Paladio N -Heterocíclicos de los complejos de carburo: Síntesis a partir de sales de benzimidazolio y actividad catalítica en las reacciones de formación de enlaces carbono-carbono

El objetivo de este vídeo es mostrarte protocolos detallados y generalizados para la síntesis y purificación de sales de benzimidazolio, y posteriormente, sus complejos de paladio n-heterocíclico carbeno. El video también tiene como objetivo mostrarle protocolos detallados y generalizados para probar la actividad catalítica de los complejos sintetizados en reacciones de formación de enlaces carbono-carbono, como la arilación y el acoplamiento cruzado de Suzuki-Miyaura. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo sintetizar y purificar estos compuestos, así como cómo probar la actividad catalítica de los complejos en la arilación y las reacciones de Suzuki-Miyaura.

La demostración del protocolo comenzará con el método generalizado para la síntesis y purificación de sales de benzimidazolio. A esto le seguirá el método generalizado para la síntesis y purificación de complejos de carbeno n-heterocíclico de paladio. Finalmente, se mostrarán los métodos generalizados para probar la actividad catalítica de los complejos en la arilación y luego las reacciones de Suzuki-Miyaura.

Advertencia: se utilizan muchos disolventes volátiles como parte de los protocolos presentados, por lo que debe realizar todos los experimentos en una campana extractora que funcione. Use el equipo de protección personal adecuado en todo momento y consulte la MSDS de cada reactivo antes de usarlo. A continuación se demostrará el método generalizado para la síntesis y purificación de sales de benzimidazolio.

Sujete un tubo Schlenk de 100 milésimas de pulgada en posición vertical y coloque una barra agitadora, un milimol de benzimidozol, un milimol de hidróxido de potasio y 60 milésimas de pulgada de alcohol etílico como disolvente. Coloque el tubo Schlenk en un baño de aceite para un calentamiento uniforme y seguro de la mezcla de reacción durante los próximos pasos de agitación. Conecte el tubo a un condensador para evitar la evaporación del solvente durante la agitación.

Asegúrese de que las piezas de los herrajes de vidrio estén suficientemente engrasadas y bien ajustadas. Agite la mezcla de reacción a 25 grados centígrados durante una hora para permitir la disolución completa de todos los sólidos, así como la ruptura del enlace nitrógeno-hidrógeno en las moléculas de benzimidazol. Después de una hora, separe el tubo Schlenk del condensador y agregue lentamente un milimol de haluro de arilo elegido a la mezcla.

Vuelva a conectar el tubo Schlenk al condensador y reflujo la mezcla a 78 grados Celsius durante seis horas para permitir que la reacción llegue a su fin. Deje que la mezcla se enfríe a 25 grados centígrados una vez finalizado el reflujo. Separe el tubo Schlenk del condensador y limpie la grasa de la boca del tubo.

A continuación, filtre la mezcla de reacción con un embudo y papel de filtro para eliminar el precipitado de cloruro de potasio que se formó durante la reacción. Recoja el filtrado en un vaso de precipitados. Transfiera el filtrado, que contiene el producto de n-alquil benzimidazolio, a un tubo Schlenk limpio.

Selle el tubo con un tapón engrasado y elimine el disolvente de alcohol etílico del filtrado con vacío. Una vez que se haya eliminado todo el solvente, abra el tubo Schlenk y agregue cinco milésimas de pulgada de éter dietílico para lavar el producto de n-alquil benzimidazol que queda. Agite suavemente el tubo para realizar el lavado.

Una vez terminado el lavado, limpie la grasa de la boca del tubo y decante el éter en un vaso de precipitados. Repita este paso de lavado varias veces, agregando cinco milésimas de pulgada de éter dietílico y decantándolo cada vez. Después del último paso de lavado, selle el tubo Schlenk con un tapón engrasado y seque el producto de n-alquil benzimidazol lavado con aspiradora.

Después del secado, limpie la grasa de la boca del tubo y luego transfiera su producto a un vial pequeño para usarlo en la próxima reacción. Sujete un tubo Schlenk limpio en posición vertical y expulse el aire de su interior purgándolo con gas argón. Introduzca el gas desde el brazo lateral del tubo y mantenga la boca del tubo sin sellar durante este proceso.

El argón es más pesado que el aire, por lo que expulsará el aire llenando el tubo de abajo hacia arriba. Siga purgando el tubo con argón mientras agrega los reactivos en el siguiente paso. Esta operación de purga es importante, ya que la reacción que se produce debe llevarse a cabo en una atmósfera inerte.

Agregue lentamente una barra agitadora, un milimol de su n-alquil benzimidazol, un milimol de su haluro de alquilo elegido y cuatro milésimas de pulgada de DMF anhidro como solvente al tubo Schlenk. Una vez que se hayan agregado todos los reactivos, selle rápidamente la boca del tubo con un tapón engrasado, luego selle su brazo lateral girando la llave de paso y apague el gas argón. Coloque el tubo Schlenk sellado en un baño de aceite y agite la mezcla de reacción a 80 grados centígrados durante 24 horas para permitir que la reacción llegue a su fin.

Pasadas las 24 horas, retire parte del disolvente DMF de la mezcla con vacío. Aproximadamente uno o dos minutos de aspirado deberían ser suficientes. Si lo desea, puede eliminar todo el solvente DMF de su mezcla similar a la grasa, pero esto no es necesario.

Abra el tubo de Schlenk y agregue 15 milésimas de pulgada de éter dietílico. Revuelva la mezcla hasta que el producto de sal de benzimidazolio se precipite. Después de que ocurra la precipitación, elimine el éter dietílico utilizando un método de filtrado apropiado.

Hemos utilizado un tubo de vidrio especial con un brazo lateral, un filtro interno y dos extremos abiertos a los que se pueden conectar tubos Schlenk. Dado que el brazo lateral de este tubo y los de los tubos Schlenk se pueden conectar al vacío, este tubo filtrante proporciona una inmensa comodidad para filtrar después de la etapa de precipitación, así como para los pasos de lavado que vienen y el secado después de las etapas de lavado. Si vas a usar algo similar, conecta el tubo Schlenk lleno a un extremo del tubo filtrante y un tubo Schlenk vacío al otro extremo.

A continuación, conecte el tubo Schlenk vacío al vacío e invierta el aparato con cuidado y gradualmente para que el éter dietílico pase a través del filtro a este tubo Schlenk vacío. Sin embargo, si no puede encontrar un tubo de este tipo, también se pueden utilizar otros métodos, como la filtración con un embudo y papel de filtro. Lave su producto de sal con 15 milésimas de pulgada de éter dietílico y elimine el éter dietílico usando el mismo método de filtración que usó anteriormente.

Repita este paso de lavado varias veces, usando 15 milésimas de pulgada de éter dietílico y filtrándolo cada vez. Después del último paso de lavado, seca el producto de sal lavado. Aquí, lo hemos secado dentro del tubo del filtro con vacío.

Recoja su producto para una mayor purificación a través de la recristalización. Para la recristalización, agregue su sal y una mezcla de éter dietílico de alcohol etílico de 12 a cuatro mil a un tubo Schlenk limpio. Calienta la mezcla con una pistola de calor hasta que la sal se disuelva por completo.

A continuación, selle el tubo con un tapón engrasado y sujételo en posición casi horizontal. Deja que la sal se recristalice a temperatura ambiente. Una vez que la sal se haya recristalizado, limpie la grasa de la boca del tubo y luego filtre la mezcla con un embudo y papel de filtro para separar los cristales de sal.

Lava los cristales de sal mientras aún están en el papel de filtro en el embudo con 15 milésimas de pulgada de éter dietílico. Repita este paso de lavado varias veces. Después del último paso de lavado, deje que los cristales se sequen al aire en el papel de filtro.

Recoja su sal purificada para la caracterización y la síntesis de su complejo de carbeno n-heterocíclico de paladio. Las sales de benzimidazolio sintetizadas eran sólidos de color blanco o crema y tenían rendimientos que oscilaban entre el 62% y el 97%Ahora se demostrará el método generalizado para la síntesis y purificación de complejos de carbeno n-heterocíclico de paladio. Sujete un tubo Schlenk de 75 milésimas de pulgada en posición vertical y agregue una barra agitadora, un milimol de sal de benzimidazolio elegida, un milimol de cloruro de paladio, cinco milimoles de carbonato de potasio como base y tres milésimas de pulgada de 3-cloropiridina.

Selle el tubo con un tapón engrasado y colóquelo en un baño de aceite. Agite la mezcla de reacción a 80 grados centígrados durante 16 horas para permitir que se complete la síntesis del complejo de carbeno n-heterocíclico de paladio. Después de 16 horas, deje que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente y abra el tubo.

Puede agregar 10 milésimas de pulgada de diclorometano a la mezcla para mejorar la eficiencia de los pasos de filtrado que vendrán, pero esto es opcional y se puede omitir si lo desea. Use un tubo filtrante de vidrio sin tapa para ensamblar una almohadilla de celita y gel de sílice, que se usará para eliminar el cloruro de paladio sin reaccionar y la sal de benzimidazolio de la mezcla de reacción. Primero, agregue cuatro espátulas de celita en el tubo para hacer una capa de celita sobre el filtro que está en el medio del tubo.

Luego, agregue cuatro espátulas de gel de sílice sobre la capa de celita. Finalmente, exprima un pequeño taco de algodón por encima de la capa de gel de sílice, de modo que las capas de celita y gel de sílice queden fijas en su lugar entre el filtro y el taco de algodón. Para filtrar la mezcla de reacción a través de la almohadilla de celita y gel de sílice, primero conecte el tubo Schlenk que contiene la mezcla de reacción al tubo filtrante de vidrio de modo que el tubo Schlenk quede frente al extremo del tubo filtrante con el taco de algodón.

Luego, conecte un tubo Schlenk vacío al otro extremo del tubo de filtrado. Conecte el tubo Schlenk vacío al vacío e invierta cuidadosa y gradualmente el aparato para que la mezcla de reacción se filtre a través, en orden, de las capas de algodón, sílice, celita y filtro. El cloruro de paladio sin reaccionar y la sal de benzimidazolio se retendrán en las capas, mientras que el filtrado que contiene su complejo de carbeno n-heterocíclico de paladio entrará en el tubo de Schlenk vacío.

Si agregó diclorometano a la mezcla de reacción, puede contribuir con algo de presión dentro del tubo de filtración, y esto puede hacer que el líquido se filtre por la parte de conexión entre el tubo de Schlenk lleno y el tubo de filtrado al invertirse. Para evitarlo, es importante conectar el tubo Schlenk vacío al vacío antes de la inversión del aparato, como se muestra, de modo que al invertirse, la mezcla de reacción no tenga tiempo suficiente para filtrarse por la parte de conexión. Separe el tubo Schlenk que contiene el filtrado del aparato de filtrado de arriba y séllelo con un tapón engrasado.

Elimine el disolvente del filtrado con aspiradora. Una vez que se haya eliminado todo el solvente, abra el tubo Schlenk y agregue 5 milésimas de pulgada de éter dietílico para lavar el producto del complejo de carbeno n-heterocíclico de paladio que queda. Agite suavemente el tubo para realizar el lavado.

Una vez terminado el lavado, limpie la grasa de la boca del tubo y decante el éter en un vaso de precipitados. Repita este paso de lavado varias veces, agregando cinco milésimas de pulgada de éter dietílico y decantándolo cada vez. Después del último paso de lavado, selle el tubo Schlenk con un tapón engrasado y seque su producto complejo de paladio n-heterocíclico lavado con vacío.

Después del secado, limpie la grasa de la boca del tubo y luego recoja su producto para una mayor purificación a través de la recristalización. Para la recristalización, encuentre un disolvente adecuado para su complejo de carbeno n-heterocíclico de paladio específico y siga los mismos pasos mostrados anteriormente para las sales. El disolvente debe ser uno en el que el complejo no se disuelva fácilmente a temperatura ambiente, pero lo hace al calentarse.

Después de la purificación, recoja su complejo para la caracterización. Los complejos de carbeno n-heterocíclico de paladio sintetizados eran sólidos de color amarillo o crema y tenían rendimientos más bajos que las sales, oscilando entre el 25% y el 60%Los cuatro complejos de paladio se probaron para la actividad catalítica en la arilación y las reacciones de acoplamiento cruzado de Suzuki-Miyaura. Ahora, se demostrará el método generalizado para probar la actividad catalítica de los complejos sintetizados en reacciones de arilación.

Lleve a cabo todas las reacciones catalíticas bajo el aire en una campana extractora y utilice los reactivos comprados sin purificación adicional. Sujete un tubo Schlenk de 25 milésimas de pulgada en posición vertical y agregue una barra agitadora, dos milimoles de 2-n-butiltiofeno o 2-n-butilfurano, y un milimol de bromuro de arilo elegido. A continuación, añada un milimol de acetato de potasio, 0,01 milimoles del complejo de carbeno n-heterocíclico de paladio elegido y dos milésimas de pulgada de n, n-dimetilacetamida en el tubo.

Selle el tubo con un tapón engrasado y colóquelo en un baño de aceite. Agite la mezcla de reacción durante varios momentos y a varias temperaturas para encontrar las condiciones de tiempo y temperatura que conduzcan al máximo rendimiento del producto para la reacción dada. Una vez que la reacción se haya completado o se haya ejecutado durante la cantidad de tiempo deseada, retire el solvente en la mezcla de reacción con vacío, usando calor para ayudar si es necesario.

Desprecinilla el tubo Schlenk y agregue una mezcla de 10 mil a dos mil de hexano-éter dietílico en él. Esta mezcla de disolventes será su fase móvil para la cromatografía en columna flash en los próximos pasos. Agite la mezcla enérgicamente para asegurarse de que su producto se disuelva en la fase móvil y no quede en el tubo.

Utilice un gotero de vidrio para ensamblar una columna de cromatografía flash para la purificación de su producto. Primero, inserte un pequeño trozo de algodón en el gotero y empújelo hasta que descanse firmemente justo donde la cámara de vidrio comienza a adelgazar. Luego, agregue gel de sílice sobre el taco de algodón de modo que se llenen 2/3 de la sección gruesa del gotero.

Sujete su columna de gel de sílice en posición vertical y use un gotero de vidrio para transferir gradualmente su mezcla de reacción a ella. Eluya la mezcla a través de la columna y recoja el eluyente que contiene el producto purificado en un vaso de precipitados limpio o en un tubo de ensayo. Transfiera su eluyente a un tubo limpio que se pueda conectar para aspirar y selle el tubo con un tapón engrasado.

Retire el disolvente de su eluyente con vacío. Una vez que hayas eliminado todo el solvente, abre el tubo y agrega 1.5 milésimas de pulgada de diclorometano. Agite suavemente el tubo para disolver su producto y permitir así su análisis con cromatografía de gases.

Se muestran resultados representativos del efecto catalítico de los complejos de carbeno n-heterocíclico de paladio sobre las reacciones de arilación estudiadas. La reacción entre el 2-n-butiltiofeno y el 4-bromoacetofenona se puso como ejemplo para poner de relieve los pobres resultados obtenidos en las reacciones de arilación en ausencia de un catalizador adecuado. Para la catálisis de la reacción entre el 2-n-butilfurano y el 4-bromoacetofenona, el complejo seis fue un buen candidato, mientras que los complejos siete y ocho se comportaron particularmente bien.

El complejo siete fue un excelente catalizador para la reacción entre el 2-n-butilfurano y el bromobenceno. El efecto positivo del aumento de la temperatura en el rendimiento de esta reacción muestra que si la reacción es catalizada por un complejo apropiado, la modificación de otras condiciones de reacción, como la temperatura, puede ayudar a maximizar el rendimiento. Para la reacción de 2-n-butiltiofeno con bromobenceno, el complejo ocho fue un excelente catalizador, mientras que para la reacción entre 2-n-butiltiofeno y 4-bromoanisol, el complejo cinco funcionó bastante bien como catalizador.

En general, cada una de las reacciones de arilación estudiadas fue catalizada bien por al menos uno de los cuatro complejos sintetizados. Se puede realizar más trabajo para aumentar potencialmente los valores de rendimiento de estas reacciones modificando las condiciones de reacción, como el tiempo y la temperatura. Ahora, se demostrará el método generalizado para probar la actividad catalítica de los complejos sintetizados en las reacciones de acoplamiento cruzado de Suzuki-Miyaura.

Sujete un tubo Schlenk de 25 milésimas de pulgada en posición vertical y agregue una barra agitadora, 1.5 milimoles de ácido fenilborónico o el derivado del ácido borónico de su elección, un milimol de cloruro de arilo elegido y dos milimoles de terc-butóxido de sodio como base. A continuación, añada 0,01 milimoles del complejo de carbeno n-heterocíclico de paladio que haya elegido y una mezcla de agua DMF de dos milésimas de pulgada a dos milésimas de pulgada en el tubo. Selle el tubo con un tapón de grasa y colóquelo en un baño de aceite.

Agite la mezcla de reacción durante varios momentos y a varias temperaturas para encontrar las condiciones de tiempo y temperatura que conducen al máximo rendimiento del producto para la reacción dada. Una vez que la reacción se haya completado o se haya ejecutado durante el tiempo deseado, deje que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente. Desprecinta el tubo Schlenk y añade una mezcla de acetato de hexano-etilo de cinco mil a una milésima de pulgada a la mezcla de reacción.

Vuelva a sellar el tubo y agite vigorosamente la nueva mezcla durante unos minutos para permitir la migración del producto sintetizado a la fase de acetato de hexano-etilo. Sujete el tubo Schlenk en posición vertical y deje que la mezcla se asiente en dos fases distintas en el transcurso de unos minutos. Utilice un gotero de vidrio para extraer cuidadosamente la fase orgánica superior y transfiérala a un vaso de precipitados limpio que contenga un gramo de sulfato de magnesio anhidro.

El polvo de sulfato de magnesio ayudará a eliminar cualquier agua residual de la fase orgánica extraída. Repita todo el proceso de extracción al menos una vez para maximizar la extracción de su producto sintetizado. Ensamble una columna de gel de sílice como antes para purificar su producto con cromatografía en columna flash.

Esta vez, la mezcla de acetato de hexano y etilo presente en su fase orgánica extraída servirá como fase móvil. Recoja el eluyente que contiene su producto purificado en un vaso de precipitados limpio o tubo de ensayo y luego analice su producto mediante cromatografía de gases. El efecto catalítico de los complejos sobre las reacciones de Suzuki-Miyaura estudiadas entre derivados del ácido borónico y cloruros de arilo fue variable.

En este caso, el objetivo fue comparar el rendimiento de los cuatro complejos en la catálisis de estas reacciones. Así, para cada una de las reacciones estudiadas, las demás condiciones de reacción se mantuvieron constantes. Es decir, se utilizó una mezcla de DMF y agua de 2 mil a 2 mil como solvente, se usó terc-butóxido de sodio como base, las reacciones se ejecutaron durante dos horas y la temperatura de reacción se mantuvo a 80 grados Celsius.

En estas condiciones, los complejos cinco a siete demostraron ser un buen candidato, mientras que el complejo ocho no funcionó bien para la catálisis de la reacción entre el ácido 2,5-dimetoxifenilborónico y el 4-metoxi-1-clorobenceno. Para la reacción del ácido 4-terc-butilfenilborónico y el 4-clorotolueno en estas condiciones, los cuatro complejos demostraron ser excelentes catalizadores. Finalmente, para la reacción del ácido tianafténo-2-borónico con 1-cloro-4-nitrobenceno en estas condiciones, los complejos cinco y seis no funcionaron bien como catalizadores, mientras que los complejos siete y ocho mostraron cierta promesa.

En general, cada una de las reacciones de Suzuki-Miyaura estudiadas fue catalizada bien por al menos uno de los cuatro complejos sintetizados. Para aquellos casos en los que el complejo elegido funcionó bien en la catalización de la reacción dada, se puede realizar un trabajo adicional para aumentar potencialmente los valores de conversión y rendimiento variando las condiciones de reacción como el tiempo, la temperatura, la composición del solvente y la base utilizada. En resumen, en este vídeo se han mostrado los protocolos detallados y generalizados para la síntesis y purificación de las sales de benzimidazolio y, posteriormente, de los complejos de carbeno n-heterocíclico de paladio.

El video también ha mostrado los protocolos detallados y generalizados para probar la actividad catalítica de los complejos en varias reacciones de arilación y acoplamiento cruzado de Suzuki-Miyaura. Después de dominar estos protocolos, debería poder adaptarlos fácilmente para la síntesis, purificación y prueba de la actividad catalítica de muchos otros complejos de carbeno n-heterocíclico de paladio.