方法文章

有机合成中二碘化钐（SmI2）的制备与应用：HMPA与Ni(II)盐在钐促进的Barbier反应中的作用机制

34.1K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/4323

⸱

2013年2月4日

 ,  , 
1Department of Chemistry, Lehigh University

本文内容

摘要

本文描述了一种在四氢呋喃（THF）中制备二碘化钐（SmI2）的简便方法。通过钐介导的Barbier反应，展示了两种主要添加剂——六甲基磷酰胺（HMPA）和乙酰丙酮镍（Ni(acac)2）在反应中的作用。

摘要

尽管最初被认为是一种冷门试剂，SmI2 已成为合成有机化学家常用的工具。SmI2 可通过将碘分子加入金属钐在四氢呋喃（THF）中反应制得1,2-3。它是一种温和且具有选择性的单电子还原剂，其多功能性源于其能够引发多种还原反应，包括碳-碳键形成反应以及级联或连续反应。SmI2 可还原多种官能团，如亚砜和砜、氧化膦、环氧化物、烷基和芳基卤化物、羰基以及共轭双键2-12。SmI2 介导反应的一个引人注目的特点是可通过选择性地使用共溶剂或添加剂来调控反应结果。在大多数情况下，添加剂对于控制还原反应的速率以及反应的化学选择性或立体选择性至关重要13-14。常用于精确调节 SmI2 反应活性的添加剂可分为三大类：（1）路易斯碱（如 HMPA、其他电子供体配体、螯合醚等）；（2）质子源（如醇、水等）；（3）无机添加剂（如 Ni(acac)2、FeCl3 等）3。

理解SmI2反应的机理以及添加剂的作用，有助于充分发挥该试剂在有机合成中的潜力。本文选用Sm-Barbier反应来说明两种常见添加剂HMPA和Ni(II)在反应中的合成意义及机理作用。Sm-Barbier反应与传统的格氏反应类似，唯一的区别在于烷基卤化物、羰基化合物和Sm还原剂在同一个反应釜中同时混合。1,15 已有文献报道了多种偶联伙伴参与的Sm介导的Barbier反应实例，1,3,7,10,12 并已被应用于复杂天然产物合成的关键步骤中。16,17 此前关于添加剂对SmI2反应影响的研究表明，HMPA通过与钐金属中心配位，可增强SmI2的还原能力，生成一种更强效13-14,18且空间位阻更大的还原剂19-21，并在某些情况下，在电子转移后的步骤中发挥关键作用，促进后续成键反应的发生。22 在Sm-Barbier反应中，HMPA还被证明可在预平衡步骤中通过与烷基卤化物形成配合物而进一步活化底物。23

Ni(II) 盐是钐介导反应中常用的一种催化添加剂24-27。尽管其对反应成功至关重要，但这些反应中 Ni(II) 的作用机制此前尚不明确。最近研究表明，SmI2 可将 Ni(II) 还原为 Ni(0)，随后反应通过有机金属 Ni(0) 化学过程进行28。

这些机理研究表明，尽管获得了相同的Barbier反应产物，但在SmI2反应中使用不同的添加剂会显著改变反应的机理途径。本文描述了进行这些由SmI2引发的反应的实验方案。

方案

1. SmI2（0.1 M）的合成

  1. 将一个50 ml圆底烧瓶用火焰干燥，并用氩气吹扫。加入搅拌子，用隔膜盖住烧瓶。称取金属钐（0.2 g，1.3 mmol）加入烧瓶中，再次用氩气吹扫烧瓶。
  2. 加入10 ml干燥且充分脱气的四氢呋喃（THF），随后加入碘晶体（0.254 g，2.0 mmol）。通过隔膜连接一个氩气气球，以维持反应体系内的正压氩气环境。
  3. 在室温下剧烈搅拌溶液超过3小时。随着SmI2的生成，溶液会经历一系列颜色变化：橙色，随后变为黄色（45分钟），再变为绿色（1小时），最终转变为蓝色。
  4. 最终的深蓝色表明已生成单离子化的钐。为确保完全转化，在将SmI2用于合成前，应至少搅拌3小时。

2. 钐介导的Barbier反应-六甲基磷酰胺（HMPA）加成

  1. 制备SmI2-HMPA络合物时，在氩气保护下取新制备的SmI2溶液（10 ml，0.1 M，1.0 mmol），通过注射器在氩气氛围下逐滴加入1.75 ml HMPA（10当量，10 mmol）。反应液呈现深紫色。
  2. 另取一个洁净干燥的小瓶，在氩气保护下加入碘代十二烷（0.45 mmol，110 μl）、3-戊酮（0.45 mmol，48 μl）和2 ml干燥的四氢呋喃（THF）。
  3. 将上述底物混合溶液在氩气下逐滴加入SmI2/HMPA络合物中。
  4. 搅拌5分钟内，紫色溶液逐渐变得浑浊，表明反应接近完成。
  5. 反应完成后，将反应液暴露于空气中以淬灭反应；继续搅拌，溶液颜色进一步变为黄色。
  6. 随后用饱和氯化铵水溶液进行后处理。将反应液转移至分液漏斗中，加入乙醚（5 ml）。充分振荡后，分离上层有机相，并加入更多乙醚。再用乙醚从水相中萃取两次，合并所有有机相。
  7. 用饱和硫代硫酸钠水溶液洗涤有机相，弃去下层水相，随后依次用水洗涤，最后用饱和食盐水洗涤。收集上层有机相，加入无水硫酸镁以除去残留水分。
  8. 将溶液通过一段弗罗里硅土（Florisil）柱，以去除过量的HMPA。
  9. 将溶液在旋转蒸发仪上浓缩，得到Barbier反应产物。产物通过气相色谱-质谱联用（GCMS）和1H核磁共振谱（NMR）进行鉴定。23

3. 钐介导的Barbier反应—Ni(acac)2催化剂

  1. 称取 Ni(acac)2（1 mol%，0.01 mmol，0.0026 g），在氩气保护下加入一个洁净、干燥的小瓶中，瓶内预先装有 3 ml 脱气 THF。通过注射器将 Ni(acac)2 溶液加入新配制的 0.1 M SmI2 溶液（1.0 mmol，10 ml）中。
  2. 另取一个洁净、干燥的小瓶，在氩气保护下，加入十二碘烷（0.45 mmol，110 μl）、3-戊酮（0.45 mmol，48 μl）和 2 ml 干燥 THF。
  3. 将底物溶液逐滴加入 SmI2/Ni 混合物中。
  4. 搅拌 15 分钟内，蓝色逐渐褪去，转变为黄绿色，表明反应结束。
  5. 反应完成后，将溶液暴露于空气中以淬灭反应；继续搅拌，颜色进一步变为黄色。用 0.1 M 水相盐酸（3 ml）洗涤反应混合物进行后处理。将溶液转移至分液漏斗中，加入乙醚（5 ml）。
  6. 按照前述方法，依次用硫代硫酸钠水溶液、水和饱和食盐水洗涤有机层，然后用硫酸镁干燥。浓缩溶液得到 Barbier 产物。该产物可通过 GCMS 和 1H NMR 鉴定。28

结果

图1展示了钐介导的Barbier反应。在无添加剂的情况下，钐介导的反应需要72小时，目标产物收率为69%，剩余为起始原料。当加入10个或更多当量的HMPA时，反应在数分钟内几乎定量完成并结束。15,23 当加入1 mol%的Ni(acac)2时，反应在15分钟内完成，产率达到97%。28

当向SmI2中加入HMPA时，该共溶剂会取代配位的THF，形成SmI2-(HMPA)4。当加入更多HMPA（6–10当量）时，碘离子被推至外层（图2）19–21。机理研究表明，在Sm-Barbier反应中使用HMPA时，该共溶剂还会与烷基卤化物底物相互作用，形成一种使碳-卤键伸长的络合物，从而活化该物种，使其更易被Sm还原（图3）。基于对HMPA作用的深入理解，提出了含HMPA的Sm-Barbier反应机理（图4）23。在预平衡步骤中形成的烷基卤化物-HMPA络合物，经Sm/HMPA还原，在决速步中生成自由基。该自由基进一步被还原生成有机钐物种，随后与羰基发生偶联，经质子化后得到最终产物。

在添加Ni(II)的情况下，SmI2优先将Ni(II)还原为Ni(0)，而不是还原任一底物。根据动力学和机理研究，提出了以下反应机理（图5）。28 在被SmI2还原后，可溶性的Ni(0)物种插入烷基卤化物的化学键中，形成有机镍中间体。由于Sm(III)具有极强的亲氧性，发生转金属化反应生成有机钐中间体，同时将Ni(II)重新释放回催化循环中。随后，有机钐中间体与羰基发生偶联，经质子化后生成目标叔醇产物。研究还发现，Ni(0)纳米颗粒可通过Sm介导的Ni(II)还原生成，但这些颗粒无催化活性，并且是催化剂失活的原因。

有机化学反应；SmI₂，THF 合成方程式，化学转化示意图。
图 1. 利用十二碘烷与3-戊酮进行的钐介导的Barbier反应。

络合过程示意图，Sm HMPA 与 THF 的平衡反应，化学结构图。
图 2. SmI2-HMPA 络合物。

有机反应机理；示意图；磷化合物相互作用；HMPA；分子结构。
图3. HMPA 与烷基碘化物复合物。

基于钐的反应机理图，包含化学方程式和中间体；合成步骤。
图 4. 钐介导的 Barbier 反应在过量 HMPA 存在下的反应机理示意图。

显示Sm(III)和Ni物种转化的镍催化化学反应循环示意图。
图5. 含催化性Ni(II)的钐Barbier反应的提出机理。

讨论

本文介绍了一种制备SmI2溶液并将其应用于有机合成的简便方法，其中使用了两种最常见的添加剂。所描述的两个示例说明了理解反应机理对于精确调控SmI2反应活性的重要性。对反应机理基础的深入认识，使合成化学家能够根据具体反应需求灵活调整该试剂的使用方式。

这种单电子均相还原剂易于操作，可从商业渠道购得。尽管上述实验步骤在惰性条件下操作时较为直接，但仍有一些常见的故障排除方法：（a）确保四氢呋喃（THF）已充分脱气并保持干燥；（b）若钐金属长期暴露于空气中，其表面可能已氧化，需使用研钵和研杵研磨金属，以暴露出洁净的金属表面；（c）所有玻璃器皿均需用火焰烘干，并在氩气氛围下冷却；（d）惰性气氛优先选用氩气而非氮气，因为已有研究表明氮气会与金属发生相互作用；（e）过量钐金属的存在有助于维持SmI2的浓度；（f）对碘晶体进行再升华处理。

致谢

RAF 感谢美国国家科学基金会（CHE-0844946）对本工作的资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
金属钐Acros29478-0100-40目，99.9%（以金属计）
四氢呋喃（THF）OmniSolvTX0282-1通过Innovative Technologies溶剂纯化系统纯化。也可通过冷冻-抽气-解冻法脱气
碘Alfa Aesar41955-22重升华晶体，99.8%
碘代十二烷Acros25009-025098%
3-戊酮Alfa AesarAAA15297-AE99%
六甲基磷酰胺（HMPA）AlderichH1160298%；在氩气下从氧化钙中蒸馏
NiI2Alfa Aesar2289399.5%（以金属计）

参考文献

  1. Girard, P., Namy, J. L., Kagan, K. B. Divalent lanthanide derivatives in organic synthesis. 1. Mild preparation of samarium iodide and ytterbium iodide and their use as reducing or coupling agents. J. Am. Chem. Soc. 102, 2693-2698 (1980).
  2. Szostak, M., Spain, M., Procter, D. J. Preparation of samarium(II) iodide: quantitative evaluation of the effect of water, oxygen, and peroxide content, preparative methods, and activation of samarium metal. J. Org. Chem. 77, 3049-3053 (2012).
  3. Procter, D. J., Flowers, R. A., Skrydstrup, T. Organic synthesis using samarium diiodide: a practical guide. , Royal Society of Chemistry Publishing. U.K. (2010).
  4. Nicolaou, K. C., Ellery, S. P., Chen, J. S. Samarium diiodide mediated reactions in total synthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7140-7165 (2009).
  5. Flowers, R. A., Prasad, E. Handbook on the physics and chemistry of rare earths. 36, Elsevier. Amsterdam. 393-473 (2006).
  6. Edmonds, D. J., Johnston, D., Procter, D. J. Samarium(II)-iodide-mediated cyclizations in natural product synthesis. Chem. Rev. 104, 3371-3403 (2004).
  7. Kagan, H. B. Twenty-five years of organic chemistry with diiodosamarium: an overview. Tetrahedron. 59, 10351-10372 (2003).
  8. Steel, P. G. Recent developments in lanthanide mediated synthesis. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2727-2884 (2001).
  9. Molander, G. A., Harris, C. R. Sequencing reactions with samarium(II) iodide. Chem. Rev. 96, 307-338 (1996).
  10. Molander, G. A., Harris, C. R. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Tandem intramolecular nucleophilic acyl substitution/intramolecular Barbier cyclizations. J. Am. Chem. Soc. 117, 3705-3716 (1995).
  11. Molander, G. A. Application of lanthanide reagents in organic synthesis. Chem. Rev. 92, 29-68 (1992).
  12. Souppe, J., Danon, L., Namy, J. L., Kagan, K. B. Some organic-reactions promoted by samarium diiodide. J. Organometal. Chem. 250, 227-236 (1983).
  13. Flowers, R. A. II Mechanistic studies on the roles of cosolvents and additives in samarium(II)-based reductions. Synlett. 10, 1427-1439 (2008).
  14. Hutton, T. K., Muir, K., Procter, D. J. Samarium(II)-mediated reactions of gamma, delta-unsaturated ketones. Cyclization and fragmentation processes. Org. Lett. 4, 2345-2347 (2002).
  15. Miller, R. S., et al. Reactions of SmI2 with alkyl halides and ketones: inner-sphere vs outer-sphere electron transfer in reactions of Sm(II) reductions. J. Am. Chem. Soc. 122, 7718-7722 (2000).
  16. Ito, Y., Takahashi, K., Nagase, H., Honda, T. Integral stereocontrolled synthesis of a spiro-norlignan, sequosempervirin A: revision of absolute configuration. Org. Lett. 13, 4640-4643 (2011).
  17. Molander, G. A., et al. Toward the total synthesis of Variecolin. Org. Lett. 3, 2257-2260 (2001).
  18. Shabangi, M., Flowers, R. A. II Electrochemical investigation of the reducing power of SmI2 in THF and the effect of HMPA cosolvent. Tetrahedron Lett. 38, 1137-1140 (1997).
  19. Enenaerke, R. J., Hertz, T., Skrydstrup, T., Daasbjerg, K. Evidence for ionic samarium(II) species in THF/HMPA solution and investigation of Their electron-donating properties. Chem. Eur. J. 6, 3747-3754 (2000).
  20. Hou, Z., Zhang, Y., Wakatsuki, Y. Molecular structures of HMPA-coordinated samarium(II) and ytterbium(II) iodide complexes. A structural basis for the HMPA effects in SmI2-promoted reactions. Bull. Chem. Soc. Jpn. 70, 149-153 (1997).
  21. Hou, Z., Wakatsuki, Y. Isolation and x-ray structures of the hexamethylphosphoramide (hmpa)-coordinated lanthanide(II) diiodide complexes [SmI2(hmpa)4] and [Yb(hmpa)4(thf)2]I2. J. Chem. Soc., Chem Commun. 10, 1205-1206 (1994).
  22. Sadasivam, D. V., Antharjanam, P. K. S., Prasad, E., Flowers, R. A. II Mechanistic study of samarium diodide-HMPA initiated 5-exo-trig ketyl-Olefin coupling: the role of HMPA in post-electron transfer steps. J. Am. Chem. Soc. 130, 7228-7229 (2008).
  23. Choquette, K. A., Sadasivam, D. V., Flowers, R. A. II Uncovering the mechanistic role of HMPA in the samarium Barbier reaction. J. Am. Chem. Soc. 132, 17396-17398 (2010).
  24. Molander, G. A., Huérou, V. L., Brown, G. A. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Sequential intramolecular Barbier byclization/Grob fragmentation for the synthesis of medium-sized carbocycles. J. Org. Chem. 66, 4511-4516 (2001).
  25. Molander, G. A., Köllner, C. Development of a protocol for eight- and nine-membered ring synthesis in the annulation of sp2,sp3-hybridized organic dihalides with keto ester. J. Org. Chem. 65, 8333-8339 (2000).
  26. Molander, G. A., Alonso-Alija, C. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Sequential intermolecular carbonyl addition/intramolecular nucleophilic acyl substitution for the preparation of seven-, eight-, and nine-membered carbocycles. J. Org. Chem. 63, 4366-4373 (1998).
  27. Machrouhi, F., Hamann, B., Namy, J. L., Kagan, K. B. Improved reactivity of diiodosamarium by catalysis with transition metal salts. Synlett. 7, 633-634 (1996).
  28. Choquette, K. A., Sadasivam, D. V., Flowers, R. A. II Catalytic Ni(II) in reactions of SmI2: Sm(II)- or Ni(0)- based chemistry? J. Am. Chem. Soc. 133, 10655-10661 (2011).

重印与许可

标签

HMPA添加剂镍催化剂THF溶剂卤代烷羰基化合物GCMS分析质子核磁共振旋转蒸发仪
有机合成中二碘化钐（SmI2）的制备与应用：HMPA与Ni(II)盐在钐促进的Barbier反应中的作用机制
联系我们
向图书馆推荐

隐私政策

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。