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方法論記事

白リンの活性化カルボニル装飾カルベンの調製および使用

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DOI:

10.3791/52149

⸱

2014年10月3日

 ,  , 
1Chemistry and Biochemistry, Texas State University

この記事について

サマリー

ここでは、2つのカルボニル装飾カルベンの合成のためのプロトコールを提示します。このプロトコルにより、これらの興味深い化合物は、あらゆるスキルレベルの化学者が容易に利用できるようになります。これら2つのカルベンの合成に加えて、白リンの活性化におけるそれらの使用についても説明されています。

要約

ここでは、二つの異なるカルボニル装飾カルベンの合成のためのプロトコルを提示する。両方のカルベンは、マルチグラム規模の量でほぼ同一の手順を用いて調製することができる。この原稿の目標は、あらゆるスキルレベルの合成化学者は彼らと働くことができるようにこれらのユニークなカルベンを処理し、準備する方法を明らかに細部にある。の二つのカルベンはdiamidocarbene（DAC、カルベン1）とmonoamidoaminocarbene（MAAC 2）である。これらのカルベンは、高度に電子不足や、より伝統的なN-複素環式カルベンの非定型である、このような表示の反応性プロファイルなどです。さらに、これら2カルベンはどのようにカルベンエレクトロニクス影響反応性を研究するために最適です、彼らの立体的なパラメータを自分の求電子文字が異なり、ではない。この現象を実証するために、私たちは、これらのカルベンを用いて、白リン（P 4）の活性化を記述している。 carbenに応じて、eが使用され、二つの非常に異なったリン含有化合物を単離することができる。 DAC 1が使用されるとき、トリス（phosphaalkenyl）ホスファンは、排他的生成物として単離することができる。 MAAC 2は 、同一の反応条件下でP 4に追加されたときに著しくしかし、リンの予想外のカルベン担持P 8同素体が排他的に単離される。機構研究は、2,3 -ジメチル-1,3 -ブタジエンで処理することによって捕捉された過渡diphospheneの[2 +2]環化二量化によってこのカルベン担持P 8同素体形いることを実証する。

概要

安定したカルベンは均一系触媒1に遍在試薬、有機触媒2、材料科学3,4として浮上し、さらに最近の主基化学5-9ている。後者の文脈において、安定なカルベンは、最近、白リン（P 4）5-9の活性化および官能化に使用されている。直接有機リン化合物にP 4を変換する能力は、塩素化またはオキシ塩素リン前駆体の使用を回避「グリーンな」方法を開発する努力において局所研究目的となっている。彼らの広範な使用にもかかわらず、カルベンなど、P 4などの反応性化合物の製造及び取り扱いが困難な作業となることができ。このような理由から、私たちは、すべてのスキルレベルの合成化学者は二つの非常にユニークな、安定したCを合成し、操作することができます明確で簡潔なプロトコルを提供するために、この原稿を書いたarbenes。また、記載されカルベンを用いて、P 4の活性化が詳述されている。

ここで2つの電子欠乏性カルボニル装飾されたカルベンの合成のためのプロトコルの詳細を私たち。彼らは反応性にカルベンエレクトロニクスの効果を研究するために最適です、彼らの立体的なパラメータを、その求電子的性質が異なるだけではなくので、私たちは、これらのカルベンを選択しました。について反応性を有するカルベンエレクトロニクスの重要性は、バートランドとロビンソン5,8によって報告されている一般式カルベン-P 2カルベン二つの類似の化合物が例示される。ベルトランのP 2誘導体は、2環状アルキルアミノカルベン（CAAC）のリガンドでサポートされている、とされている構造的に、photophysically、および2つのN-複素環カルベン（NHCは）5,8によってサポートされ、P 2断片であるロビンソンの化合物よりも電気化学的に異なる。確かに、ベルトランのP 2 複合体は、固体状態でカルベンツーリン二重結合を提供しています、その黄色の固体として特徴付けられる。この構造的差異はまた、ロビンソンの化合物は、単一の可逆的酸化10を受けることができるバートランドの化合物とは対照的に可逆的な1または2電子酸化を受けることができるより多くの電子が豊富なリン中心を含んでいることを電気化学的にそのような現れる。

上記の研究に基づいて、リンの新規カルベン-安定同素体を調製することができたかどうかを判断するために、高度に求電子diamido-とmonoamidoaminoカルベンを用いて、P 4の活性化を研究することに興味を持つようになった。私たちは、diamidocarbene（DAC）1に着目し、それぞれのelectrophilicitiesのみが異なるmonoamidoaminoカルベン（MAAC）2 interrogするカルベンエレクトロニクスは、P 4活性化にどのような役割を果たす食べた。興味深いことに以上の求電子DACを使用する場合に、トリス（phosphaalkenyl）MAACが使用される場合、カルベンで安定化されたP 8同素体（4）11を得ることができるのに対し、ホスファン（3）は 、排他的な生成物として単離することができた。また、形成（4）のためのメカニズムを尋問し、それは一過性diphospheneの[2 +2] cylcoaddition二量化反応を介して形成されることを見出した。このdiphospheneの存在は、[4 +2]環化付加物5を供給するために2,3 -ジメチル-1,3 -ブタジエンでそれを捕捉することにより確認した。これらカルボニル装飾カルベンおよびそれらの対応するP 4活性化化合物を合成するためのプロトコルは、本明細書に記載されている。

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プロトコル

Diamidocarbeneの合成（化合物1）

  1. オーブンで乾燥させた100ミリリットルのシュレンクフラスコは、高性能真空マニホールドに接続し、それを排気し、窒素でフラッシュ。ゴム隔膜を備えたフラスコおよびキャップに撹拌棒を追加します。 N、N'-dimesitylformamidine 12（1.5グラム、5.35ミリモル）を秤量し、窒素をフラッシュしながら、フラスコに追加します。
    1. （乾燥、脱酸素化シリンジを介して）ドライ30mlのを追加し、続いてトリエチルアミン、ジクロロメタン（DCM）を脱気（1.1ミリリットル、8.0ミリモル、1.5当量）。氷浴中で0℃に得られた溶液を冷却する。
    2. 冷却した溶液にdimethylmalonylジクロリド（乾燥、脱酸素化シリンジを介して）（0.75ミリリットル、5.60ミリモル、1.05当量）を滴下して追加します。添加時に、溶液は窒素雰囲気下で1時間、0℃で撹拌することを可能にする。溶液を1時間撹拌した後、真空下で全ての揮発性物質を除去。
    3. 乾燥、脱気したヘキサンの混合溶媒を追加します。DCM（2：1体積比、反応フラスコ中の残留物に24ミリリットルの合計容量）。 10分間の混合粉砕物をしましょう​​。
    4. 一方、オーブン乾燥した100ミリリットルのシュレンクフラスコの上部に培地多孔性ガラスフリットを備えたフィルターチューブを取り付け（ 図1参照）。フィルターチューブには、約2インチの高フィルタープラグを作成するために十分なオーブン乾燥し、セライトを追加します。ゴム隔膜で濾過管を密封し、真空マニホールドにシュレンクフラスコを取り付けることで、システム上、真空を引く。
      figure-protocol-1
      カルベン前駆1-HClおよび2 -塩酸から[hNETを3] [Clを〕を除去するための、図1の濾過装置アセンブリ。この装置はまた、カルベン1および2の合成の間に形成されたNaClを除去するために使用される。
    5. カルベン前駆体1-HClおよび2 -塩酸から[hNETを3] [Clを]を除去するための濾過装置アセンブリ。この装置はまた、私たちですNaClを除去するためのedはカルベン1および2の合成の間に形成された。
    6. 濾過装置を組み立て、そして真空下でされると、フィルタ管にカニューレを介して反応フラスコに、白色の懸濁液を移す。定期的にソリューションのすべてをセライトフィルタことを保証するために、収集したシュレンクフラスコを真空に引くようにしてください。
    7. 乾燥、脱気ヘキサンの混合溶媒を添加することによって、セライトを洗浄：DCM（2：1、体積18 mlの総容積）をゴム隔膜を通してシリンジを使用して。繰り返しますが、定期的にソリューションのすべてをセライトフィルタことを保証するために、収集したシュレンクフラスコを真空に引く。
    8. その後ガラス栓でコレクションシュレンクフラスコをシール、窒素フラッシュ下フィルターチューブからコレクションシュレンクフラスコを外します。約92の空気/湿気に敏感白色粉末としてdiamidocarbene 1（1-HCl）のための前駆体を真空下で収集したシュレンクフラスコからの溶媒の全てを削除％の収率（2.04g）を得た。生成物を1 Hおよび13 C NMRスペクトル（CDCl 3中）13,14によって確認することができる。次のステップの前にストレージ用のグローブボックス内に化合物1塩酸を転送します。
  2. diamidocarbene 1を調製するために、第一の攪拌棒及び窒素充填グローブボックス内にガラス栓を装備した、オーブン乾燥した100シュレンクフラスコに移す。
    1. カルベン前​​駆体1 - 塩酸（0.600グラム、1.45 mmol）およびナトリウムヘキサメチルジシラザン（NaHMDS、0.267グラム、1.46ミリモル）を計量し、シュレンクフラスコ中に、両方の固体を配置します。
  3. シュレンクフラスコ内の2つの固体に乾燥、脱気ベンゼン（25ml）に追加し、フラスコ栓。この時点で、シュレンクフラスコをグローブボックスから除去することができる。
  4. 室温で30分間カルベンの溶液を撹拌した。反応を通して、溶液は濁った黄オレンジ色になります。この間、1からiを用いて上記1（に類似ろ過装置を設置1塩酸の合成のためのセライトのNCHプラグ）。
  5. 前駆体1 - 塩酸について記載したように（沈殿したNaClを除去するために）カルベンソリューションをフィルタリングします。溶液を濾過された後、黄橙色粉末として粗カルベン1を得た真空を用いて揮発性物質をすべて削除。さらに約85％の収率（0.462グラム）の空気/水分に敏感な白色粉末として、分析的に純粋な化合物を得、冷ヘキサン（〜10ml）で固体を洗浄することによりカルベン1を精製する。 1 Hおよび13 C NMR分光法（C 6 D 6）13により生成物を確認してください。

Monoamidocarbene 2。合成（化合物2）

  1. オーブンで乾燥させた250ミリリットルのシュレンクフラスコは、高性能真空マニホールドに接続し、それを排気し、窒素でフラッシュ。ゴム隔膜を備えたフラスコおよびキャップに撹拌棒を追加します。 N、N'-dimesitylformamidine（3.00グラム、10.70ミリモル）を秤量し、窒素をフラッシュしながら、フラスコに追加します。
    1. viの（追加乾燥、脱酸素注射器）の乾燥の125ミリリットル、DCMはトリエチルアミン（2.25ミリリットル、16.05ミリモル、1.5当量に続いて脱気した。）。氷浴中で0℃に得られた溶液を冷却する。
    2. 冷却した溶液に3 - クロロピクロリド（乾燥、脱酸素化シリンジを介して）（1.54ミリリットル、11.77ミリモル、1.1当量）を滴下して追加します。添加時に、溶液は窒素雰囲気下で30分間0℃で攪拌することを可能にする。その後、徐々RTに対する解決策を暖め、その後、真空下で全ての揮発性物質を除去。溶媒を除去した後、白色の固体残渣が残る。
    3. 白色の固体にトルエン（200ml）に加え、この懸濁液を1時間粉砕することができます。その後、ブフナー漏斗をフリットメディア多孔性ガラスを用いてセライトの1インチのプラグを介して混合物をろ過する。
    4. 攪拌棒を備えた500ml丸底フラスコにトルエン溶液を移す。フラスコに還流冷却器を接続し、16時間還流（110℃）に解決策を加熱する。 C以上で反応のラースを、白色の沈殿物を形成することになる。
    5. 16時間後、懸濁液を室温に冷却する。この間、より多くの固体が溶液から沈殿する。真空濾過によって固体を回収し、冷トルエン（3×20ml）で固体を洗浄。
    6. 約91％の収率（3.32g g）に空気安定白色粉末としてmonoamidocarbene 2（2-HCl）のための前駆体を得、真空を使用して得られた白色固体を乾燥させる。生成物を1 Hおよび13 C NMRスペクトル（CDCl 3中）15によって確認することができる。次のステップの前にストレージ用のグローブボックス内に化合物2塩酸を転送します。
  2. monoamidocarbene 2を準備するには、最初に窒素を充填したグローブボックス内に攪拌棒及びガラス栓を備えたオーブン乾燥した100ミリリットルのシュレンクフラスコを転送します。
    1. カルベン前​​駆体2 - 塩酸（0.500グラム、1.25ミリモル）とのNaHMDS（0.241グラム、1.32ミリモル）を秤量し、シュレンクフラスコ中に、両方の固体を配置します。
    2. 脱気し、乾燥した追加シュレンクフラスコ中に2つの固体をベンゼン（45ml）に溶解し、次いでフラスコ栓。この時点で、シュレンクフラスコをグローブボックスから除去することができる。
    3. 室温で30分間カルベンの溶液を撹拌した。反応中、溶液は濁った黄色になります。一方、セライトの1インチのプラグを使用して、1 - 塩酸の合成について上記と同様のろ過装置を設置した。
    4. 溶液を濾過された後、カルベン1について記載したように（沈殿したNaClを除去するために）カルベン溶液を濾過、黄褐色の粉末として粗カルベン2を得、真空を使用して揮発性物質をすべて削除。さらに約62％の収率（0.309グラム）の空気/水分に敏感な白色粉末として、分析的に純粋な化合物を得、ペンタンで繰り返し、固体を洗浄することによってカルベン2を精製する。 1 Hおよび13 C NMR分光法（C 6 D 6）15により生成物を確認してください。

3の合成トリス（phosphaalkenyl）ホスファン（化合物3）の

注意書：白リンが非常に自然発火性だけでなく、毒性があり、可能な限り、グローブボックス内で慎重に処理する必要があります。

  1. トリス（phosphaalkenyl）ホスファン（化合物3）を作成するには、窒素の内側diamidocarbene 1（0.100グラム、0.266ミリモル、3当量）および白リン（P 4、0.011グラム、0.089ミリモル、1当量）を秤量ライトで満たされたグローブボックスがオフになっています。 P 4は、光に敏感であるように、これらの最初の数ステップの間に、実験室のように多くのライトをオフにします。
  2. アルミホイルに包まれている20mlのガラスバイアルに2つの固体を追加する。固体に乾燥、脱気したジエチルエーテル（Et 2 O中、10ミリリットル）を追加し、バイアルにキャップを。 2時間、暗所でのスラリーを撹拌した。反応の過程で、鮮やかな赤橙色の沈殿物を形成することになる。
  3. 10ミリリットル培地多孔性ガラスを用いて濾過して赤色固体を分離ブフナー漏斗をフリット。ウォッシュ番目電子次いでEt 2 O（4×5ml）とを有する赤色固体が、約82％の収率で、分析的に純粋な空気に安定な化合物として0.092グラムの化合物3を真空下に乾燥（P 4に基づいて）。 1 Hおよび31 P NMR分光法（C 6 D 6）11により生成物を確認してください。

カルベンで安定化されたP 8同素体の4。合成（化合物4）

  1. 方法A
    1. カルベンで安定化されたP 8同素体（化合物4）を作成するには、（0.100グラム、0.276ミリモル、3当量）monoamidocarbene 2を量るとP 4（11.4ミリグラム、0.092ミリモル、1当量）を窒素充填グローブの内側ライトが付いているボックスはオフになっています。 P 4は、光に敏感であるように、これらの最初の数ステップの間に、実験室のように多くのライトをオフにします。
    2. アルミホイルに包まれている20mlのガラスバイアルに2つの固体を追加する。固体に乾燥、脱気したジエチルエーテル（Et 2 O中、10ミリリットル）を追加し、バイアルにキャップを。上にエーテルの添加は、つかの間の濃い緑色が急速に明るいオレンジ色に変わります。 2時間、暗所でのスラリーを撹拌した。反応の過程で、明るいオレンジ色の沈殿物が形成される。
    3. 10ミリリットル培地多孔性ガラスを用いて濾過して、オレンジ色の固体を分離ブフナー漏斗をフリット。をEt 2 O（4×2ml）でオレンジ色の固体を洗浄した後、約51％の収率で39.5 mgのような化合物4と分析的に純粋な空気に安定な化合物を真空下に乾燥（P 4に基づいて）。 1 Hおよび31 P NMR分光法（THF-D8）11により生成物を確認してください。
  2. 方法B
    1. ライトがオフになって窒素を充填したグローブボックス内monoamidocarbene 2（0.100グラム、0.276ミリモル、2当量）を秤量し、P 4（17.1ミリグラム、0.138ミリモル、1当量）を加えた。 P 4は、光に敏感であるように、これらの最初の数ステップの間に、実験室のように多くのライトをオフにします。
    2. を介して20mlのガラスに2つの固体を追加アルミホイルに包まれているlである。固体に乾燥、脱気したヘキサン（10ml）に追加し、バイアルにキャップを。エーテルを添加すると、つかの間の濃い緑色が急速に明るいオレンジ色に変わります。 2時間、暗所でのスラリーを撹拌した。反応の過程で、明るいオレンジ色の沈殿物が形成される。
    3. メディア多孔性ガラスはブフナー漏斗のフリット10ミリリットルを使用して濾過して、オレンジ色の固体を分離し、その後、約75％の収率で87.7 mgのような化合物4と、分析的に純粋な空気安定な化合物を真空下で乾かした（P 4に基づく）。 1 Hおよび31 P NMR分光法（THF-D8）により生成物を確認してください。11

化合物5の合成：5 [4 + 2]付加環経由過渡E -1,2 -ビス（phosphaalkenyl）diphospheneをトラップ

  1. 化合物5を製造するために、monoamidocarbene 2（0.300グラム、0.828ミリモル、2当量）およびP 4（51.3ミリグラム、0.414ミリモル、1当量）を9月を量るaratelyライトが付いている窒素充填グローブボックスの内側はオフになっています。 P 4は、光に敏感であるように、これらの最初の数ステップの間に、実験室のように多くのライトをオフにします。
  2. 20mlのガラスバイアルに、P 4を追加し、バイアルに乾燥、脱気したヘキサン（18ml）に加える。次に、ヘキサン中、P 4懸濁液に2,3 -ジメチル-1,3 -ブタジエン（2 ml）を加える。
  3. ヘキサン/ P 4懸濁液が急速に撹拌している間、一度に固体としてカルベン2を追加します。懸濁液を瞬時に鮮やかな黄色になります。約10分間にわたって、固形物の全ては、鮮やかな黄色の固体の沈殿に続いて溶解する。この時点で、4時間のサスペンション騒ぎをしましょう​​。
  4. 4時間後、10ミリリットル培地多孔性ガラスを用いて濾過して、黄色の固体を分離するブフナー漏斗をフリット。この黄色固体を、化合物5（1 Hおよび31 P NMRの両方による純度> 90％）である。乾燥するまで黄色の上澄み液を濃縮そして濾過し、黄色の固体と黄色残渣を兼ね備えています。
  5. グローブボックスのO / Nで℃の冷凍庫-30℃でヘキサン溶液（合計容積12ml）：3（体積比）のDCM：化合物5を精製するために、1から結合黄色固体を再結晶化。この手順は、（P 4に基づいて）約71％の収率で、0.301グラムで5として分析的に純粋な空気安定した黄色の結晶を与えるであろう。 1 Hおよび31 P NMR分光法（C 6 D 6）11により生成物を確認してください。

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結果

白リンからこのような3などのトリス（phosphaalkenyl）ホスファンまたはP 8 -allotrope（4）を単離する能力は、P 4四面体11,16を活性化するための求電子性カルベンの使用に依存している。そのため、強化されたπ-酸性度カルベンを調製することが重要であり、延長求電子性による。 図2をカルベン前駆体1〜HClおよびdiamidocarbene 1〜13を得たその後の脱プロトンの合成を示す。 diamidocarbene 1の合成は、1日（開始から終了まで約6時間）で達成することができ、カルベンを72％の全収率で白色粉末として単離することができる。

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ディスカッション

白リンの活性化カルボニル装飾カルベンとそのアプリケーションを生成するための簡単​​な手順は、ここに提示されている。カルベンを合成するためのプロトコルでの重要なステップは、（a）（b）のホルムアミジンの酸塩化物の添加は、（c）は、非常にゆっくりと行われていることを確認し、すべての溶媒が適切に使用前に乾燥していることを確認し、セライトであれば180℃での12時間の最小オーブン乾燥しない、1 -HClの加水分解ならびにカルベン1及び2が発生する。いくつかのケースでは、白リンが赤リンに変換されます。 P 4活性化反応のためには、白リン、赤リンに変換しないことを確実にするために反応は暗所で又は箔でラップされた反応容器中で実施されることが必須である。

そこに本明細書に記載の技術の重大な制限はなく、実際、これらの方法であってもよい他のカルベンの将来の合成にpplied。記載されカルベンを製造する本手法の1つの重要な利点は、化合物1 -HCl...

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開示事項

著者らは開示するものは何もない。

謝辞

寛大な支援に対して、Research Corporation for Science Advancement（20092)、National Science Foundation（CHE-1362140）、およびTexas State University

に感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
2,4,6-トリメチルアニリンアルファ エーザーAAA13049-0E98%
トリエチルオルトギ酸アルファ エーザーAAA1358798%
ジメチルマロニル二塩化TCID2723>98%
3-クロロ - ピバロイル塩化アルドリッチ225703-25G98%
トリエチルアミンアルファ エーザーAAA12646乾燥させて保存、3 & Aringを活性化しました。モレキュラーシーブCelite
™ 545EMDCX0574-3Dオーブン乾燥180>で乾燥;
200014-46295+%キサメチルジシラジドナトリウム
システム、または標準的な方法
HexanesEMDHX0299-3溶媒精製システム、または標準的な方法
ベンゼンEMDBX0220-5溶媒精製システム、または標準的な方法
トルエンBDH1151-19L溶媒精製システム、または標準的な方法
白リンテキサスA&から寛大に寄付されました。M化学保管室。昇華によって精製され、昇華器で真空下で直接グローブボックスに移されます
物 物 2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン アルファ エーザー AAAL04207-09 98%ジクロロメタン EMD DX0835-5 溶剤精製システム、または標準的な方法で精製されたヘナトリウム

参考文献

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