Intramolecolari di micro-onde dehydrogenative Diels-Alder (DA) reazioni di fornire l'accesso concisa ciclopenta funzionalizzato [<em> B</em>] Blocchi naftalene. L'utilità di questa metodologia è dimostrata da una fase di conversione dei cicloaddotti dehydrogenative DA in nuovi coloranti fluorescenti solvatochromic tramite Buchwald-Hartwig palladio-catalizzata reazioni di cross-coupling.
Naftaleni funzionalizzati hanno applicazioni in vari campi di ricerca che vanno dalla sintesi di molecole naturali o biologicamente attivi per la preparazione di nuovi coloranti organici. Sebbene numerose strategie sono stati riportati per accedere ponteggi naftalene, molte procedure ancora presenti limitazioni in termini di funzionalità che incorpora, che a sua volta riduce il campo di substrati disponibili. Lo sviluppo di metodi versatili per l'accesso diretto ai naftaleni sostituiti è quindi altamente auspicabile.
Il Diels-Alder (DA) reazione di cicloaddizione è un metodo efficace e attraente per la formazione di sistemi di anello saturi e insaturi da materiali di partenza facilmente disponibili. Un nuovo micro-onde reazione intramolecolare dehydrogenative DA dei derivati styrenyl descritto nel presente documento genera una varietà di ciclopenta funzionalizzato [b] naftaleni che non potevano essere preparati utilizzando risorse esistenti metodo sinteticos. Rispetto al riscaldamento convenzionale, irradiazione a microonde accelera velocità di reazione, migliora le rese, e limita la formazione di sottoprodotti indesiderati.
L'utilità di questo protocollo è ulteriormente dimostrato dalla conversione di un cycloadduct DA in un colorante fluorescente solvatochromic romanzo attraverso un Buchwald-Hartwig palladio-catalizzata reazione di cross-coupling. Spettroscopia di fluorescenza, come una tecnica di analisi informativa e sensibile, svolge un ruolo chiave nei campi di ricerca tra cui scienze ambientali, medicina, farmacologia e biologia cellulare. L'accesso a una varietà di nuovi fluorofori organici forniti dal micro-onde reazione dehydrogenative DA permette per un ulteriore avanzamento in questi campi.
Progettazione di piccole molecole e la sintesi è fondamentale per lo sviluppo di una vasta gamma di settori scientifici che include farmaci, pesticidi, coloranti organici, e molti altri 1. Il Diels-Alder (DA) e diidro-Diels-Alder (DDA) reazioni sono strumenti particolarmente potenti nella sintesi di piccole ciclici e composti aromatici 2-4. Inoltre, le reazioni termiche dehydrogenative Da di stirene con dieni dienofili alchino fornire una rotta potenzialmente utile per la sintesi di composti aromatici inizialmente formando cicloaddotti che può ulteriormente aromatizzare in condizioni di ossidazione 5. Impiegando una reazione termica intramolecolare dehydrogenative DA di stirene con dieni alchini, i problemi tipicamente associati con stirene utilizzando come diene, come indesiderate [2 + 2] cicloaddizione 5,6 e reazioni di polimerizzazione 7 e regioselettività poveri, vengono alleviati e naftalene composti può essere generato.
La reazione termica intramolecolare dehydrogenative DA di stireni con alchini non è senza problemi notevoli. Primo, la maggior parte delle reazioni soffrono basse rese, lunghi tempi di reazione, e temperature di reazione elevate 8-11. Inoltre, molte reazioni non promuovono la formazione esclusiva del prodotto naftalene sia naftalene e diidronaftalene sono prodotte, spesso miscele separabili mediante cromatografia su colonna 11,12. Gli attacchi del precursore stirene-ynes si limitano inoltre includere eteroatomi e / o frazioni carbonilici. Solo un esempio è riportato per un all contenente carbonio tether, richiedendo condizioni di 250 ° C per 48 ore pulito in modo da ottenere la formazione di naftalene 10.
Oltre a varietà limitata entro le pastoie dei materiali di partenza, uno dei vincoli più gravi di questa metodologia è la mancanza di funzionalità tollerata nelle condizioni termiche convenzionali.Il capolinea alchino del materiale di partenza è non sostituito o aggiunto un (TMS) fenile o trimetilsilil 8-13. In un caso, un estere al capolinea alchino viene mostrato a subire la reazione dehydrogenative DA, ma ciò comporta una miscela di naftalene e prodotti diidronaftalene 11. Una proposta successivamente suggerisce che un gruppo TMS aggiunta al terminus alchino è necessario per raggiungere la formazione esclusiva naftalene in rese elevate 10. La carenza di funzionalità diverse segnalato per reazioni termiche dehydrogenative DA limita fortemente le potenzialità di questa reazione verso l'assemblaggio di strutture uniche naftalene.
Il desiderio di variazione in strutture di naftalene deriva dalla loro funzione di piccoli blocchi di costruzione molecole in diversi settori scientifici, in particolare coloranti fluorescenti organici 14,15. L'eccellente risoluzione spaziale e tempi di risposta di org piccolicoloranti ANIC per monitorare in tempo reale 16 eventi ha portato allo sviluppo di centinaia di composti fluorescenti disponibili in commercio. Molti di questi coloranti sono naftaleni con discrete proprietà fotofisiche e chimiche 15. La scelta di coloranti fluorescenti con proprietà specifiche per monitorare le singole funzioni è impegnativo, che porta ad un crescente bisogno di nuove classi di fluorofori con più proprietà diverse fotofisiche. A tal fine, una reazione termica intramolecolare dehydrogenative DA di stireni con alchini che permette diversificazione di un unico naftalene scaffold sarebbe potenzialmente utile con applicazione a sviluppare nuovi naftalene-contenenti coloranti fluorescenti.
In alternativa al riscaldamento convenzionale, assistita da microonde chimica è vantaggioso perché offre riscaldamento più uniforme del campione chimico, che porta a rese chimiche elevate, velocità di reazione più veloci, più lieve condizione di reaziones, e spesso diversa selettività dei prodotti 17. Impiegando condizioni di riscaldamento a microonde-assistite rispetto convenzionale per la reazione intramolecolare dehydrogenative DA di stireni serve ad eliminare molti dei problemi associati con questa metodologia, riducendo il tempo di reazione da giorni a minuti, aumentare le rese precedentemente poveri, abbassare la temperatura di reazione, e offrendo formazione più selettiva del prodotto desiderato naftalene. Di micro-onde condizioni di reazione può anche essere più in grado di agevolare l'incorporazione di una maggiore varietà di funzionalità nei prodotti naftalenici che prima erano irraggiungibili. Solo un esempio precedente è stato segnalato utilizzando assistita da microonde condizioni per la reazione dehydrogenative DA in cui è stata ottenuta una resa del 90% sia naftalene e diidronaftalene in soli 15 min a 170 ° C 12.
Qui è riportato un micro-onde dehydroge intramolecolarenativo reazione DA dei derivati styrenyl che porta alla formazione esclusiva di prodotti naftalene funzionalizzati e diversificata in soli 30 minuti e, in alto a rese quantitative 18. L'utilità di questo protocollo è ulteriormente dimostrato dal one-step di conversione di un prodotto naftalina in un colorante fluorescente solvatochromic romanzo con proprietà fotofisiche che rivaleggiare con quella del popolare disponibile in commercio colorante Prodan 19.
1. Di micro-onde di reazione DA Dehydrogenative
2. Buchwald-Hartwig palladio-catalizzata di cross-coupling di reazione
3. Preparazione della soluzione colorante per gli Studi fotofisiche
4. UV-Visibile Spettroscopia di assorbimento
5. Fluorescenza Emission Spectroscopy
Di micro-onde di reazione DA Dehydrogenative
La reazione intramolecolare dehydrogenative DA di precursori styrenyl mediante irradiazione con microonde (MWI) produce strutture naftalene diverse in alte rese di 71-100% e tempi brevi, richiedendo solo 30 min (Figura 1) 18. L'aspetto più difficile eseguire la reazione dehydrogenative DA è selezione del solvente, che è spesso complicata a causa di una varietà di caratteristiche solventi devono essere considerati per un riscaldamento ottimale. Innanzitutto, una reazione di successo deve essere possibile in un solvente che è compatibile con le condizioni microonde. Fattori come il punto di ebollizione, assorbimento microonde, polarità, e la quantità di solvente nel flaconcino microonde tutti influenzare riscaldamento ed esito reazione. Entrambi 1,2-dicloroetano (DCE) e o-diclorobenzene (DCB) sono opportuni solventi MWI per la reazione dehydrogenative DA, ma a volte ha DCEs difficoltà a raggiungere 180 ° C da MWI. Questo problema viene risolto aggiungendo più solvente, ricapitolando il flaconcino MWI, oppure effettuando la reazione in DCB, che è un assorbitore di microonde meglio DCE ed ha un punto di ebollizione più elevato. Progresso della reazione viene monitorato mediante TLC, soprattutto se la scala della reazione è aumentata poiché questo può allungare il tempo della reazione. Mentre la maggior parte dei substrati riportati subiscono ciclizzazione a 180 ° C, riscaldamento a 225 ° C in DCB serve a ridurre sensibilmente i tempi di reazione per esempi che comportano tempi di reazione superiori a 200 min a 180 ° C. Solo un esempio relativo ad un naftalene con un anello di cicloesano fuso richiede una temperatura di 300 ° C per completare la reazione, che stabilisce questo come il primo esempio riportato di cicloesano-naftalene fuso scaffold generato tramite una reazione dehydrogenative DA. Questi risultati variano notevolmente da precedenti lavori in cui sono stati prodotti naftaleni in condizioni di riscaldamento convenzionali, ma richiede EXTEriscaldamento nded e delle rese dei prodotti sono stati ottenuti 8,9 naftalene. Analogamente, quando la ciclizzazione illustrato in figura 3 è condotta in un 180 ° C in bagno di olio, la reazione richiede 2 giorni per completare in una resa del 61%. Questa è una differenza drastica dal min 200 e resa quantitativa osservata utilizzando condizioni MWI 18.
Oltre ad accelerare la reazione e incrementando la resa, la assistita da microonde reazione dehydrogenative DA incorpora una grande quantità di funzionalità non precedentemente tollerato in condizioni convenzionali di riscaldamento. Sostituzione cloro in varie posizioni del stirene consente la formazione di ponteggi uniche dei prodotti naftalene (Figura 1). Inoltre, esempi di riscaldamento più convenzionali includono solo sostituzione di non-elettron-porzioni al capolinea del alchino del materiale di partenza 8-13. Solo esempi inclusioneding sostituzione di un gruppo TMS al alchino provocato formazione naftalene esclusiva in alte rese 10,13. Figura 1 mostra una matrice di elettron-funzionalità che possono essere incorporati utilizzando la assistita da microonde reazione dehydrogenative DA, che comprende chetoni, aldeidi , esteri, solfoni, solfossidi, e fosfonati. Mentre la reazione avviene facilmente con elettron-sostituzione al capolinea alchino, non sostituito o alchino TMS precursori sostituiti alchino non subire ciclizzazione.
Infine, il micro-onde reazione dehydrogenative DA non solo aumenta la portata della ciclopenta realizzabile [b] composti naftalenici (Figura 1), ma produce questi naftaleni senza contaminazione con diidronaftalene indesiderato. Alterazioni del stirene-ino tether introducendo un chetone propargile oppure una parte diestere anche possibile permettersi diversi quadri di naphthalene senza formazione di sottoprodotto. Esempi precedenti di reazione dehydrogenative DA di stireni sono limitate alle materie prime che includono eteroatomi e / o carbonili nella stirene-ino tether 8-13. Solo esempio riportato una ciclopenta [b] naftalene formata da un copolimero di stirene-ino contenente un all tether carbonio 10. Mentre stirene-ynes contenenti tutti cavezze carbonio dare formazione esclusiva del naftalene tramite assistita da microonde reazione, una limitazione di questo metodo è che l'incorporazione di eteroatomi, come atomi di ossigeno o azoto, nel tether produrre miscele di prodotti.
Buchwald-Hartwig palladio-catalizzata di cross-coupling di reazione
Il Buchwald-Hartwig palladio-catalizzata reazione di cross-coupling è un passo di trasformazione dei naftaleni prodotti dalla reazione assistita da microonde dehydrogenative DA in nuovi coloranti fluorescenti. Mentre la purificazione di tegli naftaleni generato dalla reazione DA non è necessaria per il successo palladio-catalizzata reazione di cross-coupling, fa aumentare la resa del cross-coupling. Semplice filtrazione attraverso un tampone di gel di silice è sostanziale per purificare l'addotto DA, e solo come risultato una riduzione del 5-10% nel rendimento per la reazione di micro-onde. Accoppiamento di questo naftalene con una ammina utilizzando Ruphos risultati palladacycle in una resa del 70% del prodotto di cross-coupling (Figura 3) 19. I migliori risultati per la cross-coupling vengono ottenuti quando i reagenti freschi, come LHMDS dimetilammina e sono impiegati, e quando si ha cura di mantenere un ambiente di reazione inerte.
UV-Vis di assorbimento e spettroscopia di emissione di fluorescenza
Le proprietà fotofisiche del colorante sono stati studiati usando 1 x 10 -5 M soluzioni sia per UV-Vis assorbimento e spettroscopia di emissione di fluorescenza. In tal modo, absorbance valori tra 0,01 e 0,1 sono stati ottenuti alla lunghezza d'onda di 334 nm, come pure ai rapporti di buon segnale rumore. Concentrazione dei campioni deve essere scelto per dare valori di assorbanza nell'intervallo da 0,01 a 0,1.
L'intensità di fluorescenza del campione è diminuito da una varietà di fattori, tra cui la qualità dei solventi utilizzati e la presenza di ossigeno nel campione analizzato. Per superare questo problema, spettroscopiche solventi grado può essere usato per preparare le soluzioni coloranti. Inoltre, i risultati migliori si ottengono di norma degasaggio del campione con un gas inerte, come azoto o argon, prima di raccogliere dati spettroscopici.
Le proprietà fotofisiche del nuovo colorante può essere confrontato con commercialmente disponibile Prodan colorante fluorescente per mostrare solvatochromism migliorata del colorante sopra Prodan. Ad esempio, lo spostamento del bathochromic l'emissione di fluorescenza massimi da toluene a etanolo è 112 nm per l'colorante rispetto al solo 69 nm per Prodan. Inoltre, il nuovo fluoroforo presenta uno spostamento Stokes di 133 nm e massima di emissione di fluorescenza di 510 nm in diclorometano, un drammatico aumento dal passaggio 85 nm Stokes e 440 nm di emissione massima di Prodan 19. Rosso-spostato emissioni sono particolarmente importanti per applicazioni biologiche dove la fluorescenza naturale di biomolecole possono limitare il rilevamento di fluorofori emettono e assorbono a lunghezze d'onda più corte. Questi risultati confermano l'applicabilità di questo protocollo per la sintesi di importanti coloranti fluorescenti.
Applicazioni e Conclusioni
Attuare il micro-onde reazione dehydrogenative DA nella sintesi di coloranti fluorescenti solvatochromic nuovi è solo un'applicazione di questa metodologia versatile. Oltre a istruire il solvatochromism dei coloranti sintetici, questa reazione può essere utilizzato per sintetizzare una varietà di composti fluorescenti con interesting proprietà fotofisiche consentendo la funzionalizzazione unica di strutture naftalene. Inoltre, la sintesi rapida e facile di naftaleni attraverso questo metodo di micro-onde fornirebbe un percorso espediente per la sintesi di prodotti naturali altamente funzionalizzati contenenti naftalene.
In conclusione, la metodologia qui descritta fornisce accesso concisa a una varietà di naftaleni funzionalizzati, nonché ad un colorante solvatochromic nuovo. I vantaggi di cui sopra e la versatilità del assistita da microonde reazione dehydrogenative DA consentire ulteriori applicazioni al campo di espansione organici coloranti fluorescenti, e potenzialmente anche alla sintesi di molecole naturali e biologiche.
The authors have nothing to disclose.
<strong>Reagent/Material</strong> | |||
1,2-Dichlor–thane, ACS reagent ≥99.0% | Sigma-Aldrich | 319929 | |
SiliaPlate G TLC – glass-backed, 250 μm | Silicycle | TLG-R10011B-323 | |
Ethyl acetate, certified ACS ≥99.5% | Fisher Scientific | E14520 | |
Hexanes, certified ACS ≥98.5% | Fisher Scientific | H29220 | |
Silica gel, standard grade | Sorbent Technologies | 30930M | 60 A, 40-63 μM (230 x 400 mesh) |
RuPhos palladacycle | Strem | 46-0266 | |
Nitrogen gas | Matheson TRIGAS | NI304 | Nitrogen 304cf, industrial |
Lithium bis(trimethylsilyl) amide solution | Sigma-Aldrich | 225770 | 1.0 M solution in THF |
Tetrahydrofuran anhydrous ≥99.9% | Sigma-Aldrich | 401757 | Inhibitor-free |
Dimethylamine solution | Sigma-Aldrich | 391956 | 2.0 M solution in THF |
Ammonium chloride | Fisher Scientific | A661-500 | |
Sodium sulfate, anhydrous (granular) | Fisher Scientific | S421-500 | |
Chromatography column | Chemglass | CG-1188-04 | ½ in ID x 18in E.L. |
Cyclohexane, ≥99.0% | Fisher Scientific | C556-1 | |
Toluene anhydrous, 99.8% | Sigma-Aldrich | 24451 | |
1,4-Dioxane anhydrous, 99.8% | Sigma-Aldrich | 296309 | |
Tetrahydrofuran anhydrous, ≥99.9% | Sigma-Aldrich | 186562 | 250 ppm BHT as inhibitor |
Dichloromethane | Sigma-Aldrich | 650463 | Chromasolv Plus |
Chloroform, ≥99.8% | Fisher Scientific | C298-1 | |
Acetonitrile anhydrous, 99.8% | Sigma-Aldrich | 271004 | |
Dimethyl sulfoxide, ≥99.9% | Fisher Scientific | D128 | |
Ethyl alcohol | Pharmco-AAPER | 11ACS200 | Absolute |
<strong>Equipment</strong> | |||
Microwave Synthesizer | Biotage | Biotage Initiator Exp | |
Microwave Vial | Biotage | 352016 | 0.5 – 2 ml |
Microwave Vial | Biotage | 351521 | 2 – 5 ml |
Microwave Vial Cap | Biotage | 352298 | |
Microwave Synthesizer | Anton Paar | Monowave 300 | |
Microwave Vial G4 | Anton Paar | 99135 | |
Microwave Vial Cap | Anton Paar | 88882 | |
NMR Spectrometer | Bruker | Avance | 300 or 400 MHz |
UV-Visible Spectrometer | PerkinElmer | Lamda 9 | |
Spectrophotometer cell | Starna Cells | 29B-Q-10 | Spectrosil quartz, path length 10 mm, semi-micro, black wall |
Spectrofluorometer | HORIBA Jobin Yvon | FluoroMax-3 S4 | |
Fluorometer cell | Starna Cells | 29F-Q-10 | Spectrosil quartz, path length 10 mm, semi-micro |