Ozonolyse des alcènes

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Organic Chemistry II

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Ozonolysis of Alkenes

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06:52 min

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February 22, 2017

Overview

Source : Vy M. Dong et Zhiwei Chen, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Cette expérience montrera un exemple d’une réaction d’ozonolyse de synthétiser la vanilline d’isoeugenol (Figure 1). Ozonolyse des alcènes, une réaction d’oxydation entre l’ozone et un alcène, est une méthode commune pour préparer les aldéhydes, cétones et acides carboxyliques. Cette expérience montre également l’utilisation d’un générateur d’ozone et une réaction de basse température (−78 ° C).

La figure 1. Schéma montrant l’ozonolyse d’isoeugénol de vanilline.

Principles

Le clivage oxydant des alcènes à deux composés contenant du carbonyle-groupe s’appelle une réaction d’ozonolyse (Figure 2). Le mécanisme proposé (Figure 3) commence par une cycloaddition [3 + 2] entre alcène 1 avec l’ozone pour générer l’ intermédiaire molozonide A. A est instable et se transpose dans l’ozonide plus stable C via le zwitterion B. C se décompose en présence d’un agent réducteur tel que le sulfure de diméthyle à remettre les deux produits de carbonyle (2, 3) et le diméthylsulfoxyde. Quand un solvant nucléophile est utilisé (par exemple, méthanol), le nucléophile attaque intermédiaire B pour former un hydroperoxyde E, qui se décompose en produit 3 lorsqu’il est ajouté, le sulfure de diméthyle (Figure 4). La réaction est généralement effectuée à −78 ° C afin d’éviter les réactions secondaires et en présence d’un indicateur pour déterminer quand la réaction est terminée. Sudan III est un indicateur couramment utilisé. Au début, le mélange réactionnel est rouge et se tourne vers bleu/violet quand tous l’alcène est consommée. Quand tous l’alcène a réagi, l’indicateur, qui a un double de liaison N-N, réagit avec l’ozone, donnant ainsi le changement de couleur.

La figure 2. Schéma montrant la réaction d’ozonolyse générales d’un alcène avec un bilan réductrice.

La figure 3. Schéma montrant le mécanisme général d’ozonolyse des alcènes.

La figure 4. Schéma montrant la formation d’un hydroperoxyde d’intermédiaire B.

Procedure

Ajouter 200 mg d’isoeugénol, 15 mL de MeOH, et ~ 2 mg de Soudan III à un ballon à fond rond de 50 mL à col 3 équipé d’un bar d’agitation magnétique.
Raccorder le ballon de réaction à un réservoir d’oxygène et un barboteur.
Allumez le débit d’oxygène.
Laissez refroidir le mélange réactionnel avec un bain de glace carbonique et d’acétone.
Mettre en marche le générateur d’ozone, qui convertit l’oxygène du réservoir à l’ozone qui va dans le ballon à réaction. Le générateur se situera entre le réservoir d’oxygène et le ballon à réaction. Laissez le mélange réactionnel à remuer jusqu’à ce que les changements de couleur rouge à violet/bleu.
Désactiver le générateur d’ozone et permettre à oxygène purger le mélange de la réaction de l’ozone pendant 5 min.
Retirer le bain de refroidissement et ajouter 0,2 mL de sulfure de diméthyle.
Remuer le mélange réactionnel tout en réchauffant à température ambiante pendant 1 h.
Éliminer le solvant par évaporateur rotatif. Faire une silice prise en plaçant le gel de silice dans un entonnoir Büchner. Dissoudre le résidu dans l’acétate d’éthyle 10 % dans hexanes et passer la solution à travers le bouchon de silice sous vide pour éliminer les impuretés. Laver le bouchon de silice 2 fois plus avec 10 % d’acétate d’éthyle dans hexanes. Recueillir le filtrat et enlever le solvant évaporateur rotatif pour obtenir de la vanilline sous forme de solide blanc.
Calculer le rendement en pourcentage de la vanilline obtenue et d’établir son identité par le point de fusion (m.p) et ¹H RMN et la pureté.

Ozonolyse est l’oxydation des liaisons non saturées dans des composés organiques par l’ozone.

Ozonolyse est plus souvent utilisé en conjonction avec les alcènes pour obtenir deux produits de carbonyle. L’ozone réagit aussi avec les alcynes et les hydrazones. Ozonolyse est utilisé dans la recherche de chimie organique, synthèse de produits naturels en particulier et dans la synthèse de l’échelle industrielle des produits pharmaceutiques.

Cette vidéo va illustrer les modalités de l’ozonolyse des alcènes et introduire quelques applications d’ozonolyse en chimie.

L’ozonolyse d’un alcène commence par cycloaddition d’ozone à travers la double liaison carbone-carbone pour former un intermédiaire instable appelé un molozonide. Le molozonide se dissocie ensuite un oxyde de carbonyle et un carbonyle. Ces fragments se réarrangent pour déplacer l’oxygène du carbonyle de l’oxygènes oxyde de carbonyle. Les fragments se recombinent ensuite par cycloaddition dans un plus stable ozonide, dans laquelle l’oxygène du carbonyle est lié aux atomes de carbone.

L’ozonide est énerver en conjonction avec l’anneau dans les produits de carbonyle. Si les deux substituants sur un côté sont des groupes de carbone, une cétone est formée indépendamment des conditions de préparation. Étant donné un substituant d’hydrogène, oxydatif bilan avec un peroxyde d’hydrogène va produire un acide carboxylique. Bilan réductrice avec le zinc dans l’acide acétique ou le sulfure de diméthyle produira un aldéhyde.

Ozonolyse des alcènes est généralement réalisée en présence d’ indicateur permettant de suivre l’avancement de la réaction. Un indicateur est un composé avec une apparence différente à différentes étapes de la réaction. Par exemple, ozonolyse de l’indicateur de que Soudan III résulte en une couleur change de rouge vif au bleu foncé ou violet. Alcènes subissent une ozonolyse plus vite que le Soudan III, donc le changement de couleur indique que la réaction d’ozonolyse alcène a terminé.

Maintenant que vous comprenez les principes d’ozonolyse des alcènes, Let ‘ s go grâce à une procédure pour l’ozonolyse d’isoeugénol dans l’une des réactions précurseur pour la synthèse de la vanilline commerciale.

Pour commencer la procédure, mélanger 200 mg d’isoeugénol, 15 mL de méthanol et environ 2 mg de l’indicateur de Soudan III dans un ballon à fond rond à col 3 équipé d’un bar de remuer.

Fixer le ballon sous une hotte sur une plaque de remuer. Assurez-vous que le générateur d’ozone est éteint et puis raccorder le ballon à la génératrice et un barboteur d’huile.

Allumez le moteur agitateur pour mélanger la solution. Veiller à ce que le voyant rouge est réparti uniformément sur le mélange réactionnel. Ensuite, préparer un bain de refroidissement de la glace sèche dans l’acétone.

Commencer l’alimentation en oxygène via le générateur d’ozone. Placez le bain de refroidissement sur un laboratoire et soulever la baignoire pour laisser refroidir le mélange réactionnel. Une fois le mélange refroidi, démarrer le générateur d’ozone.

Surveiller le mélange réactionnel comme il remue jusqu’à ce que le mélange devienne bleu au violet en apparence. Puis, éteignez le générateur d’ozone et vider le mélange de la réaction avec l’oxygène diatomique pendant 5 min.

Une fois la purge terminée, éteignez le débit d’oxygène et abaisser le bain de refroidissement dehors sous le ballon. Pour commencer le bilan réductrice, ajouter 0,2 mL de sulfure de diméthyle au ballon. Laissez le mélange réchauffer à température ambiante en remuant pendant 1 h.

Ensuite, retirer les excès de solvant avec un évaporateur rotatif. Une fois cela fait, dissoudre le résidu dans 10 mL d’acétate d’éthyle de 10 % dans hexanes.

Raccorder un ballon de filtration sous vide à une ligne vide. Sécuriser un entonnoir Büchner dans la fiole et charger l’entonnoir avec gel de silice.

Purifier le mélange de produits de filtration sous vide. Laver le produit à travers le gel de silice avec deux portions de 10 % d’acétate d’éthyle dans hexanes.

Transvaser le filtrat dans un ballon à fond rond. Encore une fois, enlever le solvant avec un évaporateur rotatif pour obtenir la vanilline jaune aux aiguilles cristallines blanches.

Calculer le % rendement, déterminer le point de fusion et d’obtenir un spectre de RMN du proton du produit.

La vanilline est obtenue comme un solide cristallin blanc. La plage de point de fusion dans la littérature est de 81 à 83 degrés. Les spectres de RMN du proton peuvent être comparés aux précédents rapports de la littérature.

Ozonolyse est largement utilisé en chimie et en biologie. Regardons quelques exemples.

Ozonolyse est une étape de nombreuses synthèses industrielles de produits pharmaceutiques. Par exemple, les antibiotiques ceftibuten et cefaclor sont produits à un produit intermédiaire commun accédé par ozonolyse d’un alcène terminal à une cétone. Le produit de la cétone intermédiaire peut interconvertir avec une forme énol. Le groupe hydroxyle de l’énol subit alors des réactions différentes dans les étapes restantes aux deux antibiotiques.

Ozonolyse peut être l’aboutissement d’une technique pour stéréosélectivement alkylants le carbone alpha des aldéhydes et des cétones. Dans cette réaction, un réactif de pyrrolidine contrôle la stéréosélectivité de la formation de liaisons carbone-carbone en formant une hydrazone stériquement volumineux. Après alkylation du carbone alpha, la double liaison carbone-azote de l’hydrazone peut être clivée par ozonolyse pour régénérer la cétone ou aldéhyde suite bilan réductrice.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE d’ozonolyse.

Vous devez maintenant comprendre les principes sous-jacents de l’ozonolyse, la procédure d’ozonolyse des alcènes et quelques exemples d’utilisation de l’ozonolyse en chimie organique. Merci de regarder !

Results

La vanilline a été obtenue sous forme de solide blanc (150 mg, rendement 76 %) ; m.p. 76-79 ° C ; ¹ H RMN (400 MHz, CDCl₃) δ 9,82 (br s, 1 H), 7.43-7.41 (m, 2 H), 7.04 (d, J = 8,8 Hz, 1 H), 6 h 30 (s, 1 H), 3,96 (s, 3 H).

Applications and Summary

Dans cette expérience, nous avons démontré la synthèse de la vanilline d’isoeugénol en utilisant la réaction d’ozonolyse. En outre, en utilisant un générateur d’ozone tout en effectuant une réaction basse température a été montré.

Ozonolyse est une réaction utile pour préparer des aldéhydes, cétones et acides carboxyliques partir d’alcènes. Il a été appliqué dans la synthèse de produits naturels et de la préparation industrielle de produits pharmaceutiques. L’artémisinine est un puissant agent antipaludéen et fut l’un des produits naturels reconnus dans le 2015 prix Nobel en médecine. Dans une synthèse de 10 étapes de (R)-(+) – pulégone, ozonolyse a été utilisé dans la dernière étape pour rendre le produit naturel (Figure 5). Ceftibuten et cefaclor sont antibiotiques céphalosporines produits à échelle industrielle. Une route commerciale utilise ozonolyse pour accéder à un intermédiaire clé commun, qui peut être élaboré à deux composés (Figure 6).

Figure 5 . Schéma montrant l’ozonolyse comme la dernière étape dans une synthèse de l’artémisinine.

Figure 6 . Schéma montrant l’ozonolyse pour préparer une clé intermédiaire dans la synthèse divergente du cefaclor et ceftibuten.

Transcript

Ozonolysis is the oxidation of unsaturated bonds in organic compounds by ozone.

Ozonolysis is most frequently used to cleave alkenes to obtain two carbonyl products. Ozone also reacts with alkynes and hydrazones. Ozonolysis is used in organic chemistry research, particularly natural product synthesis, and in industrial-scale synthesis of pharmaceuticals.

This video will illustrate the procedure for ozonolysis of alkenes and introduce a few applications of ozonolysis in chemistry.

Ozonolysis of an alkene begins with cycloaddition of ozone across the carbon-carbon double bond to form an unstable intermediate called a molozonide. The molozonide then dissociates into a carbonyl oxide and a carbonyl. These fragments rearrange to move the carbonyl oxygen away from the carbonyl oxide oxygens. The fragments then recombine by cycloaddition into a more stable ozonide, in which the carbonyl oxygen is bound to the carbon atoms.

The ozonide is worked up to cleave the ring into the carbonyl products. If both substituents on a side are carbon groups, a ketone is formed regardless of the workup conditions. Given a hydrogen substituent, oxidative workup with a hydrogen peroxide will produce a carboxylic acid. Reductive workup with zinc in acetic acid or dimethyl sulfide will produce an aldehyde.

Alkene ozonolysis is usually performed in the presence of an indicator to track the reaction progress. An indicator is a compound with a different visual appearance at different stages in the reaction. For example, ozonolysis of the indicator Sudan III results in a color change from bright red to deep blue or purple. Alkenes undergo ozonolysis faster than Sudan III, so the color change indicates that the alkene ozonolysis reaction has completed.

Now that you understand the principles of ozonolysis of alkenes, let’s go through a procedure for ozonolysis of isoeugenol in one of the pioneering reactions for commercial vanillin synthesis.

To begin the procedure, combine 200 mg of isoeugenol, 15 mL of methanol, and approximately 2 mg of the indicator Sudan III in a 3-necked round-bottom flask equipped with a stir bar.

Secure the flask in a fume hood over a stir plate. Ensure that the ozone generator is off, and then connect the flask to the generator and an oil bubbler.

Turn on the stirring motor to mix the solution. Ensure that the red indicator is evenly distributed throughout the reaction mixture. Then, prepare a cooling bath of dry ice in acetone.

Start the oxygen flow via the ozone generator. Place the cooling bath on a lab jack and raise the bath to cool the reaction mixture. Once the mixture has cooled, start the ozone generator.

Monitor the reaction mixture as it stirs until the mixture becomes blue to purple in appearance. Then, turn off the ozone generator and purge the reaction mixture with diatomic oxygen for 5 min.

Once the purging is complete, turn off the oxygen flow and lower the cooling bath out from under the flask. To begin the reductive workup, add 0.2 mL of dimethyl sulfide to the flask. Allow the mixture to warm to room temperature while stirring for 1 h.

Then, remove excess solvent with a rotary evaporator. Once this is done, dissolve the residue in 10 mL of 10% ethyl acetate in hexanes.

Connect a vacuum filtration flask to a vacuum line. Secure a Büchner funnel in the flask and load the funnel with silica gel.

Purify the product mixture by vacuum filtration. Wash the product through the silica gel with two portions of 10% ethyl acetate in hexanes.

Transfer the filtrate to a round-bottomed flask. Again remove the solvent with a rotary evaporator to obtain vanillin as yellow to white crystalline needles.

Calculate the percent yield, determine the melting point, and obtain a proton NMR spectrum of the product.

Vanillin is obtained as a white crystalline solid. The melting point range in literature is 81 to 83 degrees. Proton NMR spectra may be compared to previous literature reports.

Ozonolysis is widely used in chemistry and biology. Let’s look at a few examples.

Ozonolysis is a step of many industrial syntheses of pharmaceuticals. For instance, the antibiotics ceftibuten and cefaclor are produced from a common intermediate product accessed by ozonolysis of a terminal alkene to a ketone. The intermediate ketone product can interconvert with an enol form. The enol hydroxy group then undergoes different reactions in the remaining steps to the two antibiotics.

Ozonolysis can be the final step of a technique for stereoselectively alkylating the alpha carbon of aldehydes and ketones. In this reaction, a pyrrolidine reagent controls the stereoselectivity of the carbon-carbon bond formation by forming a sterically bulky hydrazone. After alkylation of the alpha carbon, the carbon-nitrogen double bond of the hydrazone can be cleaved by ozonolysis to regenerate the ketone or aldehyde following reductive workup.

You’ve just watched JoVE’s introduction to ozonolysis. You should now understand the underlying principles of ozonolysis, the procedure for ozonolysis of alkenes, and a few examples of how ozonolysis is used in organic chemistry. Thanks for watching!