  Noyori, R.; Yamakawa, M.; Hashiguchi, S. J. Org. Chem. 2001, 66, 7931. 

  (31)  Ikariya, T.; Murata, K.; Noyori, R. Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 393. 

  (32)  Hasanayn, F.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2012, 51, 10808. 

  (33)  Zimmer‐De Iuliis, M.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 11263. 

  (34)  Morales‐Morales,  D.;  Jensen,  C.  The  Chemistry  of  Pincer  Compounds;  Elsevier: 

Amsterdam, The Netherlands, 2007. 

  (35)  Lagaditis, P. O.; Sues, P. E.; Sonnenberg, J. F.; Wan, K. Y.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. 

Chem. Soc. 2014, 136, 1367. 

  (36)  Benito‐Garagorri, D.; Alves,  L. G.  a.; Veiros,  L.  F.;  Standfest‐Hauser, C. M.; Tanaka,  S.; 

Mereiter, K.; Kirchner, K. Organometallics 2010, 29, 4932. 

  (37)  Trovitch, R. J.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J. Inorg. Chem. 2006, 45, 7252. 

  (38)  Gusev, D. G.; Hübener, R.; Burger, P.; Orama, O.; Berke, H. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 

3716. 

  (39)  Schott, D.; Callaghan, P.; Dunne, J.; Duckett, S. B.; Godard, C.; Goicoechea, J. M.; Harvey, 

J. N.; Lowe, J. P.; Mawby, R. J.; Muller, G.; Perutz, R. N.; Poli, R.; Whittlesey, M. K. Dalton Trans. 2004, 

3218. 

  (40)  Bautista, M. T.; Earl, K. A.; Maltby, P. A.; Morris, R. H.; Schweitzer, C. T. Can.  J. Chem. 

1994, 72, 547. 

  (41)  Lehn,  J.‐M.  Supramolecular  Chemistry:  Concepts  and  Perspectives;  VCH:  Weinhiem, 

1995. 

  (42)  Alberto, R.; Ortner, K.; Wheatley, N.; Schibli, R.; Schubiger, A. P. J. Am. Chem. Soc. 2001, 

123, 3135. 

Page 200: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

176  

  (43)  Lagaditis, P. O.; Mikhailine, A. A.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Inorganic Chemistry 2009, 49, 

1094. 

  (44)  Benito‐Garagorri, D.; Puchberger, M.; Mereiter, K.; Kirchner, K. Angew. Chem.  Int. Ed. 

2008, 47, 9142. 

  (45)  Benito‐Garagorri, D.; Alves, L. G.; Puchberger, M.; Mereiter, K.; Veiros, L. F.; Calhorda, 

M. J.; Carvalho, M. D.; Ferreira, L. P.; Godinho, M.; Kirchner, K. Organometallics 2009, 28, 6902. 

  (46)  Saitoh, A.; Uda, T.; Morimoto, T. Tetrahedron: Asymmetry 1999, 10, 4501. 

  (47)  Kawamura, K.; Fukuzawa, H.; Hayashi, M. Org. Lett. 2008, 10, 3509. 

  (48)  Xiao, H.; Chai, Z.; Zheng, C.‐W.; Yang, Y.‐Q.; Liu, W.; Zhang, J.‐K.; Zhao, G. Angew. Chem. 

Int. Ed. 2010, 49, 4467. 

  (49)  Veitía, M. S.‐I.; Brun, P. L.; Jorda, P.; Falguières, A.; Ferroud, C. Tetrahedron: Asymmetry 

2009, 20, 2077. 

  (50)  Ito, M.; Osaku, A.; Kobayashi, C.; Shiibashi, A.; Ikariya, T. Organometallics 2009, 28, 390. 

  (51)  Foubelo, F.; Yus, M. Tetrahedron: Asymmetry 1996, 7, 2911. 

  (52)  Sui‐Seng, C.; Haque, F. N.; Hadzovic, A.; Pütz, A. M.; Reuss, V.; Meyer, N.; Lough, A. J.; 

Zimmer‐De Iuliis, M.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2009, 48, 735. 

  (53)  Guo, R.; Lu, S.; Chen, X.; Tsang, C.‐W.; Jia, W.; Sui‐Seng, C.; Amoroso, D.; Abdur‐Rashid, 

K. J.Org. Chem. 2009, 75, 937. 

  (54)  Prokopchuk, D. E.; Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 7375. 

  (55)  Gao,  J. X.; Zhang, H.; Yi, X. D.; Xu, P. P.; Tang, C.  L.; Wan, H.  L.; Tsai, K. R.;  Ikariya, T. 

Chirality 2000, 12, 383. 

  (56)  Gao, J.‐X.; Ikariya, T.; Noyori, R. Organometallics 1996, 15, 1087. 

  (57)  Gao, J.‐X.; Wan, H.‐L.; Wong, W.‐K.; Tse, M.‐C.; Wong, W.‐T. Polyhedron 1996, 15, 1241. 

  (58)  Li, T.; Churlaud, R.; Lough, A.  J.; Abdur‐Rashid, K.; Morris, R. H. Organometallics 2004, 

23, 6239. 

  (59)  Bluhm, M. E.; Walter, O.; Döring, M. J. Organomet. Chem. 2005, 690, 713. 

  (60)  Wehman,  P.; Rulke,  R.  E.;  Kaasjager, V.  E.;  Kamer,  P.  C.  J.;  Kooijman, H.;  Spek, A.  L.; 

Elsevier, C. J.; Vrieze, K.; van Leeuwen, P. W. N. M. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995, 331. 

  (61)  Kawamura, K.; Fukuzawa, H.; Hayashi, M. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2011, 84, 640. 

  (62)  Clarke, M. L.; Díaz‐Valenzuela, M. B.; Slawin, A. M. Z. Organometallics 2007, 26, 16. 

  (63)  Díaz‐Valenzuela, M. B.; Phillips, S. D.; France, M. B.; Gunn, M. E.; Clarke, M. L. Chem. Eur. 

J. 2009, 15, 1227. 

Page 201: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

177  

  (64)  Carpenter,  I.; Eckelmann, S. C.; Kuntz, M. T.; Fuentes, J. A.; France, M. B.; Clarke, M. L. 

Dalton Trans. 2012, 41, 10136. 

  (65)  Phillips, S. D.; Andersson, K. H. O.; Kann, N.; Kuntz, M. T.; France, M. B.; Wawrzyniak, P.; 

Clarke, M. L. Catal. Sci. Technol. 2011, 1. 

  (66)  Phillips, S. D.; Fuentes, J. A.; Clarke, M. L. Chem. Eur. J. 2010, 16, 8002. 

  (67)  Sonnenberg, J. F.; Morris, R. H. ACS Catal. 2013, 3, 1092. 

  (68)  Marcó, A.; Compañó, R.; Rubio, R.; Casals, I. Microchim. Acta 2003, 142, 13. 

  (69)  Imwinkelried, R.; Hegedus, L. S. Organometallics 1988, 7, 702. 

 

   

Page 202: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

178  

Chapter 6: Conclusions and Future 

Directions 

6.1 Conclusions 

In 2008  the Morris group published breakthrough  research on  the use of  chiral P‐N‐N‐P  tetradentate 

ligands on  iron for the asymmetric transfer and direct hydrogenation (TH and DH) of ketones to chiral 

alcohols.1 Using  the  ligand systems developed by  Jeffery et. al.2 and  later extended by Gao et. al.3‐6 a 

series of [Fe(P‐N‐N‐P)(NCMe)2][BF4]2 and [Fe(P‐N‐N‐P)(CO)(NCMe)][BF4]2 precatalysts were tested for DH 

and  TH  respectively,  yielding promising  turnover  frequencies  (TOF)  and  enantiomeric  excesses  (e.e.), 

especially for TH.1,7,8 Given that the ligands were initially developed for ruthenium, it was proposed that 

a new generation of Fe(P‐N‐N‐P) catalysts bearing smaller chelating rings would  improve both activity 

and selectivity, as the  ligand would provide a better  ‘fit’ around the smaller  iron atom. This  led to the 

development of a highly active and selective second generation catalyst bearing all 5‐membered rings 

(the  5,5,5‐system).9  These  new  [Fe(P‐N‐N‐P)(CO)Br][BPh4]  precatalysts  could  be  synthesized  using  a 

template reaction of phosphonium dimers, base, chiral diamine and iron, allowing for facile modification 

of  the  groups  on  phosphorus  and  the N‐N  backbone.10‐12  The  new  system  proved  to  be much more 

active and selective than the first generation 6,5,6‐system, achieving TOFs up to 30,000 h‐1 and e.e. up 

to 90%, versus the 2600 h‐1 and 65% of the 6,5,6‐system. This was surpassed further by our subsequent 

third generation system which achieved TOFs of up to 200 s‐1.13  

The initial project goal of my work was to investigate the first generation (6,5,6‐) catalyst and attempt to 

elucidate a reaction mechanism. At the time,  it was predicted that the 6,5,6‐ and 5,5,5‐systems would 

operate via the same mechanism, and therefore a separate investigation was undertaken to confirm the 

mechanism with the more active system.14,15 Initial investigations of the 6,5,6‐system involved the use of 

spectroscopic (NMR) and computational (DFT) techniques.16 31P {1H} NMR spectra of activated catalytic 

solutions showed the presence of  free  ligand and oxidized  free  ligand, as well as a pair of doublets at 

84.1 and 68.7 with 2JPP = 29 Hz. Treatment of the [Fe(P‐N‐N‐P)(CO)(NCMe)][BF4]2 precatalyst with base 

allowed  for  the  growth  of  crystals  of  a  ferraaziridine  complex  suitable  for  single‐crystal  X‐ray 

crystallography. One side of the ligand arm was folded upwards in this complex. Further reduction with 

base led to the proposed formation of a ferraaziridinido species, which matched with the experimentally 

Page 203: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

179  

observed NMR data of the activated solutions. This species was found to not be catalytically active, and 

therefore NMR mass‐balance experiments were undertaken. Using OPPh3 as an internal standard, it was 

determined that only 43% of the phosphorus containing species could be observed,  indicating that the 

active  species  was  likely  NMR  silent.  The  mechanism  of  formation  of  the  ferraaziridine  and 

ferraaziridinido  species  was  then  studied  using  DFT,  and  demonstrated  that  ligand  folding  and  the 

formation of the unsymmetrical complexes was highly energetically favourable. DFT also indicated that 

reduction of these species to zero‐valent Fe(P‐N‐N‐P)(CO) was thermodynamically favourable, and likely 

occurring during catalysis. 

Given  that  the  active  species  may  be  derived  from  zero‐valent  iron,  a  more  detailed  mechanistic 

investigation  was  undertaken  to  probe  whether  the  true  catalyst  could  be  heterogeneous  iron 

nanoparticles (Fe NPs).17 We began by investigating the reaction profile, which was sigmoidal in shape; 

the induction period was found to be due to the reaction of the precatalyst with base, followed by rapid 

catalytic activity and eventual equilibration. We were then able to completely stop catalysis with 10% 

PMe3  poison  relative  to  iron,  as  well  as  15%  PMe2Ph  or  15%  pentanethiol.  This  type  of  sub‐

stoichiometric poisoning provided  strong evidence  for a NP  catalyst, which was  further  supported by 

scanning  transmission electron microscopy  (STEM)  imaging which  showed  the presence of 3‐4 nm Fe 

particles.  Superconducting  quantum  interference  device  (SQUID)  magnetometry  demonstrated  the 

presence of a blocking temperature in the zero‐field‐cooled field‐cooled (ZFC‐FC) experiment, providing 

further evidence that superparamagnetic Fe NPs were present during catalysis. To probe whether the Fe 

NPs  were  the  actual  active  species,  we  first  employed  a  porous  polymer  supported  benzaldehyde 

substrate in catalysis to demonstrate that the active species was too large to permeate the pores of the 

polymer. Next, we combined the 15% pentanethiol poisoning experiments with EDX and STEM analysis 

to prove that the sulfur of the poison was binding to the surface of the Fe NP and  inhibiting catalysis, 

providing the final piece of evidence to strongly support that the active species in asymmetric TH was in 

fact Fe NPs coated in chiral P‐N‐N‐P ligand. 

Upon transitioning to  iron‐based asymmetric catalysis, the primary expense  is no  longer the metal but 

the chiral ligand used. In homogeneous catalysis, a one‐to‐one ratio of ligand and metal are required for 

activity, whereas in a NP catalyst, only the surface metal atoms require bound ligand. This means that it 

is  hypothetically  feasible  to  use  a  substoichiometric  amount  of  ligand  to  induce  the  same 

transformations, which,  in  the case of  iron  systems, can  significantly  reduce  the associated costs. We 

attempted to take advantage of this concept by independently synthesizing Fe NPs using a wide variety 

Page 204: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

180  

of known  techniques18‐22 and adding  ligand; unfortunately we were unable  to  reproduce  the catalytic 

behaviour of our original  system. We hypothesized  that  this  is  likely due  to  specific  interactions  that 

require the particular activation process of the precatalyst, as well as the fact that the ligand is already 

bound to iron in the precatalyst. Although we were not successful at applying this concept with our TH 

system, we continued to think about it as we studied other areas of catalysis with Fe NPs. 

TH  is an equilibrium process due to the  inherent reversibility of the proton/hydride transfer, making  it 

feasible  to  catalyse  the  reverse  reaction,  the oxidation of alcohols  to ketones using a proton/hydride 

acceptor. If a chiral catalyst is used, it becomes feasible to selectively oxidize only one enantiomer of a 

racemic  alcohol  to  ketone,  leaving  the  other  enantiomer  unaffected,  yielding  an  enantioenriched 

solution in up to 50% yield. This process is called oxidative kinetic resolution,23 and we tested our Fe NP 

system  for  this  transformation on  racemic aromatic alcohols.24  Initial explorations were done using 1‐

phenylethanol (PE), our chiral Fe(P‐N‐N‐P)(CO)(NCMe)[BF4]2 precatalyst, and activation with strong base, 

KOtBu. We tested both acetone and benzophenone/THF as the proton/hydride acceptors and solvents 

and found that activity and selectivity was lower using acetone, likely due to the formation of enolates 

in the presence of strong base. The use of NaOiPr confirmed this, as activity using the weaker base was 

significantly  improved,  at  the  expense  of  selectivity.  Further  optimization  indicated  that  the  use  of 

benzophenone/THF  at  elevated  temperatures  of  45  oC  provided  optimal  activity  and  selectivity, 

achieving  TOFs  of  171  h‐1  and  relative  rate  (s)  of  6.0  (measure  of  the  relative  conversion  of  one 

enantiomer over  the other)  for PE  to acetophenone. Using  the optimized conditions, we conducted a 

substrate scope to explore the effect of changing the electronics and sterics of the system. Upon going 

to bulkier substrates, activity decreased significantly, but selectivity was greatly improved, achieving s = 

10.2 for 2‐methyl‐1‐phenylpropanol. For the non‐conjugated system, 4‐phenyl‐2‐butanol, very low TOFs 

and relative selectivities of 3.3 h‐1 and 1.7, respectively, were achieved. Lastly, we studied the influence 

of  varying  electronics  using  chloro  and methyl  substituents  on  the  aromatic  ring,  and  found  varied 

results; chloro substitution had a negligible effect on selectivity and slightly decreased activity, whereas 

para‐methyl substitution improved the activity (TOF =  335 h‐1), but had a negligible effect on selectivity 

(s  =  5.3).  To  probe  the  heterogeneity  of  the  system, we  employed  a  similar  series  of  tests  to  those 

previously  used  for  TH;  substoichiometric  poisoning with  PMe3,  STEM  imaging  and  induction  period 

analysis all suggested a similar Fe NP system as the active species. Porous polymer‐bound PE was also 

tested for catalysis, and using magic angle spinning (MAS) 13C {1H} semi‐solid state NMR spectra of the 

resultant polymer resins, we were able to show that oxidation to acetophenone did not occur within the 

Page 205: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

181  

pore of  the polymer using our  Fe  catalyst,  further  supporting  Fe NP  catalysis by  the  same  reasoning 

previously discussed. 

Given  the propensity of our Fe NP systems  for a wide  range of catalysis  involving proton and hydride 

transfers, we were  interested  in testing  it for the dehydrogenation of ammonia‐borane (AB). For these 

studies we broadened our precatalyst scope, using both [Fe(P‐N‐N‐P)(CO)(NCMe)][BF4]2 and [Fe(P‐N‐N‐

P)(NCMe)2][BF4]2 precatalysts with either a bulkier 1,2‐diphenylethylenediamine (dpen) backbone or the 

less bulky, achiral, ethylene variant.25 Initial tests were done in iPrOH for the dehydrogenation of AB to 

form borates, B(OiPr)3, and up  to 2.9 equivalents of H2, with  limited  recyclability. Bis‐MeCN  catalysts 

were more active, but deactivated more rapidly than the CO‐trans‐MeCN systems,  indicating the more 

rapid formation of active species which, as a result, are poorly stabilized. Also of  interest was that the 

system bearing  the bulkier dpen backbone was slightly more active  than  the achiral system; however 

none of the systems tested were active in H2O as a solvent. Using protic solvents results in the formation 

of borates, and we were  interested  in generating recyclable B‐N containing polymers and oligomers,26 

and  therefore  tested  our  systems  in  aprotic  solvents.  In  THF,  our  systems  were  immensely  active, 

releasing over one equivalent of H2  in  less than 30 seconds. Our dpen system was slightly more active 

than  the  achiral  system,  and  the  bis‐MeCN  systems  showed more  rapid  initial  activity,  as  had  been 

observed  in  iPrOH. We were able  to achieve maximum TOFs of up  to 3.66 s‐1, observed high catalytic 

activity  at  0  oC,  and  generated  primarily  borazine,  polyborazylene  and  short  B‐N  oligomers.  STEM 

indicated that the active species were likely Fe NPs, however further studies into the true nature of the 

catalyst were not conclusive due to the high activity of the system. We also found a dependence of rate 

of H2 release on the concentration of base; catalysis was slower with lower loadings of base.  

As  discussed  previously,  our  ultimate  goal  behind  employing  NP  catalysts  was  to  use  less  of  the 

expensive ligands to achieve the same levels of catalytic activity. We therefore tested Fe2+ sources such 

as  FeBr2  and  [Fe(H2O)6][BF4]2  without  ligand  in  catalysis,  and  observed  the  slow  release  of  0.6 

equivalents of H2 over one hour. The addition of one equivalent of achiral P‐N‐N‐P ligand improved the 

activity,  yielding  comparable  results  to  the pre‐synthesized  [Fe(P‐N‐N‐P)(NCMe)2]2+  systems. We  then 

tested the addition of substoichiometric amounts of P‐N‐N‐P  ligand, and observed comparable activity 

when as  little as 0.15 equivalents P‐N‐N‐P (relative to  iron) was added as had been observed with the 

addition of equimolar amounts. Also,  the use of bulkier P‐N‐N‐P  ligands  improved catalysis relative  to 

the  achiral  system,  as  would  be  expected  from  the  previous  studies.  Lastly,  we  studied  the 

Page 206: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

182  

dehydrogenation of dimethylamine‐borane and achieved modest activity, however a wide variety of B‐N 

products were observed, indicative of low catalyst selectivity. 

Following  the  successful  development  of  three  highly  active  and  selective  iron‐P‐N‐N‐P  catalyst 

generations for TH, our group became interested in studying DH, as it is a much more atom economical 

process. Learning from the literature, we sought to develop new iron‐based catalysts for the DH of polar 

double bonds that would contain P‐N‐P pincer  ligands, chirality, carbonyl group(s) and would allow for 

the use of the N‐H Effect.27‐33 This was accomplished with the development of a new series of mer‐trans‐

[Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4] precatalysts  that  could be generated by  the  template  reaction of a  chiral PN 

ligand  with  a  phosphine‐aldehyde  derived  from  a  phosphonium  dimer  on  FeBr2  under  a  CO  (g) 

atmosphere,  followed by silver‐mediated carbonyl  ligand exchange.34 A variety of these systems could 

be developed by changing the PR2 groups (using different phosphonium dimers) as well as changing the 

PN  ligands used.  It was found that for PR2 with R = Cy or  iPr highly active systems could be developed 

(TOF = 1980 h‐1 for the achiral variant), however with R = Ph no activity was detected. Catalysts with PN 

derived  from norephedrine  (and R = Cy) were highly active and selective  (TOF = 1980 h‐1, e.e. = 80%), 

whereas catalysts with PN ligands derived from amino acids with only one stereogenic centre were less 

active  (TOF  ranging  from 250‐800 h‐1 and e.e.  ranging  from 13‐74%), at 50  oC and 5 atm H2  in a Parr 

reactor.  These  results  indicated  that  two  chiral  stereogenic  centres  were  needed  to  optimize  the 

substrate directing capabilities of the ligand by maintaining ligand rigidity and structure. 

Given how active and selective many of these catalysts were, we were  interested  in  investigating their 

mechanism of action using experimental and computational methods. For simplicity, we focussed on the 

activation process and catalysis of the achiral system with P‐N‐P’ = PPh2CH2CH2N=CHCH2PiPr2. To achieve 

catalytic  activity,  the  [Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4]  precatalysts  needed  to  first  be  activated  with  LiAlH4, 

followed  by  excess  alcohol. Using NMR  spectroscopy, we were  determined  that  the  species  formed 

during  these  activation  steps was  a  Fe(P‐NH‐P’)(CO)(H)(OR)  complex, which  could  be  analysed  as  a 

mixture of two isomers (N‐H up and down relative to hydride). For catalysis, the solution then needed to 

be  injected  into  a  reactor  pressurized with H2  and  base  added.  By NMR  spectroscopy,  the  alkoxide 

complex  is converted  into a trans‐dihydride complex, mer‐trans‐Fe(P‐NH‐P’)(CO)(H)2, when exposed to 

KOtBu  and H2, which  is  equally  as  active  for  the DH  of  ketones  as  the  in  situ  prepared  system. No 

reaction  occurs without  base,  and  the  formation  of  zero‐valent  Fe(P‐NH‐P’)(CO)2  occurs  under  basic 

conditions without  the presence of H2;  the dicarbonyl  is not  catalytically active. The  two hydrides of 

trans‐Fe(P‐NH‐P’)(CO)(H)2  are  similar,  but  inequivalent,  based  on  1H  NMR  data, which  indicated  the 

Page 207: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

183  

presence of an N‐H or K+ bound amide species. The cation‐assisted mechanism was disproven based on 

2,2,2‐cryptand addition experiments,  leaving a  likely N‐H based mechanism for the catalytic cycle. DFT 

calculations provided evidence that the formation of an N‐H, dihydride species was likely occurring and 

was the entry point  into the catalytic cycle. DFT also suggested that H2 splitting between the  iron and 

amide was  the highest energy  step of  the  cycle, but  that under  catalytic  conditions  the  reaction was 

quite reasonable. Lastly, we experimentally probed the base dependence of the system and determined 

that A) both Na+ and K+ bases functioned effectively in catalysis, B) weak bases such as NaOMe were not 

effective,  and  C)  base  is  required  during  the  catalytic  cycle  (not  just  for  activation). A)  Supports  the 

contention that the cation  is not  involved  in catalysis, as was shown with the cryptand experiment. B) 

Suggests that strong base is needed to protect the catalytic amide (potential pKa dependence), because 

DFT indicated that H2 splitting at the amide was the rate determining step. C) Supports the argument in 

B) that strong base  is somehow required to keep the  iron system within the catalytic cycle, potentially 

preventing unwanted side reactions, although this is still under investigation. 

To further expand our work with Fe(P‐N‐P) DH systems, we were interested in developing a new library 

of  systems  that would  vary  the  ligand  chirality,  flexibility  and  structure,  as well  as  introduce  an N‐H 

functionality.  Given  the  successful  development  of  6,5,6‐(P‐N‐N‐P)  ligands  and  iron  complexes,  we 

investigated the use of o‐phenylene linkers in the phosphine aldehyde to develop a new series of P‐N‐P 

ligands  using  the  PN  ligands  previously  studied.  The  P‐N‐P  ligands  could  also  be  reduced  to  P‐NH‐P 

ligands  using  either  NaBH4  or  LiAlH4  to  expand  the  ligand  library  and  introduce  the  desired  N‐H 

functionality. Using this new library of chiral P‐N‐P and P‐NH‐P ligands we synthesized and characterized 

the  corresponding  [Fe(P‐N‐P)(NCMe)3][BF4]2  and  [Fe(P‐NH‐P)(NCMe)3][BF4]2  complexes  which  were 

inactive for TH, DH and AB dehydrogenation. Lastly, we investigated the applicability of the P‐N‐P and P‐

NH‐P ligands with FeBr2 and CO (g) for the synthesis of precatalysts that would be similar to the [Fe(P‐N‐

P’)(CO)2Br][BF4] systems previously discussed. Unfortunately the systems were highly unstable, and only 

the achiral variant could be cleanly synthesized and tested, yielding TOF of 900 h‐1 at 50 oC and 25 atm 

H2. 

To conclude, we have explored several areas of catalysis from TH and DH to oxidative kinetic resolution 

and  the  dehydrogenation  of  AB  to  generate  H2  using  iron  systems,  both  heterogeneous  and  likely 

homogeneous. We have developed  a  series of  key  tests  to probe  the heterogeneity of  catalysts  and 

detailed  its applicability  for  several of our catalytic  systems. We have also developed a new  series of 

chiral  DH  catalysts  using  Fe(P‐N‐P)  systems  that  show  tremendous  promise,  and  open  many  new 

Page 208: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

184  

potential avenues of investigation into the wider applicability of iron to replace precious metal catalytic 

systems. 

6.2 Future Directions 

The use of iron in catalysis is a rapidly growing and developing field as it holds promise for much more 

benign, cheap and earth abundant replacements to the toxic and expensive precious metals currently in 

use  in  industry.  Following  the  discoveries  and  advancements  detailed  in  this  dissertation,  there  are 

several areas of  investigation  that warrant  further studies. These have been broken  into several main 

avenues of investigation, and are as follows: 

6.2.1 Investigating the True Nature of the Catalyst 

Given the difficulty in evaluating the true nature of our iron catalysts, as well as the strong evidence that 

the structurally similar 5,5,5‐systems were homogeneous  in nature, we posit that there are many  iron 

systems  reported  in  the  literature  that  are  erroneously  identified  as homogeneous. Determining  the 

true nature of an active catalyst can be immensely valuable as it allows for more rational catalyst design 

and  insightful modifications  to be made. Although  there  is no way of  conclusively proving whether a 

catalyst is homogeneous or heterogeneous, we have outlined a series of tests that would be valuable to 

apply to newly developed iron systems to provide preliminary insights into a catalysts’ true nature.  

There  are many  iron  catalysts  in  the  literature  that  we  suspect may  operate  via  a  heterogeneous 

mechanism  that warrant  further  investigation.  Herein we will  highlight  a  few  recent  systems  in  the 

literature as well as why we are suspicious of the catalyst’s true nature. First is the AB dehydrogenation 

system developed by Baker and  coworkers35 who  report  the use of highly  reducing  conditions,  labile 

ligands,  and  the  ready  detection  of  zero‐valent  bulk  iron  in many  cases  as  well  as  the  postulated 

involvement of Fe(0). Next is the free radical hydrofluorination of unactivated alkenes using Selectfluor 

reported by Barker and Boger36 This  system  is highly  suspicious as  they  report  the use of Fe(III) with 

NaBH4  in  aqueous  conditions without  the use of protective  ligands,  conditions quite  similar  to  those 

employed by Xu and coworkers  for the hydrolytic dehydrogenation of AB  in H2O using 3 nm Fe NPs.37 

Beller  and  coworkers  have  recently  published  the  use  of  a  tandem  iron  system  employing 

[Et3NH][HFe3(CO)11] and Fe(OAc)2 for the reduction of amides.38 Once again, the conditions are strongly 

reducing  and  they  are  able  to  add  ligand  in  situ  to  the  reaction  systems,  much  like  our  AB 

Page 209: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

185  

dehydrogenation system previously discussed.25 This system would be quite interesting to investigate as 

the  activity may be derived  from  the need  for both metal precursors  to develop  a highly  active  and 

specific NP  structure;  the  presence  of  one  Fe  source may  initiate  the  structure‐specific morphology 

required  to  garner  the  high  activity  observed  when  the  metals  are  used  in  tandem.  Next  is  the 

regioselective  synthesis  of  α‐aryl  carboxylic  acids  from  styrene  derivatives  and  CO2  developed  by 

Greenhalgh  and  Thomas.39  They  report  the  use  of  iron  halides with Grignard  reagents  for  catalysis, 

which has been previously reported to generate small (3‐4 nm) Fe NPs by both Bedford and de Vries.21,22 

Similarly, Hatakeyama et. al. reported the use of  iron halides with LiBr and magnesium amides (ArRN‐

MgBr) to generate non‐symmetrical triarylamines at elevated temperatures.40 Lastly,  is the use of zero 

valent  iron carbonyls and  ferrocenes under strongly  reducing conditions  to catalytically convert N2  (g) 

into N(SiMe3)3 recently reported by Yuki et. al.41 

Not only would it be valuable to explore systems developed by other groups, but the Fe(P‐N‐P) system 

developed  within  our  group34  and  discussed  in  detail  previously  also  warrants  close  investigation. 

Although we were able to detect reactive hydride species by NMR spectroscopy, the formation of Fe (0) 

species does occur during activation and strongly reducing conditions are also employed, indicating that 

some investigations into whether Fe NPs are present during catalysis should be undertaken. 

6.2.2 Broadening the Scope of the P‐N‐P System 

Another area that warrants further investigation is broadening the scope of the P‐N‐P ligands to include 

variability at both of the phosphorus groups as well as  introducing more chiral centres  into the  ligand. 

The methodology for developing the [Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4] precatalysts has been detailed for a variety 

of  PN  ligands  including  the  achiral  variant,  the  norphedrine‐derived  system,  and  three  amino  acid 

derived systems, and we  found that optimal activity and selectivity was achieved using the more rigid 

system which  contained  two  chiral  centres  (norephedrine  – Me/Ph).  Therefore, we  predict  that  the 

development of other systems that contain two chiral groups would also be worthwhile to  investigate, 

as would systems with varied flexibility, functionality and structure such as those shown in Figure 6.45. 

The  three  PN  systems  depicted  have  been  recently  developed  by  a  potential  collaborator  at  the 

University of Toronto and hold promise for the development of a new series of highly active systems. 

Page 210: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

186  

PAr2

NH2

NH2 PAr2 PAr2

NH2

PR2

N PAr2

Fe

BrCO

CO

R'

[BF4]R''

 

Figure 6.45: Potential chiral PN ligands for use in the synthesis of new Fe(P‐N‐P)(CO)2Br[BF4] precatalysts. 

Also of  interest  in  the development and modification of  the  functional groups of  the P‐N‐P catalyst  is 

changing the groups on phosphorus. As depicted in Figure 6.45, it is feasible to modify the groups on P 

(of  the  PN)  in  these  systems  to  other  aryl  groups  (not  just  Ph) which  could  significantly  change  the 

electronics  around  Fe.  For  the  norephedrine‐derived  system,  when  both  phosphorus  donors  are 

diphenylphosphine, the system is inactive, but with PiPr2 or PCy2 on one side the activity is dramatically 

improved.  This  suggests  that  replacing  diphenylphosphine with  dialkylphosphine  donors  significantly 

improves activity, and this follows from Milstein and Beller who have both developed highly active P‐N‐P 

systems where both phosphorus donors were PiPr2.28,42 This  is feasible  if phosphonium dimers bearing 

PR2 groups are used in the template reaction with PN ligands bearing PR’2 groups, as depicted in Scheme 

6.22. This would allow for in depth exploration into the effects of sterics and electronics of the catalyst 

on both activity and selectivity, as well as open up a new  library of available P‐N‐P’  ligands, much  like 

what was previously done by our group with our P‐N‐N‐P systems.10,12 

 

Scheme 6.22: Synthesis of new Fe(P‐N‐P')(CO)2Br[BF4] precatalysts bearing different groups on phosphorus.  

Transitioning to the 6,5‐ligand system also developed, a similar exploration  into the effect of changing 

both the chirality of the PN, as well as the groups on phosphorus would be worthwhile  to undertake. 

Many of the changes could be done as already detailed for the 5,5 system, requiring the development of 

new  chiral  PN  ligands  bearing  PR2  groups.  In  the  6,5‐system,  however,  the  phosphine  aldehyde 

employed in previous investigations, o‐(diphenylphosphino)benzaldehyde, is commercially available and 

Page 211: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

187  

contains a PPh2 functionality. The synthesis of ‐PR2 functionalized phosphine aldehydes of this type has 

been previously developed,43,44 and is shown in Scheme 6.23. 

Br

H

O

HO OH

p-TsOH Br

H

OO

1. n-BuLi, -78 oC

2. PR2Cl, -78 oCPR2

H

OO

p-TsOH

PR2

H

O

 

Scheme 6.23: Synthesis of phosphine aldehydes bearing PR2 functionality. 

 6.2.3 New Catalytic Directions 

The next area of  investigation we would  like to address  is the application of our PN and P‐N‐P  ligands 

with  other metals  in  catalysis,  and  the  use  of  other metals  in  templating  reactions. When we were 

attempting  to  synthesize  the  [Fe(P‐N‐P’)(CO)2Br][BF4]  catalyst  with  the  diphenyl  backbone  we  were 

unable to template and form the P‐N‐P  ligand, and rather ended up synthesizing  [Fe(PN)2(CO)Br][BF4]. 

Based on the activity achieved by Noyori with his DH system27 which contained a chiral diamine and a 

chiral diphosphine on ruthenium, we predict that the Ru(PN)2HCl complex may be quite active for DH. 

This may also hold true  for any bulkier PN  ligands employed  in  the synthesis of Fe‐(P‐N‐P’) complexes 

detailed previously, and would be an  interesting area of research. Also of  interest would be the use of 

other first row transition metals such as cobalt or nickel with the P‐N‐P and P‐NH‐P  ligands developed 

for applications  in hydrogenation,45‐48 hydrosilation,49 and dehydrogenation.50,51 Preliminary work also 

suggests  that  the  synthesis of a  library of chiral P‐N‐O  ligands  is  straightforward using methodologies 

developed within  this  dissertation,  as  depicted  in  Scheme  6.24, which  could  also  be  applied  to  the 

synthesis of new M(PNO)X systems with M = Cr, Co or Ni. Lastly  is the potential applicability of other 

metals  as  templating  agents  for  the  synthesis of  a wide  library of multi‐dentate  ligand  systems. Our 

group has shown using multiple systems the power of templating ligands using metal centres, including 

iron9 and nickel,52 and we propose that this methodology has the potential to allow for the synthesis of 

an enormous library of new ligands. 

 

Scheme 6.24: Synthesis of chiral P‐N‐O ligands using previously developed methodologies. 

Page 212: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

188  

6.2.4 The Iron Age 

The use of iron in catalysis is an ever growing and expanding field. Although there has been tremendous 

progress so far, there is still much work left to be done. Improvements need to be made to existing iron 

systems so that they can rival the precious metal systems currently in use; industry is averse to change, 

especially  as  it  pertains  to  increases  in  price  or  decreases  in  quality. What  this means  for  catalytic 

chemists  is that the new  iron systems being developed must be as active and selective as the precious 

metal  systems, operate under equal or milder conditions, and be as versatile,  recyclable, and easy  to 

remove  from product mixtures as  their precious metal counterparts.  In  the area of  iron catalysis, not 

only do improvements need to be made for existing systems, but new systems need to be developed in 

several areas of catalysis that have experienced limited progress in terms of potential iron replacements. 

These  areas  include  the  reduction  of  CO2  and  biomass  as  potential  energy  sources,  alkene 

hydrogenation, polymerization and much more.  

   

Page 213: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

189  

6.3 References 

  (1)  Sui‐Seng, C.; Freutel, F.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 940. 

  (2)  Jeffery, J. C.; Rauchfuss, T. B.; Tucker, P. A. Inorg. Chem. 1980, 19, 3306. 

  (3)  Gao, J.‐X.; Ikariya, T.; Noyori, R. Organometallics 1996, 15, 1087. 

  (4)  Gao, J.‐X.; Wan, H.‐L.; Wong, W.‐K.; Tse, M.‐C.; Wong, W.‐T. Polyhedron 1996, 15, 1241. 

  (5)  Gao,  J. X.; Zhang, H.; Yi, X. D.; Xu, P. P.; Tang, C.  L.; Wan, H.  L.; Tsai, K. R.;  Ikariya, T. 

Chirality 2000, 12, 383. 

  (6)  Li, T.; Churlaud, R.; Lough, A.  J.; Abdur‐Rashid, K.; Morris, R. H. Organometallics 2004, 

23, 6239. 

  (7)  Meyer, N.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Chem. Eur. J. 2009, 15, 5605. 

  (8)  Sui‐Seng, C.; Haque, F. N.; Hadzovic, A.; Pütz, A. M.; Reuss, V.; Meyer, N.; Lough, A. J.; 

Zimmer‐De Iuliis, M.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2009, 48, 735. 

  (9)  Mikhailine, A.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1394. 

  (10)  Lagaditis, P. O.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2010, 49, 10057. 

  (11)  Mikhailine, A. A.; Morris, R. H. Inorg. Chem. 2010, 49, 11039. 

  (12)  Sues, P. E.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Organometallics 2011, 30, 4418. 

  (13)  Zuo, W.; Lough, A. J.; Li, Y. F.; Morris, R. H. Science 2013, 342, 1080. 

  (14)  Mikhailine, A. A.; Maishan, M. I.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

12266. 

  (15)  Prokopchuk, D. E.; Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 7375. 

  (16)  Prokopchuk,  D.  E.;  Sonnenberg,  J.  F.; Meyer,  N.;  Zimmer‐De  Iuliis, M.;  Lough,  A.  J.; 

Morris, R. H. Organometallics 2012, 31, 3056. 

  (17)  Sonnenberg,  J. F.; Coombs, N.; Dube, P. A.; Morris, R. H.  J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 

5893. 

  (18)  Phua, P. H.; Lefort, L.; Boogers, J. A. F.; Tristany, M.; de Vries, J. G. Chem. Comm. 2009, 

3747. 

  (19)  Hoch, L. B.; Mack, E. J.; Hydutsky, B. W.; Hershman, J. M.; Skluzacek, J. M.; Mallouk, T. E. 

Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 2600. 

  (20)  Hudson, R.; Riviere, A.; Cirtiu, C. M.; Luska, K. L.; Moores, A. Chem. Commun. 2012, 48, 

3360. 

Page 214: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

190  

  (21)  Bedford,  R.  B.;  Betham, M.;  Bruce,  D. W.;  Davis,  S.  A.;  Frost,  R. M.;  Hird, M.  Chem. 

Commun. 2006, 1398. 

  (22)  Rangheard, C.; de  Julian Fernandez, C.; Phua, P. H.; Hoorn,  J.; Lefort, L.; de Vries,  J. G. 

Dalton Trans. 2010, 39, 8464. 

  (23)  Hashiguchi, S.; Fujii, A.; Haack, K.‐J.; Matsumura, K.; Ikariya, T.; Noyori, R. Angew. Chem. 

Int. Ed. 1997, 36, 288. 

  (24)  Sonnenberg, J. F.; Pichugin, D.; Coombs, N.; Morris, R. H. Top. Catal. 2013, 56, 1199. 

  (25)  Sonnenberg, J. F.; Morris, R. H. ACS Catal. 2013, 3, 1092. 

  (26)  Sutton, A. D.; Burrell, A. K.; Dixon, D. A.; Garner, E. B.; Gordon, J. C.; Nakagawa, T.; Ott, 

K. C.; Robinson, J. P.; Vasiliu, M. Science 2011, 331, 1426. 

  (27)  Noyori, R.; Ohkuma, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 40. 

  (28)  Langer, R.; Leitus, G.; Ben‐David, Y.; Milstein, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2120. 

  (29)  Langer, R.;  Iron, M. A.; Konstantinovski, L.; Diskin‐Posner, Y.; Leitus, G.; Ben‐David, Y.; 

Milstein, D. Chem. Eur. J. 2012, 18, 7196. 

  (30)  Casey, C. P.; Guan, H. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5816. 

  (31)  Berkessel,  A.;  Reichau,  S.;  von  der  Höh,  A.;  Leconte,  N.;  Neudörfl,  J.  r.‐M. 

Organometallics 2011, 30, 3880. 

  (32)  Zhou, S.; Fleischer, S.; Junge, K.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5120. 

  (33)  Junge, K.; Schroder, K.; Beller, M. Chem. Comm. 2011, 47, 4849. 

  (34)  Lagaditis, P. O.; Sues, P. E.; Sonnenberg, J. F.; Wan, K. Y.; Lough, A. J.; Morris, R. H. J. Am. 

Chem. Soc. 2014, 136, 1367. 

  (35)  Baker,  R.  T.;  Gordon,  J.  C.;  Hamilton,  C.  W.;  Henson,  N.  J.;  Lin,  P.‐H.;  Maguire,  S.; 

Murugesu, M.; Scott, B. L.; Smythe, N. C. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5598. 

  (36)  Barker, T. J.; Boger, D. L. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13588. 

  (37)  Yan,  J.‐M.; Zhang, X.‐B.; Han, S.; Shioyama, H.; Xu, Q. Angew. Chem.  Int. Ed. 2008, 47, 

2287. 

  (38)  Das, S.; Wendt, B.; Möller, K.; Junge, K.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 1662. 

  (39)  Greenhalgh, M. D.; Thomas, S. P. J. Am. Chem. Soc 2012. 

  (40)  Hatakeyama, T.; Imayoshi, R.; Yoshimoto, Y.; Ghorai, S. K.; Jin, M.; Takaya, H.; Norisuye, 

K.; Sohrin, Y.; Nakamura, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20262. 

  (41)  Yuki, M.; Tanaka, H.; Sasaki, K.; Miyake, Y.; Yoshizawa, K.; Nishibayashi, Y. Nat Commun 

2012, 3, 1254. 

Page 215: Mechanistic Insights into Homogeneous and Asymmetric Iron ......evolution and the formation of B‐N oligomers was also shown using the NP system, yielding highly active systems, with

191  

  (42)  Alberico, E.; Sponholz, P.; Cordes, C.; Nielsen, M.; Drexler, H.‐J.; Baumann, W.; Junge, H.; 

Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125, 14412. 

  (43)  Schenkel, L. B.; Ellman, J. A. Org. Lett. 2003, 5, 545. 

  (44)  Ros, A.; Estepa, B.; Bermejo, A.; Álvarez, E.; Fernández, R.; Lassaletta, J. M. J. Org. Chem. 

2012, 77, 4740. 

  (45)  Dempsey,  J. L.; Brunschwig, B. S.; Winkler,  J. R.; Gray, H. B. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 

1995. 

  (46)  Friedfeld, M. R.; Shevlin, M.; Hoyt, J. M.; Krska, S. W.; Tudge, M. T.; Chirik, P. J. Science 

2013, 342, 1076. 

  (47)  Hoffman, B. M.; Lukoyanov, D.; Dean, D. R.; Seefeldt, L. C. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 587. 

  (48)  Schulz, H. Appl. Catal., A 1999, 186, 3. 

  (49)  Inagaki, T.; Phong, L. T.; Furuta, A.; Ito, J.‐i.; Nishiyama, H. Chem. Eur. J. 2010, 16, 3090. 

  (50)  Keaton, R. J.; Blacquiere, J. M.; Baker, R. T. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 1844. 

  (51)  Helm, M. L.; Stewart, M. P.; Bullock, R. M.; DuBois, M. R.; DuBois, D. L. Science 2011, 

333, 863. 

  (52)  O, W. W. N.; Lough, A. J.; Morris, R. H. Organometallics 2009, 28, 6755.