Bereiding en het gebruik van Carbonyl ingerichte carbenen in de activering van witte fosfor

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol voor de synthese van twee carbonyl-gedecoreerde carbenen. Het protocol maakt deze interessante verbindingen gemakkelijk beschikbaar voor chemici van alle vaardigheidsniveaus. Naast de synthese van deze twee carbenen, wordt ook hun gebruik bij de activering van witte fosfor beschreven.

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol voor de synthese van twee verschillende carbonyl ingericht carbenen. Beide carbenen kunnen worden bereid onder vrijwel identieke procedures multi-gram schaal hoeveelheden. Het doel van dit manuscript is duidelijk detail hoe om te gaan en voor te bereiden deze unieke carbenen zodanig dat een synthetisch chemicus van elk niveau kunnen werken met hen. De twee carbenen beschreven een diamidocarbene (DAC, carbeen 1) en een monoamidoaminocarbene (MAAC 2). Deze carbenen zijn zeer elektron-deficiënte en als zodanig weergave reactiviteitsprofielen dat atypische meer traditionele N-heterocyclische carbenen zijn. Bovendien zijn deze twee carbenen alleen verschillen in hun elektrofiele karakter en niet hun sterische parameters, waardoor ze ideaal zijn voor het bestuderen hoe carbene elektronica invloed reactiviteit. Om dit fenomeen te tonen, zijn we ook beschrijven de activatie van witte fosfor _(P4) met deze carbenen. Afhankelijk van de Carbene gebruikt, kunnen twee heel verschillende fosforhoudende verbindingen worden geïsoleerd. Wanneer de DAC 1 wordt gebruikt, kan een tris (phosphaalkenyl) fosfaan worden geïsoleerd als het exclusief product. Opmerkelijk is echter, wanneer MAAC 2 tot ₄ P wordt toegevoegd onder identieke reactie-omstandigheden, een onverwacht-carbene ondersteund P ₈ allotroop van fosfor is uitsluitend geïsoleerd. Mechanistische studies tonen aan dat-carbeen ondersteund P ₈ allotrope vormen via een [2 +2] cycloadditie dimerisatie van voorbijgaande diphosphene die is gevangen door behandeling met 2,3-dimethyl-1,3-butadieen.

Inleiding

Stabiele carbenen voren zijn gekomen als alomtegenwoordige reagentia in homogene katalyse ^1, organokatalyse ^2, materiaalkunde ^3,4, en meer recentelijk hoofdgroep chemie ^5-9. In de context van deze laatste, stabiel carbenen onlangs gebruikt bij de activatie en functionalisering van witte fosfor _(P4) ^5-9. Het vermogen om direct omzetten P ₄ in organische fosforverbindingen is een actueel objectief onderzoek worden in een poging om "groener 'die het gebruik van gechloreerde of oxychlorinated fosfor voorlopers omzeilen ontwikkelen. Ondanks de grootschalige toepassing ervan, kan de voorbereiding en afhandeling van carbenen en reactieve verbindingen, zoals P ₄ een ontmoedigende taak zijn. Om deze reden hebben we dit manuscript aan een duidelijke en beknopte protocol waarmee synthetische chemici van alle niveaus om te synthetiseren en te manipuleren twee zeer unieke stabiele c bieden geschrevenarbenes. Bovendien, de activering van _P4 gebruik beschreven carbenen is gedetailleerd.

Hierin een beeld van het protocol voor de synthese van twee elektronen-deficiënte carbonyl ingericht carbenen. We hebben gekozen voor deze carbenen omdat ze verschillen alleen in hun elektrofiele eigenschappen, en niet hun sterische parameters, waardoor ze ideaal zijn voor het bestuderen van de effecten van carbene elektronica op reactiviteit. Het belang van carbeen elektronica betreffende reactiviteit wordt toegelicht door twee soortgelijke verbindingen met de algemene formule carbeen-P ₂ -carbene die zijn gemeld door Bertrand en Robinson ^5,8. Bertrand P ₂ derivaat wordt ondersteund door twee cyclische alkyl amino carbeen (CAAC) liganden en structureel, photophysically en elektrochemisch anders dan Robinson verbinding die een P ₂ fragment door twee N-heterocyclische carbenen (NHCs) ^5,8. Inderdaad, Bertrand _P2 complex wordt gekenmerkt als een gele vaste stof die carbeen naar fosfor dubbele bindingen heeft in de vaste toestand, terwijl het derivaat beschreven door Robinson is een donkerrode vaste stof NHC → P bevat datieve bindingen. Dit structurele verschil uit zich ook elektrochemisch zodat verbinding Robinson bevat meer elektronenrijke fosforcentra die reversibel 1 of 2 elektronen oxidaties in tegenstelling tot samengestelde Bertrand die alleen kan ondergaan een reversibele oxidatie ¹⁰ kan ondergaan.

Op basis van de hierboven beschreven studies, werden we geïnteresseerd om de activering van _P4 met de sterk elektrofiele diamido- en monoamidoamino carbenen te bepalen of nieuwe carbeen-gestabiliseerde allotropen fosfor konden worden bereid. We concentreerden ons op diamidocarbene (DAC) 1, en ​​monoamidoamino carbeen (MAAC) 2, die alleen verschillen in hun respectieve electrophilicities om interrogaten welke rol carbene elektronica spelen in P ₄ activering. Interessant wanneer meer elektrofiele DAC wordt gebruikt, kan een tris (phosphaalkenyl) fosfaan (3) wordt geïsoleerd als het exclusief product, dat wanneer een MAAC wordt gebruikt, een gestabiliseerde P-carbeen ₈ allotrope (4) kan worden verkregen ^11. We ondervraagd ook het mechanisme voor de vorming (4), en vond dat het ontstaat door een [2 +2] cylcoaddition dimerisatiereactie van voorbijgaande diphosphene. Het bestaan ​​van deze diphosphene werd bevestigd vangen met 2,3-dimethyl-1,3-butadieen de [4 + 2] cycloadditie adduct 5 leveren. Het protocol voor het synthetiseren van deze carbonyl-carbenen ingericht en bijbehorende _P4 geactiveerde verbindingen wordt hierin beschreven.

Protocol

1 Synthese van Diamidocarbene (Verbinding 1)

1. Sluit een oven gedroogde 100 ml Schlenkkolf naar een high performance vacuümspruitstuk, evacueren en het spoelen met stikstof. Voeg een roerstaafje aan de kolf en dop met een rubberen septum. Weeg N, N'-dimesitylformamidine ¹² (1,5 g, 5,35 mmol) en voeg deze toe aan de kolf tijdens het spoelen met stikstof.
   1. Add (via droog, zuurstofvrij spuiten) 30 ml droog, ontgast dichloormethaan (DCM) gevolgd door triethylamine (1,1 ml, 8,0 mmol, 1,5 equiv.). Koel de verkregen oplossing tot 0 ° C in een ijsbad.
   2. Voeg druppelsgewijs (via een droog, zuurstofvrij spuit) dimethylmalonyl dichloride (0.75 ml, 5.60 mmol, 1.05 equiv.) Aan de gekoelde oplossing. Na Bovendien laat de oplossing roeren bij 0 ° C gedurende 1 uur onder een atmosfeer van stikstof. Zodra de oplossing gedurende 1 uur geroerd, verwijder alle vluchtige stoffen onder vacuüm.
   3. Voeg een oplosmiddelmengsel droog, ontgast hexaan: DCM (2: 1 volumedelen,24 ml totaal volume) aan het residu in de reactiekolf. Laat het mengsel vermaal gedurende 10 minuten.
   4. Ondertussen, voeg een filterbuis met een gemiddeld poreus glasfrit boven een oven gedroogde 100 ml Schlenk kolf (zie figuur 1). Om de filter buis, voeg genoeg-oven gedroogd Celite een filter plug ongeveer 2 centimeter hoog te maken. Dicht de filter buis met een rubberen septum, en trek vacuüm, op het systeem door het aanbrengen van de Schlenkkolf om het vacuüm spruitstuk.
      
      Figuur 1 Filtration inrichting samenstel voor het verwijderen van [hNET _3] [Cl] van carbeen precursors 1-HCl en 2-HCl. Deze inrichting wordt ook gebruikt om NaCl gevormd tijdens de synthese van carbenen 1 en 2.
   5. Filtratie inrichting samenstel voor het verwijderen van [hNET _3] [Cl] van carbeen precursors 1-HCl en 2-HCl. Deze inrichting is ook onsed verwijderen NaCl gevormd tijdens de synthese van carbenen 1 en 2.
   6. Wanneer de filterinrichting is gemonteerd en onder vacuüm, breng de witte suspensie in de reactiekolf via een canule in de filterbuis. Zorg ervoor dat u periodiek trekken vacuüm op de collectie Schlenkkolf om ervoor te zorgen dat alle van de oplossing filtert door de Celite.
   7. Was de Celite door toevoeging van een oplosmiddel mengsel van droog, ontgast hexaan: DCM (2: 1, volume 18 ml totaal volume) met een injectiespuit door het rubberen septum. Nogmaals, periodiek trekt vacuüm op de collectie Schlenkkolf om ervoor te zorgen dat alle van de oplossing filtert door de Celite.
   8. Koppel de collectie Schlenkkolf uit het filter buis onder een flush van stikstof, dan sluit de collectie Schlenkkolf met een glazen stop. Verwijderen van het oplosmiddel uit de collectie Schlenk kolf onder vacuum om het precursor bieden voor diamidocarbene 1 (1-HCl) als een lucht / vocht gevoelig wit poeder in ongeveer 92% Opbrengst (2,04 g). Het product kan worden geverifieerd door middel van ^1H en ^13C NMR spectroscopie _(CDCI3) ^13,14. Transfer Verbinding 1-HCl in een handschoenenkast voor opslag voorafgaand aan de volgende stap.
2. De diamidocarbene 1 bereidt eerst een oven gedroogde 100 ml Schlenk kolf uitgerust met een roerstaaf en een glazen stop in een met stikstof gevulde handschoenkast overdragen.
   1. Weeg carbene voorloper 1-HCl (0,600 g, 1,45 mmol) en natriumhexamethyldisilazide (NaHMDS, 0,267 g, 1,46 mmol) en plaats zowel vaste stoffen in de Schlenkkolf.
3. Voeg droog, ontgast benzeen (25 ml) om de twee vaste stoffen in de Schlenk kolf en sluit de kolf. Op dit punt kan de Schlenkkolf worden verwijderd uit het handschoenenkastje.
4. Roer de oplossing van het carbeen bij KT 30 minuten. Gedurende de reactie wordt de oplossing een troebel geeloranje kleur worden. Gedurende deze tijd, het opzetten van een filterinrichting vergelijkbaar met de hierboven beschreven (met een 1 inch Celite) voor de synthese van 1-HCl.
5. Filter de carbeen oplossing (voor het verwijderen neergeslagen NaCl) zoals beschreven voor de voorloper 1-HCl. Nadat de oplossing werd gefiltreerd, verwijder alle vluchtige stoffen met vacuüm om het ruwe carbeen 1 verkregen als een geel-oranje poeder. Verder zuiveren carbeen 1 door wassen van de vaste stof met koude hexanen (~ 10 ml) om analytisch zuivere verbinding als een lucht / vocht gevoelig wit poeder in ongeveer 85% opbrengst (0,462 g). Controleer het product door ^1H en ^13C NMR spectroscopie (C ₆ D ₆₎ ^13.

2 Synthese van Monoamidocarbene (Verbinding 2)

1. Sluit een oven gedroogde 250 ml Schlenkkolf naar een high performance vacuümspruitstuk, evacueren en het spoelen met stikstof. Voeg een roerstaafje aan de kolf en dop met een rubberen septum. Weeg N, N'-dimesitylformamidine (3,00 g, 10,70 mmol) en voeg deze toe aan de kolf tijdens het spoelen met stikstof.
   1. Toevoegen (vidroog, zuurstofvrij spuiten) 125 ml droge, ontgaste DCM gevolgd door triethylamine (2,25 ml, 16,05 mmol, 1,5 equiv.). Koel de verkregen oplossing tot 0 ° C in een ijsbad.
   2. Voeg druppelsgewijs (via een droog, zuurstofvrij spuit) 3-chloropivaloyl chloride (1,54 ml, 11,77 mmol, 1,1 equiv.) Aan de gekoelde oplossing. Na Bovendien laat de oplossing roeren bij 0 ° C gedurende 30 min onder een stikstofatmosfeer. Dan geleidelijk warm de oplossing voor RT en verwijder alle vluchtige materialen onder vacuüm. Nadat het oplosmiddel is verwijderd, wordt een witte vaste residu blijven.
   3. Tolueen (200 ml) om het witte vaste plaatsen en laat de suspensie vermaal 1 uur. Filteren vervolgens het mengsel over een 1 inch plug van Celite met een gemiddeld poreus glas gefrit Büchner trechter.
   4. Breng de tolueenoplossing in een 500 ml rondbodemkolf voorzien van een roerder. Sluit een terugvloeikoeler de kolf en verhit de oplossing tot reflux (110 ° C) gedurende 16 uur. Over de course van de reactie, wordt een wit neerslag gevormd.
   5. Na 16 uur kan de suspensie afkoelen tot kamertemperatuur. Gedurende deze tijd, meer solide neerslaan uit de oplossing. Verzamel de vaste stof door vacuümfiltratie en was de vaste stof met koud tolueen (3 x 20 ml).
   6. Droog de verkregen witte vaste stof middels vacuüm om de precursor voor monoamidocarbene 2 (2-HCl) als een lucht stabiel wit poeder veroorloven in ongeveer 91% opbrengst (3,32 g). Het product kan worden geverifieerd door middel van ^1H en ^13C NMR spectroscopie _(CDCI3) ^15. Transfer verbinding 2-HCl in een handschoen doos voor opslag voorafgaand aan de volgende stap.
2. De monoamidocarbene 2 bereiden eerst een oven gedroogde 100 ml Schlenk kolf uitgerust met een roerstaaf en een glazen stop in een met stikstof gevulde handschoenkast overdragen.
   1. Weeg carbene voorloper 2-HCl (0,500 g, 1,25 mmol) en NaHMDS (0,241 g, 1,32 mmol) en plaats zowel vaste stoffen in de Schlenkkolf.
   2. Voeg droog, ontgastbenzeen (45 ml) om de twee vaste stoffen in de Schlenk kolf en sluit de kolf. Op dit punt kan de Schlenkkolf worden verwijderd uit het handschoenenkastje.
   3. Roer de oplossing van het carbeen bij KT 30 minuten. Tijdens de reactie wordt de oplossing een gele kleur troebel wordt. Ondertussen opzetten van een filterinrichting vergelijkbaar met de hierboven beschreven voor de synthese van 1-HCl met een 1 inch prop Celite.
   4. Filter de carbeen oplossing (voor het verwijderen neergeslagen NaCl) zoals beschreven voor carbene 1 Zodra de oplossing is gefilterd, verwijder alle van de vluchtige stoffen met behulp van vacuüm om de ruwe carbene 2 als een beige poeder. Verder zuiveren carbeen 2 door wassen van de vaste herhaaldelijk met pentaan leverde analytisch zuivere verbinding als een lucht / vocht gevoelig wit poeder in ongeveer 62% opbrengst (0,309 g). Controleer het product door ^1H en ^13C NMR spectroscopie (C ₆ D ₆₎ ^15.

3 Syntheseeen Tris (phosphaalkenyl) fosfaan (Verbinding 3)

Voorzichtig Verklaring: Witte fosfor is zeer pyrofore evenals giftig en moet met voorzichtigheid worden behandeld in een dashboardkastje waar mogelijk.

1. Om een tris (phosphaalkenyl) fosfaan (verbinding 3) maken afgewogen diamidocarbene 1 (0,100 g, 0,266 mmol, 3 equiv.) En witte fosfor (P _4, 0,011 g, 0,089 mmol, 1 equiv.) Binnenkant van een stikstof- gevuld handschoenenkastje met de lichten uitgeschakeld. Schakel zoveel mogelijk lichten in het lab tijdens deze eerste stappen als P ₄ is lichtgevoelig.
2. Voeg de twee vaste stoffen een 20 ml glazen flesje dat is verpakt in aluminiumfolie. Voeg droog, ontgast diethylether (Et ₂ O, 10 ml) om de vaste stoffen en de dop op de flacon. Roer de suspensie in het donker gedurende 2 uur. Gedurende het verloop van de reactie wordt een helder rood-oranje neerslag te vormen.
3. Isoleer de rode vaste stof door filtratie met behulp van een 10 ml medium porositeit glas gefrit Büchner trechter. Wassen the rode vaste stof met _Et2O (4 x 5 ml) en daarna drogen onder vacuüm, waarbij verbinding 3 werd verkregen als een analytisch zuivere lucht stabiele verbinding in ongeveer 82% opbrengst, 0,092 gram (gebaseerd op _P4). Controleer het product met ^1H en ^31P NMR spectroscopie (C ₆ D ₆₎ ^11.

4 Synthese van een Carbene-gestabiliseerde P ₈ Allotrope (Verbinding 4)

1. Methode A
   1. Een-carbene gestabiliseerd P ₈ allotroop (verbinding 4) maken afgewogen monoamidocarbene 2 (0,100 g, 0,276 mmol, 3 equiv.) En P ₄ (11,4 mg, 0,092 mmol, 1 equiv.) Binnenkant van een met stikstof gevulde handschoen doos met de lichten uitgeschakeld. Schakel zoveel mogelijk lichten in het lab tijdens deze eerste stappen als P ₄ is lichtgevoelig.
   2. Voeg de twee vaste stoffen een 20 ml glazen flesje dat is verpakt in aluminiumfolie. Voeg droog, ontgast diethylether (Et ₂ O, 10 ml) om de vaste stoffen en de dop op de flacon. Bij hettoevoeging van de ether, de vluchtige donkergroene kleur verandert snel tot helder oranje. Roer de suspensie in het donker gedurende 2 uur. Gedurende het verloop van de reactie zal een helder oranje precipitaat te vormen.
   3. Isoleer de oranje vaste stof via filtratie met behulp van een 10 ml medium porositeit gesinterde glazen Büchner trechter. Was de oranje vaste stof met _Et2O (4 x 2 ml) en vervolgens te drogen onder vacuüm, waarbij verbinding 4 als en analytisch zuivere lucht stabiele verbinding veroorloven in ongeveer 51% opbrengst, 39,5 mg (gebaseerd op _P4). Controleer het product door ^1H en ^31P NMR spectroscopie (THF-D8) ^11.
2. Methode B
   1. Weeg monoamidocarbene 2 (0,100 g, 0,276 mmol, 2 equiv.) En P ₄ (17,1 mg, 0,138 mmol, 1 equiv.) Binnenkant van een met stikstof gevulde handschoenenkastje met de lichten uitgeschakeld. Schakel zoveel mogelijk lichten in het lab tijdens deze eerste stappen als P ₄ is lichtgevoelig.
   2. Voeg de twee vaste stoffen met een glazen 20 ml vial die is verpakt in aluminiumfolie. Voeg droog, ontgast hexaan (10 ml) om de vaste stoffen en de dop op de flacon. Na toevoeging van de ether, de vluchtige donkergroene kleur verandert snel tot helder oranje. Roer de suspensie in het donker gedurende 2 uur. Gedurende het verloop van de reactie zal een helder oranje precipitaat te vormen.
   3. Isoleer de oranje vaste stof via filtratie met behulp van een 10 ml medium porositeit gefritte glazen Büchner trechter en vervolgens te drogen onder vacuüm, waarbij verbinding 4 als en analytisch zuivere lucht stabiele verbinding veroorloven in ongeveer 75% opbrengst, 87,7 mg (gebaseerd op _P4). Controleer het product door ^1H en ^31P NMR spectroscopie (THF-D8). ¹¹

5 Het opsluiten van een Transient E 1,2-bis (phosphaalkenyl) diphosphene via [4 +2] Cycloadditiereacties: Synthese van verbinding 5

1. Om verbinding 5 te bereiden, wegen uit monoamidocarbene 2 (0,300 g, 0,828 mmol, 2 equiv.) En P ₄ (51,3 mg, 0,414 mmol, 1 equiv.) Septemberderlijke binnenkant van een met stikstof gevulde handschoenenkastje met de lichten uitgeschakeld. Schakel zoveel mogelijk lichten in het lab tijdens deze eerste stappen als P ₄ is lichtgevoelig.
2. Voeg de _P4 een 20 ml glazen flesje, en voeg vervolgens droog, ontgast hexaan (18 ml) aan het flesje. Voeg vervolgens 2,3-dimethyl-1,3-butadieen (2 ml) aan de _P4 suspensie in hexaan.
3. Terwijl de hexaan / P ₄ suspensie snel geroerd, voeg het carbeen 2 als een vaste stof in een portie. De schorsing zal direct worden helder geel. Over een periode van ongeveer 10 minuten, zullen de vaste stoffen dissolve gevolgd door precipitatie van een heldere gele vaste stof. Op dit punt wil de suspensie roer 4 uur.
4. Na 4 uur, isoleren van de gele vaste stof door filtratie met behulp van een 10 ml medium porositeit glas gefrit Büchner trechter. Deze gele vaste stof Verbinding 5 (> 90% zuiverheid zowel ^1H en ^31P NMR). Concentreer het gele supernatant oplossing droogen combineren de gele residu met gefilterde gele vaste stof.
5. Om verbinding 5 zuiveren, herkristalliseren de gecombineerde gele vaste stoffen uit een 1: 3 (volume) DCM: hexanen oplossing (12 ml totaal volume) in een -30 ° C vriezer in de glovebox O / N. Deze procedure zal 5 als analytisch zuivere lucht stabiel gele kristallen in ongeveer 71% opbrengst, 0.301 g (gebaseerd op _P4) werd verkregen. Controleer het product met ^1H en ^31P NMR spectroscopie (C ₆ D ₆₎ ^11.

Resultaten

De mogelijkheid om een tris (phosphaalkenyl) fosfaan zoals 3 of P ₈ -allotrope (4) van witte fosfor isoleren gebaseerd op het gebruik van een elektrofiele carbeen de P ₄ tetraëder ^11,16 activeren. Daarom is het essentieel om carbenen met verbeterde π-zuren te bereiden, en bij uitbreiding electrophilicity. Figuur 2 toont de synthese van carbeen precursor 1-HCl en de daaropvolgende deprotonering de diamidocarbene 1...

Discussie

Een eenvoudige werkwijze voor het genereren-carbonyl ingericht carbenen en hun toepassing in de activatie van witte fosfor wordt hier gepresenteerd. De kritische stappen in het protocol voor de synthese van de carbenen zijn: (a) ervoor zorgen dat alle oplosmiddelen zijn goed voor gebruik gedroogd, (b) ervoor zorgen dat de toevoeging van zuur chloriden aan de formamidine wordt heel langzaam gedaan, (c) indien de Celite is niet oven gedroogd gedurende ten minste 12 uur bij 180 ° C, hydrolyse van de 1 -HCl...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
2,4,6-Trimethylaniline	Alfa Aesar	AAA13049-0E	98%
Triethylorthoformaat	Alfa Aesar	AAA13587	98%
Dimethylmalonyl dichloride	TCI	D2723	>98%
3-Chloro-pivaloyl chloride	Aldrich	225703-25G	98%
Triethylamine	Alfa Aesar	AAA12646	Opgeslagen over gedroogde, geactiveerde 3 Å moleculaire zeef
Celite™ 545	EMD	CX0574-3D	Gedroogd in de oven bij 180 °C gedurende minimaal 12 uur
Natrium hexamethyldisilazide	Across	200014-462	95+%
2,3-Dimethyl-1,3-butadieen	Alfa Aesar	AAAL04207-09	98%
Dichloormethaand	EMD	DX0835-5	Gezuiverd door middel van solvent zuiveringssysteem of standaard methoden
Tetrahydrofuraand	Mallinckrodt	8498-09	Gezuiverd door middel van solvent zuiveringssysteem of standaard methoden
Hexaan	EMD	HX0299-3	Gezuiverd door middel van solvent zuiveringssysteem of standaard methoden
Benzeen	EMD	BX0220-5	Gezuiverd door middel van solvent zuiveringssysteem of standaard methoden
Tolueen	BDH	1151-19L	Gezuiverd door middel van solvent zuiveringssysteem of standaard methoden
Witte fosfor	Generously donated from the Texas A&M chemistry store room.		Gezuiverd door sublimatie en direct overgebracht naar een glovebox terwijl onder vacuüm in de sublimatietoestel