Palladio N Complessi di Carbene eterocicliche: Sintesi dei sali di benzimidazolium e attività catalitica in reazioni di formazione di legame di carbonio-carbonio

Lo scopo di questo video è quello di mostrarvi protocolli dettagliati e generalizzati per la sintesi e la purificazione dei sali di benzimidazolo e, successivamente, dei loro complessi di carbenio n-eterociclico di palladio. Il video ha anche lo scopo di mostrarvi protocolli dettagliati e generalizzati per testare l'attività catalitica dei complessi sintetizzati nelle reazioni di formazione di legami carbonio-carbonio, come l'arilazione e l'accoppiamento incrociato Suzuki-Miyaura. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come sintetizzare e purificare questi composti, nonché di come testare l'attività catalitica dei complessi nell'arilazione e nelle reazioni di Suzuki-Miyaura.

La dimostrazione del protocollo inizierà con il metodo generalizzato per la sintesi e la purificazione di sali di benzimidazolio. Seguirà il metodo generalizzato per la sintesi e la purificazione di complessi di carbenio n-eterociclico di palladio. Infine, verranno mostrati i metodi generalizzati per testare l'attività catalitica dei complessi in arilazione e quindi nelle reazioni di Suzuki-Miyaura.

Attenzione: molti solventi volatili vengono utilizzati come parte dei protocolli presentati, quindi eseguire tutti gli esperimenti in una cappa aspirante funzionante. Indossare sempre dispositivi di protezione individuale adeguati e consultare la scheda di sicurezza di ciascun reagente prima dell'uso. Verrà ora dimostrato il metodo generalizzato per la sintesi e la purificazione dei sali di benzimidazolio.

Bloccare un tubo Schlenk da 100 mil in posizione verticale e inserire una barra di agitazione, un millimole di benzimidozolo, un millimole di idrossido di potassio e 60 mil di alcol etilico come solvente. Posizionare il tubo di Schlenk in un bagno d'olio per un riscaldamento uniforme e sicuro della miscela di reazione durante le fasi di agitazione successive. Collegare il tubo a un condensatore per evitare l'evaporazione del solvente durante l'agitazione.

Assicurarsi che le parti del raccordo in vetro siano sufficientemente ingrassate e ben montate. Mescolare la miscela di reazione a 25 gradi Celsius per un'ora per consentire la completa dissoluzione di tutti i solidi, nonché la rottura del legame azoto-idrogeno nelle molecole di benzimidazolo. Dopo un'ora, staccare il tubo di Schlenk dal condensatore e aggiungere lentamente un millimole dell'alogenuro arilico scelto alla miscela.

Ricollegare il tubo di Schlenk al condensatore e rifluire la miscela a 78 gradi Celsius per sei ore per consentire alla reazione di raggiungere il completamento. Lasciare raffreddare la miscela a 25 gradi Celsius al termine del riflusso. Staccare il tubo Schlenk dal condensatore e rimuovere il grasso dalla bocca del tubo.

Quindi filtrare la miscela di reazione utilizzando un imbuto e carta da filtro per rimuovere il precipitato di cloruro di potassio che si è formato durante la reazione. Raccogliere il filtrato in un becher. Trasferire il filtrato, che contiene il prodotto n-alchil benzimidazolio, in una provetta di Schlenk pulita.

Sigillare la provetta con un tappo unto e rimuovere il solvente di alcol etilico nel filtrato con il vuoto. Una volta rimosso tutto il solvente, aprire il tubo di Schlenk e aggiungere cinque mil di etere etilico per lavare il prodotto n-alchil benzimidazolo rimasto. Scuotere delicatamente il tubo per eseguire il lavaggio.

Al termine del lavaggio, rimuovere il grasso dalla bocca del tubo e travasare l'etere in un becher. Ripetere questa fase di lavaggio alcune volte, aggiungendo cinque mil di etere etilico e travasandolo ogni volta. Dopo l'ultima fase di lavaggio, sigillare il tubo di Schlenk con un tappo unto e asciugare il prodotto n-alchil benzimidazolo lavato con il vuoto.

Dopo l'asciugatura, rimuovere il grasso dalla bocca del tubo e quindi trasferire il prodotto in una piccola fiala da utilizzare nella reazione successiva. Clamp un tubo Schlenk pulito in posizione verticale ed espellere l'aria al suo interno spurgandolo con gas argon. Introdurre il gas dal braccio laterale del tubo e mantenere la bocca del tubo non sigillata durante questo processo.

L'argon è più pesante dell'aria, quindi espellerà l'aria riempiendo il tubo dal basso verso l'alto. Continua a spurgare la provetta con argon mentre aggiungi i reagenti nel passaggio successivo. Questa operazione di spurgo è importante, in quanto la reazione per venire deve essere effettuata in atmosfera inerte.

Aggiungere lentamente una barra di agitazione, un millimole di n-alchil benzimidazolo, un millimole di alogenuro alchilico scelto e quattro mil di DMF anidro come solvente alla provetta di Schlenk. Una volta aggiunti tutti i reagenti, sigillare rapidamente l'imboccatura del tubo con un tappo ingrassato, quindi sigillare il braccio laterale ruotando il rubinetto e spegnere il gas argon. Mettere la provetta di Schlenk sigillata in un bagno d'olio e mescolare la miscela di reazione a 80 gradi Celsius per 24 ore per consentire alla reazione di raggiungere il completamento.

Trascorse 24 ore, rimuovere parte del solvente DMF nella miscela con il vuoto. Circa uno o due minuti di aspirazione dovrebbero essere sufficienti. Se lo desideri, puoi rimuovere tutto il solvente DMF dalla tua miscela simile al grasso, ma questo non è necessario.

Aprire il tubo di Schlenk e aggiungere 15 mil di etere etilico. Mescola la miscela fino a quando il tuo prodotto a base di sale di benzimidazolo non precipita. Dopo la precipitazione, rimuovere l'etere etilico utilizzando un metodo di filtraggio appropriato.

Abbiamo utilizzato uno speciale tubo di vetro con un braccio laterale, un filtro interno e due estremità aperte a cui possono essere attaccati i tubi Schlenk. Poiché il braccio laterale di questo tubo e quelli dei tubi Schlenk possono essere collegati al vuoto, questo tubo filtrante offre un'immensa comodità per il filtraggio dopo la fase di precipitazione, così come le fasi di lavaggio a venire, e l'asciugatura dopo le fasi di lavaggio. Se stai usando qualcosa di simile, attacca il tubo Schlenk pieno a un'estremità del tubo filtrante e un tubo Schlenk vuoto all'altra estremità.

Quindi collegare il tubo di Schlenk vuoto al vuoto e capovolgere con attenzione e gradualmente l'apparecchio in modo che l'etere etilico passi attraverso il filtro fino a questo tubo di Schlenk vuoto. Se, tuttavia, non riesci a trovare un tubo del genere, è possibile utilizzare anche altri metodi, come la filtrazione con un imbuto e carta da filtro. Lava il tuo prodotto salino con 15 mil di etere etilico e rimuovi l'etere etilico usando lo stesso metodo di filtrazione che hai usato in precedenza.

Ripetere questa fase di lavaggio alcune volte, utilizzando 15 mil di etere etilico e filtrandolo ogni volta. Dopo l'ultima fase di lavaggio, asciugare il prodotto salino lavato. Qui, lo abbiamo asciugato all'interno del tubo del filtro con il vuoto.

Raccogli il tuo prodotto per un'ulteriore purificazione attraverso la ricristallizzazione. Per la ricristallizzazione, aggiungi il sale e una miscela di etere etilico di alcol etilico da 12 mil a quattro mil in un tubo Schlenk pulito. Scaldare il composto con una pistola termica fino a quando il sale non si sarà completamente sciolto.

Successivamente, sigillare il tubo con un tappo unto e bloccarlo in posizione quasi orizzontale. Lascia che il sale si ricristallizzi a temperatura ambiente. Una volta che il sale si è ricristallizzato, rimuovere il grasso dalla bocca del tubo e quindi filtrare la miscela utilizzando un imbuto e carta da filtro per separare i cristalli di sale.

Lava i cristalli di sale mentre sono ancora sulla carta da filtro nell'imbuto con 15 mil di etere etilico. Ripetere questa fase di lavaggio alcune volte. Dopo l'ultima fase di lavaggio, lasciare asciugare i cristalli all'aria sulla carta da filtro.

Raccogli il tuo sale purificato per la caratterizzazione e la sintesi del tuo complesso di carbene n-eterociclico di palladio. I sali di benzimidazolio sintetizzati erano solidi di colore bianco o crema e avevano rese che andavano dal 62% al 97%Il metodo generalizzato per la sintesi e la purificazione di complessi di carbenio n-eterociclico di palladio sarà ora dimostrato. Fissa un tubo Schlenk da 75 mil in posizione verticale e aggiungi una barra di agitazione, un millimole del sale di benzimidazolo scelto, un millimole di cloruro di palladio, cinque millimoli di carbonato di potassio come base e tre mil di 3-cloropiridina.

Sigillare il tubo con un tappo unto e metterlo in un bagno d'olio. Agitare la miscela di reazione a 80 gradi Celsius per 16 ore per consentire il completamento della sintesi del complesso di carbeni n-eterociclici di palladio. Dopo 16 ore, lasciare raffreddare la miscela a temperatura ambiente e aprire il tubo.

È possibile aggiungere 10 mil di diclorometano alla miscela per migliorare l'efficienza delle fasi di filtraggio a venire, ma questo è facoltativo e può essere saltato se lo si desidera. Utilizzare un tubo filtrante di vetro senza coperchio per assemblare un tampone di celite e gel di silice, che verrà utilizzato per rimuovere il cloruro di palladio non reagito e il sale di benzimidazolo dalla miscela di reazione. Per prima cosa, aggiungi quattro spatole di celite nel tubo per creare uno strato di celite sopra il filtro che si trova al centro del tubo.

Quindi, aggiungi quattro spatole di gel di silice sopra lo strato di celite. Infine, spremere un piccolo batuffolo di cotone sopra lo strato di gel di silice, in modo che gli strati di celite e gel di silice siano fissati in posizione tra il filtro e il batuffolo di cotone. Per filtrare la miscela di reazione attraverso il tampone di celite e gel di silice, collegare prima il tubo Schlenk contenente la miscela di reazione al tubo filtrante in vetro in modo che il tubo Schlenk sia rivolto verso l'estremità del tubo filtrante con il batuffolo di cotone.

Quindi, collegare un tubo Schlenk vuoto all'altra estremità del tubo filtrante. Collegare il tubo di Schlenk vuoto al vuoto e capovolgere con attenzione e gradualmente l'apparecchio in modo che la miscela di reazione venga filtrata attraverso, nell'ordine, gli strati di cotone, silice, celite e filtro. Il cloruro di palladio non reagito e il sale di benzimidazolo verranno trattenuti negli strati, mentre il filtrato contenente il complesso di carbene n-eterociclico di palladio entrerà nella provetta di Schlenk vuota.

Se hai aggiunto diclorometano alla miscela di reazione, può contribuire a una certa pressione all'interno del tubo filtrante e ciò può causare la fuoriuscita di liquido dalla parte di collegamento tra il tubo Schlenk riempito e il tubo filtrante al momento dell'inversione. Per evitare il suo, è importante collegare il tubo di Schlenk vuoto al vuoto prima dell'inversione dell'apparato, come mostrato, in modo che al momento dell'inversione, la miscela di reazione non abbia abbastanza tempo per fuoriuscire dalla parte di collegamento. Staccare il tubo di Schlenk contenente il filtrato dall'apparato filtrante sovrastante e sigillarlo con un tappo ingrassato.

Rimuovere il solvente nel filtrato con il vuoto. Una volta rimosso tutto il solvente, aprire il tubo di Schlenk e aggiungere 5 mil di etere etilico per lavare il prodotto del complesso di palladio n-carbene eterociclico rimasto. Scuotere delicatamente il tubo per eseguire il lavaggio.

Al termine del lavaggio, rimuovere il grasso dalla bocca del tubo e travasare l'etere in un becher. Ripetere questa fase di lavaggio alcune volte, aggiungendo cinque mil di etere etilico e travasandolo ogni volta. Dopo l'ultima fase di lavaggio, sigillare il tubo di Schlenk con un tappo unto e asciugare il prodotto del complesso di palladio n-carbene eterociclico lavato con il vuoto.

Dopo l'asciugatura, rimuovere il grasso dalla bocca del tubo e quindi raccogliere il prodotto per un'ulteriore purificazione attraverso la ricristallizzazione. Per la ricristallizzazione, trova un solvente appropriato per il tuo specifico complesso di carbenio n-eterociclico di palladio e segui gli stessi passaggi mostrati in precedenza per i sali. Il solvente dovrebbe essere uno in cui il complesso non si dissolve facilmente a temperatura ambiente, ma lo fa dopo il riscaldamento.

Dopo la purificazione, raccogli il tuo complesso per la caratterizzazione. I complessi di carbenio n-eterociclico di palladio sintetizzati erano solidi di colore giallo o crema e avevano rese inferiori rispetto ai sali, che variavano dal 25% al 60%I quattro complessi di palladio sono stati testati per l'attività catalitica nell'arilazione e nelle reazioni di accoppiamento incrociato di Suzuki-Miyaura. Ora, verrà dimostrato il metodo generalizzato per testare l'attività catalitica dei complessi sintetizzati nelle reazioni di arilazione.

Eseguire tutte le reazioni catalitiche in aria in una cappa aspirante e utilizzare i reagenti acquistati senza ulteriore purificazione. Fissare un tubo Schlenk da 25 mil in posizione verticale e aggiungere una barra di agitazione, due millimoli di 2-n-butiltiofene o 2-n-butilfurano e un millimole di bromuro arilico scelto. Quindi aggiungere un millimole di acetato di potassio, 0,01 millimoli del complesso di carbene n-eterociclico di palladio scelto e due mil di n, n-dimetilacetammide nel tubo.

Sigillare il tubo con un tappo unto e metterlo in un bagno d'olio. Mescolare la miscela di reazione per varie volte e a varie temperature per trovare le condizioni di tempo e temperatura che portino alla massima resa del prodotto per la reazione data. Una volta che la reazione è completa o è stata eseguita per il tempo desiderato, rimuovere il solvente nella miscela di reazione con il vuoto, usando il calore per aiutare se necessario.

Aprire la provetta di Schlenk e aggiungere una miscela di esano-etere etilico da 10 mil a due mil. Questa miscela di solventi sarà la fase mobile per la cromatografia su colonna flash nelle fasi successive. Agitare energicamente la miscela per assicurarsi che il prodotto si dissolva nella fase mobile e non rimanga nel tubo.

Utilizzare un contagocce di vetro per assemblare una colonna per cromatografia flash per la purificazione del prodotto. Per prima cosa, inserisci un piccolo batuffolo di cotone nel contagocce e spingilo fino a quando non si appoggia saldamente proprio dove la camera di vetro inizia a diradarsi. Quindi, aggiungi del gel di silice sopra il batuffolo di cotone in modo che 2/3 della sezione spessa del contagocce sia riempita.

Fissa la colonna di gel di silice in posizione verticale e usa un contagocce di vetro per trasferire gradualmente la miscela di reazione al suo interno. Eluire la miscela attraverso la colonna e raccogliere l'eluente contenente il prodotto purificato in un becher pulito o in una provetta. Trasferisci il tuo eluente in un tubo pulito che può essere collegato per il vuoto e sigilla il tubo con un tappo ingrassato.

Rimuovi il solvente nel tuo eluente con l'aspirapolvere. Una volta rimosso tutto il solvente, apri il tubo e aggiungi 1,5 mil di diclorometano. Agitare delicatamente la provetta per sciogliere il prodotto e consentirne così l'analisi con la gascromatografia.

Sono mostrati risultati rappresentativi per l'effetto catalitico dei complessi di carbenio n-eterociclico di palladio sulle reazioni di arilazione studiate. La reazione tra 2-n-butiltiofene e 4-bromoacetofenone è stata data come esempio per evidenziare gli scarsi risultati ottenuti nelle reazioni di arilazione in assenza di un catalizzatore appropriato. Per la catalisi della reazione tra 2-n-butilfurano e 4-bromoacetofenone, il complesso sei era un buon candidato, mentre i complessi sette e otto si sono comportati particolarmente bene.

Il complesso sette è stato un eccellente catalizzatore per la reazione tra 2-n-butilfurano e bromobenzene. L'effetto positivo dell'aumento della temperatura sulla resa per questa reazione mostra che se la reazione è catalizzata da un complesso appropriato, la modifica di altre condizioni di reazione come la temperatura può aiutare a massimizzare la resa. Per la reazione del 2-n-butiltiofene con il bromobenzene, il complesso otto è stato un eccellente catalizzatore, mentre per la reazione tra 2-n-butiltiofene e 4-bromoanisolo, il complesso cinque si è comportato abbastanza bene come catalizzatore.

Nel complesso, ciascuna delle reazioni di arilazione studiate è stata catalizzata bene da almeno uno dei quattro complessi sintetizzati. È possibile fare ulteriore lavoro per aumentare potenzialmente i valori di resa per queste reazioni modificando le condizioni di reazione come il tempo e la temperatura. Ora, verrà dimostrato il metodo generalizzato per testare l'attività catalitica dei complessi sintetizzati nelle reazioni di accoppiamento incrociato di Suzuki-Miyaura.

Fissare una provetta Schlenk da 25 mil in posizione verticale e aggiungere una barra di agitazione, 1,5 millimoli di acido fenilboronico o un derivato dell'acido boronico a scelta, un millimole di cloruro arilico scelto e due millimoli di tert-butossido di sodio come base. Quindi aggiungere 0,01 millimoli del complesso di carbene n-eterociclico di palladio scelto e una miscela DMF-acqua da due mil a due mil nel tubo. Sigillare il tubo con un tappo di grasso e metterlo in un bagno d'olio.

Agitare la miscela di reazione per varie volte e a varie temperature per trovare le condizioni di tempo e temperatura che portano alla massima resa del prodotto per la reazione data. Una volta che la reazione è completa o è stata eseguita per il tempo desiderato, lasciare raffreddare la miscela a temperatura ambiente. Aprire la provetta di Schlenk e aggiungere una miscela da cinque mil a un mil di esano-acetato di etile alla miscela di reazione.

Richiudere la provetta e agitare energicamente la nuova miscela per alcuni minuti per consentire la migrazione del prodotto sintetizzato alla fase esano-acetato di etile. Bloccare il tubo di Schlenk in posizione verticale e lasciare che la miscela si stabilizzi in due fasi distinte nel corso di pochi minuti. Utilizzare un contagocce di vetro per estrarre con cura la fase organica superiore e trasferirla in un becher pulito contenente un grammo di solfato di magnesio anidro.

La polvere di solfato di magnesio aiuterà a rimuovere l'acqua residua dalla fase organica estratta. Ripeti l'intero processo di estrazione almeno una volta per massimizzare l'estrazione del tuo prodotto sintetizzato. Assemblare una colonna di gel di silice come prima per purificare il prodotto con la cromatografia su colonna flash.

Questa volta, la miscela di esano-acetato di etile presente nella fase organica estratta fungerà da fase mobile. Raccogli l'eluente contenente il prodotto purificato in un becher pulito o in una provetta e quindi analizza il prodotto utilizzando la gascromatografia. L'effetto catalitico dei complessi sulle reazioni di Suzuki-Miyaura studiate tra derivati dell'acido boronico e cloruri arilici era variabile.

In questo caso, l'obiettivo era quello di confrontare le prestazioni dei quattro complessi nella catalisi di queste reazioni. Quindi, per ciascuna delle reazioni studiate, le altre condizioni di reazione sono state mantenute costanti. Vale a dire, una miscela DMF-acqua da 2 mil a 2 mil è stata utilizzata come solvente, il terz-butossido di sodio è stato utilizzato come base, le reazioni sono state eseguite per due ore e la temperatura di reazione è stata mantenuta a 80 gradi Celsius.

In queste condizioni, i complessi da cinque a sette si sono dimostrati un buon candidato, mentre il complesso otto non ha ottenuto buoni risultati per la catalisi della reazione tra acido 2,5-dimetossifenilboronico e 4-metossi-1-clorobenzene. Per la reazione dell'acido 4-terz-butilfenilboronico e del 4-clorotoluene in queste condizioni, tutti e quattro i complessi si sono dimostrati ottimi catalizzatori. Infine, per la reazione dell'acido tianaftene-2-boronico con l'1-cloro-4-nitrobenzene in queste condizioni, i complessi cinque e sei non si sono comportati bene come catalizzatori, mentre i complessi sette e otto hanno mostrato qualche promessa.

Nel complesso, ciascuna delle reazioni di Suzuki-Miyaura studiate è stata catalizzata bene da almeno uno dei quattro complessi sintetizzati. Per quei casi in cui il complesso scelto si è comportato bene nel catalizzare la reazione data, è possibile fare ulteriore lavoro per aumentare potenzialmente i valori di conversione e resa variando le condizioni di reazione come tempo, temperatura, composizione del solvente e la base utilizzata. In sintesi, questo video ha mostrato i protocolli dettagliati e generalizzati per la sintesi e la purificazione dei sali di benzimidazolo e, successivamente, dei complessi di carbenio n-eterociclico di palladio.

Il video ha anche mostrato i protocolli dettagliati e generalizzati per testare l'attività catalitica dei complessi in varie reazioni di arilazione e di accoppiamento incrociato di Suzuki-Miyaura. Dopo aver padroneggiato questi protocolli, dovresti essere in grado di adattarli facilmente per la sintesi, la purificazione e il test dell'attività catalitica di molti altri complessi di carbenio n-eterociclico di palladio.