Palladium N - Complexes de carbène hétérocyclique: synthèse des sels de benzimidazolium et activité catalytique dans les réactions de formation de liaison carbone-carbone

Le but de cette vidéo est de vous montrer des protocoles détaillés et généralisés pour la synthèse et la purification des sels de benzimidazolium, et par la suite, de leurs complexes de carbènes n-hétérocycliques de palladium. La vidéo vise également à vous montrer des protocoles détaillés et généralisés pour tester l’activité catalytique des complexes synthétisés dans les réactions de formation de liaisons carbone-carbone, telles que l’arylation et le couplage croisé Suzuki-Miyaura. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de synthétiser et de purifier ces composés, ainsi que de la façon de tester l’activité catalytique des complexes dans les réactions d’arylation et de Suzuki-Miyaura.

La démonstration du protocole commencera par la méthode généralisée de synthèse et de purification des sels de benzimidazolium. Suivra la méthode généralisée de synthèse et de purification des complexes de carbènes n-hétérocycliques de palladium. Enfin, les méthodes généralisées pour tester l’activité catalytique des complexes dans les réactions d’arylation puis de Suzuki-Miyaura seront présentées.

Attention : de nombreux solvants volatils sont utilisés dans le cadre des protocoles présentés, alors effectuez toutes les expériences dans une hotte en état de marche. Portez un équipement de protection individuelle approprié tout au long de l’utilisation et consultez la fiche signalétique de chaque réactif avant utilisation. La méthode généralisée de synthèse et de purification des sels de benzimidazolium va maintenant être démontrée.

Fixez un tube Schlenk de 100 mil à la verticale et mettez-y une barre d’agitation, un millimole de benzimidozole, un millimole d’hydroxyde de potassium et 60 mils d’alcool éthylique comme solvant. Placez le tube Schlenk dans un bain d’huile pour un chauffage uniforme et sûr du mélange réactionnel pendant les étapes d’agitation à venir. Fixez le tube à un condenseur pour éviter l’évaporation du solvant pendant l’agitation.

Assurez-vous que les pièces de la ferrure en verre sont suffisamment graissées et bien ajustées. Agitez le mélange réactionnel à 25 degrés Celsius pendant une heure pour permettre la dissolution complète de tous les solides, ainsi que la rupture de la liaison azote-hydrogène dans les molécules de benzimidazole. Au bout d’une heure, détachez le tube de Schlenk du condenseur et ajoutez lentement un millimole d’halogénure d’aryle de votre choix au mélange.

Rattachez le tube de Schlenk au condenseur et reflux le mélange à 78 degrés Celsius pendant six heures pour permettre à la réaction d’atteindre son terme. Laissez le mélange refroidir à 25 degrés Celsius une fois le reflux terminé. Détachez le tube Schlenk du condenseur et essuyez la graisse de la bouche du tube.

Filtrez ensuite le mélange réactionnel à l’aide d’un entonnoir et d’un papier filtre pour éliminer le précipité de chlorure de potassium qui s’est formé pendant la réaction. Recueillir le filtrat dans un bécher. Transférez le filtrat, qui contient le produit n-alkylbenzimidazolium, dans un tube Schlenk propre.

Fermez le tube avec un bouchon graissé et retirez le solvant d’alcool éthylique dans le filtrat avec le vide. Une fois que tout le solvant est éliminé, descellez le tube de Schlenk et ajoutez cinq mils d’éther diéthylique pour laver le produit n-alkylbenzimidazole qui reste. Secouez doucement le tube pour effectuer le lavage.

Une fois le lavage terminé, essuyez la graisse de l’embouchure du tube et décantez l’éther dans un bécher. Répétez cette étape de lavage plusieurs fois, en ajoutant cinq mils d’éther diéthylique et en le décantant à chaque fois. Après la dernière étape de lavage, fermez le tube Schlenk avec un bouchon graissé et séchez votre produit lavé à base de n-alkylbenzimidazole sous vide.

Après séchage, essuyez la graisse de l’embouchure du tube, puis transférez votre produit dans un petit flacon pour l’utiliser lors de la réaction suivante. Fixez un tube Schlenk propre à la verticale et expulsez l’air à l’intérieur en le purgeant avec du gaz argon. Introduisez le gaz par le bras latéral du tube et gardez l’embouchure du tube descellée pendant ce processus.

L’argon est plus lourd que l’air, il expulsera donc l’air en remplissant le tube de bas en haut. Continuez à purger le tube avec de l’argon tout en ajoutant les réactifs à l’étape suivante. Cette opération de purge est importante, car la réaction à venir doit être réalisée dans une atmosphère inerte.

Ajoutez lentement une barre d’agitation, une millimole de votre benzimidazole n-alkyle, une millimole d’halogénure d’alkyle de votre choix et quatre mils de DMF anhydre comme solvant dans le tube de Schlenk. Une fois tous les réactifs ajoutés, scellez rapidement l’embouchure du tube avec un bouchon graissé, puis scellez son bras latéral en tournant le robinet d’arrêt, puis éteignez le gaz argon. Placez le tube Schlenk scellé dans un bain d’huile et agitez le mélange réactionnel à 80 degrés Celsius pendant 24 heures pour permettre à la réaction d’atteindre son terme.

Après 24 heures, retirez une partie du solvant DMF dans le mélange avec le vide. Environ une à deux minutes d’aspiration devraient suffire. Si vous le souhaitez, vous pouvez retirer tout le solvant DMF de votre mélange de graisse, mais ce n’est pas nécessaire.

Descellez le tube Schlenk et ajoutez 15 mils d’éther diéthylique. Remuez le mélange jusqu’à ce que votre produit à base de sel de benzimidazolium se précipite. Après les précipitations, retirez l’éther diéthylique à l’aide d’une méthode de filtrage appropriée.

Nous avons utilisé un tube en verre spécial avec un bras latéral, un filtre interne et deux extrémités ouvertes auxquelles des tubes Schlenk peuvent être fixés. Étant donné que le bras latéral de ce tube et ceux des tubes Schlenk peuvent être fixés au vide, ce tube filtrant offre une grande commodité pour filtrer après l’étape de précipitation, ainsi que les étapes de lavage à venir, et le séchage après les étapes de lavage. Si vous utilisez quelque chose de similaire, fixez le tube Schlenk rempli à une extrémité du tube filtrant et un tube Schlenk vide à l’autre extrémité.

Fixez ensuite le tube de Schlenk vide à l’aspirateur et retournez soigneusement et progressivement l’appareil de sorte que l’éther diéthylique passe à travers le filtre jusqu’à ce tube de Schlenk vide. Si, toutefois, vous ne trouvez pas un tel tube, d’autres méthodes, telles que la filtration avec un entonnoir et du papier filtre, peuvent également être utilisées. Lavez votre produit salé avec 15 mils d’éther diéthylique et retirez l’éther diéthylique en utilisant la même méthode de filtration que celle que vous avez utilisée précédemment.

Répétez cette étape de lavage plusieurs fois, en utilisant 15 mils d’éther diéthylique et en le filtrant à chaque fois. Après la dernière étape de lavage, séchez votre produit salé lavé. Ici, nous l’avons séché à l’intérieur du tube filtrant sous vide.

Récupérez votre produit pour une purification ultérieure par recristallisation. Pour la recristallisation, ajoutez votre sel et un mélange d’alcool éthylique diéthylique de 12 mil à quatre mil dans un tube Schlenk propre. Chauffez le mélange à l’aide d’un pistolet thermique jusqu’à ce que le sel se dissolve complètement.

Ensuite, scellez le tube avec un bouchon graissé et fixez-le en position presque horizontale. Laissez votre sel recristalliser à température ambiante. Une fois que le sel a recristallisé, essuyez la graisse de l’embouchure du tube, puis filtrez le mélange à l’aide d’un entonnoir et d’un papier filtre pour séparer les cristaux de sel.

Lavez vos cristaux de sel pendant qu’ils sont encore sur le papier filtre dans l’entonnoir avec 15 mils d’éther diéthylique. Répétez cette étape de lavage plusieurs fois. Après la dernière étape de lavage, laissez les cristaux sécher à l’air libre sur le papier filtre.

Récupérez votre sel purifié pour la caractérisation et la synthèse de votre complexe de carbène n-hétérocyclique de palladium. Les sels de benzimidazolium synthétisés étaient des solides de couleur blanche ou crème et avaient des rendements allant de 62 % à 97 %. La méthode généralisée de synthèse et de purification des complexes de carbènes n-hétérocycliques de palladium va maintenant être démontrée. Fixez un tube Schlenk de 75 mil à la verticale et ajoutez-y une barre d’agitation, un millimole de sel de benzimidazolium de votre choix, un millimole de chlorure de palladium, cinq millimoles de carbonate de potassium comme base et trois mils de 3-chloropyridine.

Fermez le tube avec un bouchon graissé et placez-le dans un bain d’huile. Agitez le mélange réactionnel à 80 degrés Celsius pendant 16 heures pour permettre à la synthèse du complexe de carbène n-hétérocyclique de palladium d’atteindre son achèvement. Après 16 heures, laissez le mélange refroidir à température ambiante et descellez le tube.

Vous pouvez ajouter 10 mils de dichlorométhane au mélange pour améliorer l’efficacité des étapes de filtrage à venir, mais cela est facultatif et peut être sauté si vous le souhaitez. À l’aide d’un tube filtrant en verre sans couvercle, assemblez un tampon de celite et de gel de silice, qui sera utilisé pour éliminer le chlorure de palladium et le sel de benzimidazolium n’ayant pas réagi du mélange réactionnel. Tout d’abord, ajoutez quatre spatules de célite dans le tube pour faire une couche de célite au-dessus du filtre qui se trouve au milieu du tube.

Ensuite, ajoutez quatre spatules de gel de silice au-dessus de la couche de célite. Enfin, pressez une petite liasse de coton au-dessus de la couche de gel de silice, de sorte que les couches de cantilite et de gel de silice soient fixées en place entre le filtre et la ouate. Pour filtrer le mélange réactionnel à travers le tampon de clite et de gel de silice, fixez d’abord le tube Schlenk contenant le mélange réactionnel au tube filtrant en verre de sorte que le tube Schlenk fasse face à l’extrémité du tube filtrant avec la ouate.

Ensuite, fixez un tube Schlenk vide à l’autre extrémité du tube filtrant. Connectez le tube de Schlenk vide à l’aspirateur et retournez soigneusement et progressivement l’appareil de sorte que le mélange réactionnel soit filtré à travers, dans l’ordre, les couches de coton, de silice, de crétite et de filtre. Le chlorure de palladium et le sel de benzimidazolium n’ayant pas réagi seront retenus dans les couches, tandis que le filtrat contenant votre complexe de carbène n-hétérocyclique de palladium entrera dans le tube de Schlenk vide.

Si vous avez ajouté du dichlorométhane au mélange réactionnel, il peut apporter une certaine pression à l’intérieur du tube filtrant, ce qui peut provoquer une infiltration de liquide par la partie de connexion entre le tube Schlenk rempli et le tube filtrant lors de l’inversion. Pour éviter cela, il est important de connecter le tube de Schlenk vide au vide avant l’inversion de l’appareil, comme indiqué, afin qu’en cas d’inversion, le mélange réactionnel n’ait pas assez de temps pour s’échapper de la pièce de connexion. Détachez le tube Schlenk contenant votre filtrat de l’appareil de filtrage situé au-dessus et fermez-le avec un bouchon graissé.

Retirez le solvant dans le filtrat avec le vide. Une fois que tout le solvant est éliminé, descellez le tube de Schlenk et ajoutez 5 mils d’éther diéthylique pour laver le produit du complexe de carbène n-hétérocyclique de palladium laissé derrière. Secouez doucement le tube pour effectuer le lavage.

Une fois le lavage terminé, essuyez la graisse de l’embouchure du tube et décantez l’éther dans un bécher. Répétez cette étape de lavage plusieurs fois, en ajoutant cinq mils d’éther diéthylique et en le décantant à chaque fois. Après l’étape finale de lavage, scellez le tube de Schlenk avec un bouchon graissé et séchez votre produit lavé du complexe de carbène n-hétérocyclique au palladium avec du vide.

Après séchage, essuyez la graisse de l’embouchure du tube, puis récupérez votre produit pour une purification ultérieure par recristallisation. Pour la recristallisation, trouvez un solvant approprié pour votre complexe spécifique de palladium n-carbène hétérocyclique et suivez les mêmes étapes que celles indiquées précédemment pour les sels. Le solvant doit être celui dans lequel le complexe ne se dissout pas facilement à température ambiante, mais le fait lors du chauffage.

Après la purification, récupérez votre complexe pour la caractérisation. Les complexes de carbène n-hétérocyclique de palladium synthétisés étaient des solides de couleur jaune ou crème et avaient des rendements inférieurs à ceux des sels, allant de 25 % à 60 %. Maintenant, la méthode généralisée pour tester l’activité catalytique des complexes synthétisés dans les réactions d’arylation sera démontrée.

Effectuez toutes les réactions catalytiques sous l’air dans une hotte et utilisez les réactifs achetés sans autre purification. Fixez un tube Schlenk de 25 mil à la verticale et ajoutez-y une barre d’agitation, deux millimoles de 2-n-butylthiophène ou de 2-n-butylfurane, et une millimole de bromure d’aryle de votre choix. Ajoutez ensuite un millimole d’acétate de potassium, 0,01 millimole du complexe de carbène n-hétérocyclique de palladium de votre choix et deux mils de n, n-diméthylacétamide dans le tube.

Fermez le tube avec un bouchon graissé et placez-le dans un bain d’huile. Mélangez le mélange réactionnel pendant différents moments et à différentes températures pour trouver les conditions de temps et de température conduisant au rendement maximal du produit pour la réaction donnée. Une fois que la réaction est terminée ou qu’elle a duré la durée souhaitée, retirez le solvant du mélange réactionnel sous vide, en utilisant de la chaleur pour aider si nécessaire.

Descellez le tube de Schlenk et ajoutez-y un mélange de 10 mil à deux mil d’hexane-éther diéthylique. Ce mélange de solvants sera votre phase mobile pour la chromatographie sur colonne flash dans les étapes à venir. Agitez vigoureusement le mélange pour vous assurer que votre produit se dissout dans la phase mobile et ne reste pas dans le tube.

À l’aide d’un compte-gouttes en verre, assemblez une colonne de chromatographie flash pour la purification de votre produit. Tout d’abord, insérez une petite liasse de coton dans le compte-gouttes et enfoncez-la jusqu’à ce qu’elle repose fermement juste là où la chambre en verre commence à s’amincir. Ensuite, ajoutez du gel de silice sur le dessus de la liasse de coton de sorte que les 2/3 de la section épaisse du compte-gouttes soient remplis.

Fixez votre colonne de gel de silice à la verticale et utilisez un compte-gouttes en verre pour y transférer progressivement votre mélange réactionnel. Éluez votre mélange à travers la colonne et recueillez l’éluant contenant votre produit purifié dans un bécher ou un tube à essai propre. Transférez votre éluant dans un tube propre qui peut être fixé pour passer sous vide et scellez le tube avec un bouchon graissé.

Retirez le solvant de votre éluant avec le vide. Une fois que tout le solvant est éliminé, descellez votre tube et ajoutez 1,5 mil de dichlorométhane. Secouez doucement le tube pour dissoudre votre produit et permettre ainsi son analyse par chromatographie en phase gazeuse.

Des résultats représentatifs sont présentés pour l’effet catalytique des complexes de carbènes n-hétérocycliques de palladium sur les réactions d’arylation étudiées. La réaction entre le 2-n-butylthiophène et le 4-bromoacétophénone a été donnée en exemple pour mettre en évidence les mauvais résultats obtenus dans les réactions d’arylation en l’absence d’un catalyseur approprié. Pour la catalyse de la réaction entre le 2-n-butylfurane et le 4-bromoacétophénone, le complexe six était un bon candidat, tandis que les complexes sept et huit ont donné des résultats particulièrement bons.

Le complexe sept a été un excellent catalyseur pour la réaction entre le 2-n-butylfurane et le bromobenzène. L’effet positif de l’augmentation de la température sur le rendement de cette réaction montre que si la réaction est catalysée par un complexe approprié, la modification d’autres conditions de réaction telles que la température peut aider à maximiser le rendement. Pour la réaction du 2-n-butylthiophène avec le bromobenzène, le complexe huit était un excellent catalyseur, tandis que pour la réaction entre le 2-n-butylthiophène et le 4-bromoanisole, le complexe cinq a très bien fonctionné comme catalyseur.

Dans l’ensemble, chacune des réactions d’arylation étudiées a été bien catalysée par au moins un des quatre complexes synthétisés. D’autres travaux peuvent être effectués pour augmenter les valeurs de rendement de ces réactions en modifiant les conditions de réaction telles que le temps et la température. Maintenant, la méthode généralisée pour tester l’activité catalytique des complexes synthétisés dans les réactions de couplage croisé Suzuki-Miyaura sera démontrée.

Fixez un tube Schlenk de 25 mil à la verticale et ajoutez-y une barre d’agitation, 1,5 millimole d’acide phénylboronique ou votre choix de dérivé d’acide boronique, un millimole de chlorure d’aryle de votre choix et deux millimoles de tert-butoxyde de sodium comme base. Ajoutez ensuite 0,01 millimole du complexe de carbène n-hétérocyclique de palladium de votre choix et un mélange DMF-eau de deux mil à deux mil dans le tube. Scellez le tube avec un bouchon de graisse et placez-le dans un bain d’huile.

Agitez le mélange réactionnel pendant différents moments et à différentes températures pour trouver les conditions de temps et de température conduisant au rendement maximal du produit pour la réaction donnée. Une fois que la réaction est terminée ou qu’elle a duré la durée souhaitée, laissez le mélange refroidir à température ambiante. Descellez le tube Schlenk et ajoutez un mélange d’hexane-acétate d’éthyle de cinq mil à un mil à votre mélange réactionnel.

Refermez le tube et secouez vigoureusement le nouveau mélange pendant quelques minutes pour permettre la migration du produit synthétisé vers la phase hexane-acétate d’éthyle. Serrez le tube de Schlenk à la verticale et laissez le mélange se déposer en deux phases distinctes pendant quelques minutes. À l’aide d’un compte-gouttes en verre, extrayez soigneusement la phase organique supérieure et transférez-la dans un bécher propre contenant un gramme de sulfate de magnésium anhydre.

La poudre de sulfate de magnésium aidera à éliminer toute eau résiduelle de votre phase organique extraite. Répétez l’ensemble du processus d’extraction au moins une fois pour maximiser l’extraction de votre produit synthétisé. Assemblez une colonne de gel de silice comme précédemment pour purifier votre produit par chromatographie sur colonne flash.

Cette fois-ci, c’est le mélange hexane-acétate d’éthyle présent dans votre phase organique extraite qui servira de phase mobile. Prélevez l’éluant contenant votre produit purifié dans un bécher ou un tube à essai propre, puis analysez votre produit à l’aide de la chromatographie en phase gazeuse. L’effet catalytique des complexes sur les réactions de Suzuki-Miyaura étudiées entre les dérivés de l’acide boronique et les chlorures d’aryle était variable.

Ici, l’objectif était de comparer les performances des quatre complexes dans la catalyse de ces réactions. Ainsi, pour chacune des réactions étudiées, les autres conditions de réaction ont été maintenues constantes. À savoir, un mélange de DMF et d’eau de 2 mil à 2 mil a été utilisé comme solvant, le tert-butoxyde de sodium a été utilisé comme base, les réactions ont été exécutées pendant deux heures et la température de réaction a été maintenue à 80 degrés Celsius.

Dans ces conditions, les complexes cinq à sept se sont avérés être un bon candidat, tandis que le complexe huit n’a pas donné de bons résultats pour la catalyse de la réaction entre l’acide 2,5-diméthoxyphénylboronique et le 4-méthoxy-1-chlorobenzène. Pour la réaction de l’acide 4-tert-butylphénylboronique et du 4-chlorotoluène dans ces conditions, les quatre complexes se sont avérés être d’excellents catalyseurs. Enfin, pour la réaction de l’acide thianaphtène-2-boronique avec le 1-chloro-4-nitrobenzène dans ces conditions, les complexes cinq et six n’ont pas bien fonctionné en tant que catalyseurs, tandis que les complexes sept et huit se sont montrés prometteurs.

Dans l’ensemble, chacune des réactions de Suzuki-Miyaura étudiées a été bien catalysée par au moins un des quatre complexes synthétisés. Dans les cas où le complexe choisi a bien réussi à catalyser la réaction donnée, des travaux supplémentaires peuvent être effectués pour augmenter potentiellement les valeurs de conversion et de rendement en faisant varier les conditions de réaction telles que le temps, la température, la composition du solvant et la base utilisée. En résumé, cette vidéo a montré les protocoles détaillés et généralisés pour la synthèse et la purification des sels de benzimidazolium et, par la suite, des complexes de carbènes n-hétérocycliques de palladium.

La vidéo a également montré les protocoles détaillés et généralisés pour tester l’activité catalytique des complexes dans diverses réactions d’arylation et de couplage croisé de Suzuki-Miyaura. Après avoir maîtrisé ces protocoles, vous devriez être en mesure de les adapter facilement pour la synthèse, la purification et le test de l’activité catalytique de nombreux autres complexes de carbènes n-hétérocycliques de palladium.