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Herstellung und Verwendung von Samariumdiiodid (SmI

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DOI:

10.3791/4323

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4. Februar 2013

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1Department of Chemistry, Lehigh University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Samariumdiiodid (SmI 2) In THF wird beschrieben. Die Rolle der beiden wichtigsten Zusatzstoffe nämlich Hexamethylphosphorsäuretriamid (HMPA) und Ni (acac) 2 In Sm-vermittelte Reaktionen in der Sm-Barbier-Reaktion nachgewiesen.

Zusammenfassung

Obwohl ursprünglich als eine esoterische Reagenz hat SmI 2 zu einem gemeinsamen Tool für synthetische organische Chemiker. SmI 2 wird durch Zugabe von molekularem Jod zu Samarium Metall in THF erzeugt. 1,2-3 Es ist ein milden und selektiven einzelnes Elektron Reduktionsmittel und ihrer Vielseitigkeit ist ein Ergebnis seiner Fähigkeit, eine Vielzahl von Verringerungen einschließlich CC-Bindung zu initiieren Bildung und Kaskaden-oder sequentielle Reaktionen. SmI 2 verringern kann eine Vielzahl von funktionellen Gruppen wie Sulfoxide und Sulfone, Phosphinoxide, Epoxiden, Alkyl-und Arylhalogeniden, Carbonyle, und konjugierte Doppelbindungen. 2-12 Eines der Merkmale der faszinierenden SmI-2-vermittelte Reaktionen ist die Fähigkeit, manipulieren, das Ergebnis der Reaktionen durch den gezielten Einsatz von Cosolventien oder Zusatzstoffe. In den meisten Fällen sind Zusatzstoffe wichtig bei der Kontrolle der Geschwindigkeit der Reduktion und die Chemo-oder Stereoselektivität der Reaktionen. 13-14 Additives commonly zur Feinabstimmung Verwendete die Reaktivität SmI 2 in drei große Gruppen unterteilt werden können: (1) Lewis-Basen (HMPA, anderen Elektronen-Donor-Liganden, chelatbildenden Ether usw.), (2) Protonenquellen (Alkohole, Wasser usw. ), und (3) anorganische Zusatzstoffe (Ni (acac) 2, FeCl 3, usw.). 3

Das Verständnis des Mechanismus der SmI 2 Reaktionen und die Rolle der Zusatzstoffe ermöglicht die Nutzung des vollen Potenzials des Reagenz in der organischen Synthese. Der Sm-Barbier Reaktion gewählt wird, um das synthetische Bedeutung und mechanistische Rolle von zwei gemeinsamen Zusatzstoffe illustrieren: HMPA und Ni (II) in dieser Reaktion. Der Sm-Barbier Reaktion ist ähnlich der klassischen Grignard Reaktion mit dem einzigen Unterschied, daß das Alkylhalogenid, Carbonyl und Sm Reduktionsmittel gleichzeitig in einem Gefäß vermischt. 1,15 Beispiele von Sm-vermittelte Reaktionen Barbier mit einer Reihe von Kupplungspartner Es wurde berichtet, 1,3,7,10,12 und wurden utilized in wichtigen Schritte der Synthese von großen natürlichen Produkten. 16,17 Frühere Studien über die Wirkung von Additiven auf SmI 2 Reaktionen haben gezeigt, dass HMPA das Reduktionspotential von SmI 2 erhöht koordinieren, die Samarium Metallzentrum, wodurch ein mächtiger, 13-14,18 sterisch Reduktionsmittel 19-21 belastet und in manchen Fällen spielt eine integrale Rolle beim Elektronentransfer-Schritte erleichtern nachträglichem Verbund bildenden Veranstaltungen. 22 In der Sm-Barbier-Reaktion, HMPA wurde gezeigt, dass zusätzlich aktivieren Alkylhalogenid durch Bildung eines Komplexes in einer Vor-Gleichgewicht Schritt. 23

Ni (II)-Salze sind eine katalytische Additiv häufig in Sm-vermittelte Transformationen verwendet. 24-27 Obwohl entscheidend für den Erfolg, die mechanistische Rolle von Ni (II) wurde in diesen Reaktionen bekannt. Kürzlich wurde gezeigt, dass SmI 2 Ni (II) reduziert, um Ni (0), und die Reaktion wird dann durch metallorganische durchgeführttallic Ni (0) Chemie. 28

Diese mechanistische Studien zeigen, dass obwohl die gleiche Barbier Produkt erhalten wird, der Einsatz verschiedener Zusatzstoffe bei der Reaktion SmI 2 drastisch verändert die mechanistische Stoffwechselweg der Reaktion. Das Protokoll für den Betrieb diese SmI 2-initiierten Reaktionen beschrieben.

Protokoll

Ein. Synthese von SmI 2 (0,1 M)

  1. Flamme trocknen einen 50 ml Rundkolben und spülen Sie es mit Argon. Schreibe einen Rührstab und decken den Kolben mit Septen. Abwiegen Samarium Metall (0,2 g, 1,3 mmol) und fügen Sie den Kolben wieder Spülen des Kolbens mit Argon.
  2. 10 ml trocken, gründlich entgast Tetrahydrofuran (THF) durch Iod-Kristalle (0,254 g, 2,0 mmol) gefolgt. Hinzufügen eines Argonballon durch das Septum, dies führt ein Überdruck von Ar-Atmosphäre auf die Reaktion.
  3. Man rührt die Lösung bei Raumtemperatur kräftig für über 3 Stunden. Als SmI 2 generiert wird die Lösung durch eine Vielzahl von Farbveränderungen, orange, gefolgt von gelb (45 min) und grün (1 Std.), die schließlich verwandelt sich in blau.
  4. Die endgültige navy blue Farbe ist Indiz dafür, dass einfach ionisierten Samarium gebildet hat. Um eine vollständige Umsetzung zu gewährleisten, rühren Sie die Lösung mindestens 3 Stunden vor der Verwendung SmI 2 in der Synthese.

2. SaMarium Barbier Reaction-Hexamethylphosphorsäuretriamid (HMPA) Zusatz

  1. Um die SmI 2-HMPA komplexer machen, nehmen Sie die frisch zubereiteten SmI 2 unter Argon (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol) und fügen Sie 1,75 ml HMPA (10 Äquiv., 10 mmol) über eine Spritze tropfenweise unter Argon. Eine tiefe purpurrote Farbe Formen.
  2. Separat in einem sauberen, trockenen Gefäß unter Argon Add iodododecane (0,45 mmol, 110 ul), 3-Pentanon (0,45 mmol, 48 ul) und 2 ml getrocknetem THF.
  3. Fügen Sie den Substrat-Lösung getropft der SmI 2 / HMPA komplex.
  4. Innerhalb von 5 min Rühren wird die violette Farbe beginnen zu schauen bewölkt, die das Ende der Reaktion.
  5. Nachdem die Reaktion vollständig ist, die Lösung zu exponieren, um es Luft zu löschen; beim Rühren der Farbe weiter zu gelb.
  6. Die Reaktion wird anschließend durch Waschen mit gesättigter wässriger Ammoniumchloridlösung aufgearbeitet. Fügen Sie die Lösung in einen Scheidetrichter und fügen Diethylether (5 ml). Nach kräftigem Schütteln entfernenDie obere organische Schicht, fügen Sie mehr Diethylether. Extrahieren von der wässrigen Schicht zwei weitere Male und dann kombinieren alle organischen Schichten.
  7. Waschen der organischen Schicht mit einer gesättigten wässrigen Lösung von Natriumthiosulfat. Entfernen Sie die untere wässrige Schicht, die durch Waschen mit Wasser und dann schließlich mit Kochsalzlösung gewaschen. Besorgen Sie sich die obere organische Schicht und fügen Magnesiumsulfat zu tanken letzten Menge von Wasser in der Lösung vorhanden.
  8. Übergeben Sie die Lösung durch einen Stopfen aus Florisil, um überschüssige HMPA entfernen.
  9. Die Lösung wird am Rotationsverdampfer zu Barbier Produkt zu erhalten. Das Produkt wurde durch GC-MS und 1 H-NMR identifiziert. 23

3. Samarium Barbier Reaction-Ni (acac) 2 Katalysator

  1. Abwiegen Ni (acac) 2 (1 mol%, 0,01 mmol, 0,0026 g) und in eine saubere, trockene Flasche mit 3 ml entgastem THF unter Argon. Fügen Sie den Ni (acac) 2-Lösung durch eine Spritze mit einem frisch zubereiteten solution 0,1 M SmI 2 (1,0 mmol, 10 ml).
  2. Separat in einem sauberen, trockenen Gefäß unter Argon Add iodododecane (0,45 mmol, 110 ul), 3-Pentanon (0,45 mmol, 48 ul) und 2 ml getrocknetem THF.
  3. Fügen Sie den Substrat-Lösung tropfenweise zu der SmI 2 / Ni Mischung.
  4. Innerhalb von fünfzehn Minuten Rühren wird die blaue Farbe zu zerstreuen, eine gelb-grüne Farbe, die das Ende der Reaktion bilden.
  5. Nachdem die Reaktion vollständig ist, die Lösung zu exponieren, um es Luft zu löschen; beim Rühren der Farbe weiter zu gelb. Die Aufarbeitung der Reaktion durch Waschen mit 0,1 M aq. Salzsäure (3 ml). Fügen Sie die Lösung in einen Scheidetrichter und fügen Diethylether (5 ml).
  6. Die organische Phase wird unter Verwendung des Protokolls zuvor mit einer wässrigen Lösung von Natriumthiosulfat, Wasser und Sole beschrieben, und dann über Magnesiumsulfat getrocknet. Konzentrieren Sie sich die Lösung Barbier Produkt zu erhalten. Das Produkt kann durch GCMS und 1 H NMR identifiziert werden. 28

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die Samarium Barbier-Reaktion. Ohne Zusätze der Sm-vermittelte Reaktion dauert 72 h; Nachgeben 69% des gewünschten Produkts mit den restlichen wobei Ausgangsmaterialien. Unter Zusatz von 10 oder mehr Äquiv. HMPA die Reaktion nahezu quantitativ und vollständig innerhalb weniger Minuten. 15,23 Mit dem Zusatz von 1 Mol% Ni (acac) 2, ist die Reaktion innerhalb von 15 min mit einer 97% Ausbeute. 28

(HMPA) 4 - Wenn HMPA ist SmI 2, das Cosolvens verdrängt die koordinierte THF zu SmI 2 zu bilden. Mit dem Zusatz von noch HMPA (6-10 Äquiv.) Werden die Iodidionen zu dem äußeren Bereich (2) verschoben wird. 19-21 mechanistische Studien zeigen, dass, wenn in der HMPA Sm-Barbier Reaktion verwendet das Cosolvens interagiert auch mit dem Alkylhalogenid Substrat einen Komplex bilden, welche die Kohlenstoff-Halogen-Bindung verlängert, Aktivieren des species damit anfälliger gegenüber Reduktion durch Sm (Abbildung 3). Durch diese detaillierte Verständnis der Rollen von HMPA, einen Mechanismus für die Sm-Barbier-Reaktion mit HMPA wurde vorgeschlagen (Abbildung 4). 23 Die Alkylhalogenid-HMPA-Komplex in einer pre-Gleichgewicht Schritt gebildet durch Sm / HMPA wird reduziert, um die Form Rest im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt. Die radikale erfährt weitere Reduzierung auf eine Organosamariumspezies die Paare mit der Carbonyl-und nach Protonierung ergibt das Endprodukt zu bilden.

Im Fall der Ni (II) Additiv SmI 2 zunächst reduziert Ni (II) zu Ni (0) bevorzugt gegenüber Reduktion von entweder der Substrate. Basierend auf kinetische und mechanistische Studien der folgende Mechanismus wurde vorgeschlagen (Abbildung 5). 28 Nach der Reduktion von SmI 2, die lösliche Ni (0) Arten Einsätze in der Alkylhalogenid Bindung bilden eine nickelorganische Arten. Angetrieben von der stark oxophilen Natur Sm (III) , Transmetallierung eine Organosamarium Zwischen-Releases Ni (II) wieder in den Katalysezyklus zu bilden. Die Organosamarium koppelt dann mit der Carbonylgruppe und nach Protonierung bildet die gewünschte tertiäre Alkohol. Es wurde auch beobachtet, dass Ni (0) Nanopartikeln durch Sm-vermittelte Reduktion von Ni (II) gebildet werden, allerdings sind diese Teilchen wurden als inaktiv und die Quelle der Deaktivierung des Katalysators.

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Abbildung 1. Samarium Barbier Reaktion mit iodododecane und 3-Pentanon.

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Abbildung 2. SmI 2-HMPA komplex.

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Abbildung 3. HMPA und Alkyliodid komplex.

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Abbildung 4. Vorgeschlagener Mechanismus für die Samarium Barbier-Reaktion mit einem Überschuss an HMPA.

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Abbildung 5. Vorgeschlagener Mechanismus für die Samarium Barbier-Reaktion mit katalytischen Ni (II).

Diskussion

Ein unkompliziertes Verfahren zum Erzeugen SmI 2-Lösung und ihre Anwendung in der organischen Synthese Verwendung von zwei der häufigsten Additive wird hier vorgestellt. Die beiden beschriebenen Beispiele schildern die Bedeutung der mechanistischen Verständnis der Reaktion auf die Feinabstimmung der Reaktivität von SmI 2. Kenntnis der Unterbau des Reaktionsmechanismus ermöglicht die Verwendung dieses Reagenzes durch Synthesechemiker gemäß den Anforderungen von deren Reaktion angepasst werden.

Das einzelne Elektron homogene Reduktionsmittel ist einfach zu handhaben und können aus kommerziellen Quellen erworben werden. Während die oben genannten Protokoll ist straight forward, wenn unter inerten Bedingungen durchgeführt, sind einige der häufigsten Verfahren zur Problemlösung: (a) sicherstellen, dass die THF richtig entgast und trocken, (b), wenn Sm Metall längerer Exposition an der Luft hatte es könnte eine haben oxidierte äußere Schicht, mahlen das Metall mit einem Mörser und Pestal die saubere Metalloberfläche freizulegen, (c)Flamm-trocknen alle Glasgeräte und kühlen unter Argon, (d) Argon inerten Atmosphäre über Stickstoff vorgezogen, weil der später gezeigt wurde, mit dem Metall zu kommunizieren, (e) Die Anwesenheit von überschüssigem Sm-Metall trägt, um die Konzentration aufrechtzuerhalten SmI 2, (f) die resublime Iodkristalle.

Offenlegungen

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Danksagungen

RAF dankt der National Science Foundation (CHE-0844946) für die Unterstützung dieser Arbeit.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Name des Reagenzes Firma Katalog-Nummer Kommentare (optional)
Samarium Metall Acros 29478-0100 -40 Mesh, 99,9% (metals basis)
THF OmniSolv TX0282-1 Gereinigt durch innovative Technologien Lösungsmittelreinigung System. Alternativ kann sie durch freie-Pump-Auftau-Verfahrens entgast werden
Jod Alfa Aesar 41955-22 Resublimed Kristalle, 99.8%
Iodododecane Acros 25009-0250 98%
3-Pentanon Alfa Aesar AAA15297-AE 99%
HMPA Alderich H11602 98%; Destillieren aus CaO unter Argon
NiI 2 Alfa Aesar 22893 99,5% (metals basis)

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