Artykuł metodologiczny

Przygotowanie i zastosowanie dijodku samaru (SmI2) w syntezie organicznej: mechanistyczna rola HMPA i soli Ni(II) w reakcji Barbiera z użyciem samaru

34.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/4323

⸱

4 lutego 2013

 ,  , 
1Department of Chemistry, Lehigh University

W tym artykule

Podsumowanie

Opisano prostą procedurę otrzymywania dijodku samaru (SmI2) w THF. Zaprezentowano rolę dwóch głównych dodatków, mianowicie heksametylofosforamidu (HMPA) oraz Ni(acac)2, w reakcjach katalizowanych samarem na przykładzie reakcji Barbiera z użyciem Sm.

Streszczenie

Choć początkowo uważany za odczynnik egzotyczny, SmI2 stał się powszechnym narzędziem w rękach chemików organicznych syntetyków. SmI2 otrzymuje się poprzez dodanie jodu cząsteczkowego do metalicznego samaru w THF.1,2-3 Jest to łagodny i selektywny reduktor jednoelektronowy, a jego wszechstronność wynika z możliwości inicjowania szerokiego zakresu procesów redukcji, w tym reakcji tworzących wiązania C-C oraz reakcji kaskadowych lub sekwencyjnych. SmI2 może redukować różnorodne grupy funkcyjne, w tym sulfoksydy i sulfony, tlenki fosfin, epoksydy, halogenki alkilowe i arylowe, grupy karbonylowe oraz sprzężone wiązania podwójne.2-12 Jedną z fascynujących cech reakcji katalizowanych przez SmI-2 jest możliwość modyfikowania ich przebiegu poprzez selektywne stosowanie cosolwentów lub dodatków. W większości przypadków dodatki są niezbędne do kontrolowania szybkości redukcji oraz chemoselektywności lub stereoselektywności reakcji.13-14 Dodatki powszechnie wykorzystywane do precyzyjnego dostrajania reaktywności SmI2 można podzielić na trzy główne grupy: (1) zasady Lewisa (HMPA, inne ligandy donory elektronów, etery chelatujące itp.), (2) źródła protonów (alkohole, woda itp.) oraz (3) dodatki nieorganiczne (Ni(acac)2, FeCl3 itp.).3

Zrozumienie mechanizmu reakcji z użyciem SmI2 oraz roli dodatków umożliwia wykorzystanie pełnego potencjału tego odczynnika w syntezie organicznej. Wybrano reakcję Sm-Barbiera, aby zilustrować znaczenie syntetyczne i rolę mechanistyczną dwóch powszechnie stosowanych dodatków: HMPA oraz Ni(II) w tej reakcji. Reakcja Sm-Barbiera jest podobna do tradycyjnej reakcji Grignarda, z tą różnicą, że halogenek alkilu, związek karbonylowy i reduktor Sm są mieszane jednocześnie w jednym naczyniu.1,15 Opisano przykłady reakcji Barbiera katalizowanych przez Sm z szerokim zakresem partnerów sprzęgających,1,3,7,10,12 które zostały wykorzystane w kluczowych etapach syntezy dużych produktów naturalnych.16,17 Wcześniejsze badania nad wpływem dodatków na reakcje SmI2 wykazały, że HMPA zwiększa potencjał redukcyjny SmI2 poprzez koordynację do centrum metalicznego samaru, tworząc silniejszy,13-14,18 zawadzone sterycznie reduktor19-21, a w niektórych przypadkach odgrywa integralną rolę w etapach po przeniesieniu elektronu, ułatwiając następujące procesy tworzenia wiązań.22 Wykazano, że w reakcji Sm-Barbiera HMPA dodatkowo aktywuje halogenek alkilu poprzez tworzenie kompleksu w etapie przedrównoważnym.23

Sole Ni(II) są dodatkiem katalitycznym często stosowanym w transformacjach zapośredniczonych przez Sm.24-27 Mimo że są one kluczowe dla powodzenia syntezy, mechanistyczna rola Ni(II) w tych reakcjach nie była znana. Niedawno wykazano, że SmI2 redukuje Ni(II) do Ni(0), a reakcja przebiega następnie zgodnie z chemią organometaliczną Ni(0).28

Badania mechanistyczne te podkreślają, że mimo otrzymania tego samego produktu reakcji Barbiera, zastosowanie różnych dodatków w reakcji z SmI2 drastycznie zmienia ścieżkę mechanistyczną tej reakcji. Opisano protokół przeprowadzania tych reakcji inicjowanych SmI2.

Protokół

1. Synteza SmI2 (0,1 M)

  1. Kolo bochego kolby okrągłodنnej o pojemności 50 ml osuszyć nad płomieniem i przepłukać argonem. Włożyć mieszadło magnetyczne i zamknąć kolbę septem. Odważyć metaliczny samar (0,2 g, 1,3 mmol) i dodać do kolby, ponownie przepłukując ją argonem.
  2. Dodać 10 ml suchego, dokładnie odgazowanego tetrahydrofuranu (THF), a następnie kryształy jodu (0,254 g, 2,0 mmol). Przez septum podłączyć balon z argonem, aby utrzymać nadciśnienie atmosfery Ar nad reakcją.
  3. Roztwór mieszać energicznie w temperaturze pokojowej przez ponad 3 h. W miarę powstawania SmI2 roztwór zmienia barwę: najpierw na pomarańczową, potem żółtą (45 min) i zieloną (1 h), aż ostatecznie stanie się niebieski.
  4. Końcowy kolor ciemnoniebieski wskazuje na utworzenie się jednowartościowo zjonizowanego samaru. Aby zapewnić pełną konwersję, mieszać roztwór przez co najmniej 3 h przed użyciem SmI2 w syntezie.

2. Reakcja Barbiera z samorem – dodanie heksametylofosforamidowego (HMPA)

  1. Aby przygotować kompleks SmI2-HMPA, należy pobrać świeżo przygotowany SmI2 w atmosferze argonu (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol) i dodać 1,75 ml HMPA (10 ekwiwalentów, 10 mmol) za pomocą strzykawki, kroplami, w atmosferze argonu. Powstanie ciemnofioletowa barwa.
  2. Osobno, w czystej i suchej fiolce w atmosferze argonu, należy dodać jodododekan (0,45 mmol, 110 μl), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 μl) oraz 2 ml osuszonego THF.
  3. Mieszaninę roztworu substratów należy dodać kroplami do kompleksu SmI2/HMPA.
  4. W ciągu 5 min mieszania fioletowy kolor zacznie stawać się mętny, co wskazuje na koniec reakcji.
  5. Po zakończeniu reakcji roztwór należy wystawić na działanie powietrza w celu jej zatrzymania; podczas mieszania barwa zmieni się na żółtą.
  6. Następnie przeprowadza się obróbkę reakcji poprzez przemywanie nasyconym wodnym roztworem chlorku amonu. Roztwór należy przenieść do rozdzielacza i dodać eter dietylowy (5 ml). Po energicznym wstrząśnięciu należy oddzielić górną warstwę organiczną i dodać więcej eteru dietylowego. Warstwę wodną należy ekstrahować jeszcze dwa razy, a następnie połączyć wszystkie warstwy organiczne.
  7. Warstwę organiczną należy przemyć nasyconym wodnym roztworem tiosiarczanu sodu. Należy oddzielić dolną warstwę wodną, a następnie przemyć wodą i na koniec solanką. Po pobraniu górnej warstwy organicznej należy dodać siarczan magnezu, aby usunąć pozostałe w roztworze ślady wody.
  8. Roztwór należy przepuścić przez kolumienkę z Florisilem w celu usunięcia nadmiaru HMPA.
  9. Roztwór należy odparować na rotavaporze, aby otrzymać produkt reakcji Barbiera. Produkt zidentyfikowano za pomocą GCMS i 1H NMR.23

3. Reakcja Barbiera z samarem i katalizatorem Ni(acac)2

  1. Odważyć Ni(acac)2 (1 mol%, 0,01 mmol, 0,0026 g) i dodać do czystej, suchej fiolki zawierającej 3 ml odgazowanego THF w atmosferze argonu. Roztwór Ni(acac)2 wprowadzić strzykawką do świeżo przygotowanego roztworu 0,1 M SmI2 (1,0 mmol, 10 ml).
  2. W oddzielnej, czystej i suchej fiolce w atmosferze argonu połączyć jodododekan (0,45 mmol, 110 μl), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 μl) oraz 2 ml suszonego THF.
  3. Roztwór substratów dodawać kroplami do mieszaniny SmI2/Ni.
  4. W ciągu piętnastu minut mieszania niebieski kolor zaniknie, a roztwór przybierze barwę żółto-zieloną, co wskazuje na koniec reakcji.
  5. Po zakończeniu reakcji wystawić roztwór na działanie powietrza w celu jej zgaszenia; po wymieszaniu kolor zmieni się na żółty. Przerobić mieszaninę reakcyjną, przemywając ją 0,1 M wodnym roztworem kwasu solnego (3 ml). Przenieść roztwór do rozdzielacza i dodać eter dietylowy (5 ml).
  6. Fazę organiczną przemyć zgodnie z wcześniej opisanym protokołem, używając wodnego roztworu tiosiarczanu sodu, wody oraz solanki, a następnie osuszyć nad siarczanem magnezu. Skoncentrować roztwór w celu otrzymania produktu reakcji Barbiera. Produkt można zidentyfikować za pomocą GCMS oraz 1H NMR.28

Wyniki

Rycina 1 przedstawia reakcję Barbiera z użyciem samaru. Bez dodatków reakcja katalizowana przez Sm trwa 72 h, dając 69% pożądanego produktu, podczas gdy pozostała część stanowi materiały wyjściowe. Po dodaniu 10 lub więcej ekwiwalentów HMPA reakcja jest niemal ilościowa i kończy się w ciągu kilku minut.15,23 Po dodaniu 1 mol% Ni(acac)2, reakcja kończy się w ciągu 15 min z wydajnością 97%.28

Po dodaniu HMPA do SmI2, cosolwent wypiera skoordynowany THF, tworząc SmI2-(HMPA)4. Przy dodaniu jeszcze większej ilości HMPA (6-10 ekwiwalentów), jony jodkowe zostają wypchnięte do sfery zewnętrznej (Rysunek 2).19-21 Badania mechanistyczne wskazują, że gdy HMPA jest stosowany w reakcji Sm-Barbiera, cosolwent oddziałuje również z substratem w postaci halogenku alkilu, tworząc kompleks, który wydłuża wiązanie węgiel-halogen, aktywując tym samym ten gatunek i czyniąc go bardziej podatnym na redukcję przez Sm (Rysunek 3). Dzięki tak szczegółowemu zrozumieniu roli HMPA zaproponowano mechanizm reakcji Sm-Barbiera z użyciem HMPA (Rysunek 4).23 Kompleks halogenek alkilu-HMPA, powstały w etapie przedrównoważnym, jest redukowany przez Sm/HMPA do rodnika w etapie limitującym szybkość reakcji. Rodnik ulega dalszej redukcji, tworząc związek organosamaru, który sprzęga się z grupą karbonylową i po protonowaniu daje produkt końcowy.

W przypadku dodatku Ni(II), SmI2 początkowo redukuje Ni(II) do Ni(0) w sposób preferencyjny względem redukcji któregokolwiek z substratów. Na podstawie badań kinetycznych i mechanistycznych zaproponowano następujący mechanizm (Rycina 5).28 Po redukcji przez SmI2, rozpuszczalne gatunki Ni(0) wstawiają się w wiązanie halorku alkilu, tworząc związek organoniklowy. Napędzana silnie oksyfilową naturą Sm(III), transmetalacja w celu utworzenia produktu pośredniego organosamaru uwalnia Ni(II) z powrotem do cyklu katalitycznego. Organosamaru sprzęga się następnie z grupą karbonylową i po protonowaniu tworzy pożądany alkohol trzeciorzędowy. Zaobserwowano również, że w wyniku redukcji Ni(II) pośredniczonej przez Sm powstają nanocząstki Ni(0), jednak stwierdzono, że cząstki te są nieaktywne i stanowią źródło dezaktywacji katalizatora.

Reakcja chemii organicznej; równanie syntezy SmI₂, THF, schemat transformacji chemicznej.
Rycina 1. Reakcja Barbiera z użyciem samaru, jodododekanu i 3-pentanonu.

Schemat procesu kompleksowania, Sm HMPA z THF w reakcji równowagi, diagram chemiczny.
Rycina 2. Kompleks SmI2-HMPA.

Mechanizm reakcji organicznej; schemat; oddziaływanie związku fosforu; HMPA; struktura cząsteczkowa.
Rysunek 3. Kompleks HMPA i jodku alkilu.

Schemat mechanizmu reakcji opartej na samarze z równaniami chemicznymi i produktami pośrednimi; etapy syntezy.
Rycina 4. Proponowany mechanizm reakcji Barbiera z użyciem samaru w nadmiarze HMPA.

Schemat cyklu reakcji chemicznej katalizowanej niklem, pokazujący przejścia gatunków Sm(III) i Ni.
Rycina 5. Proponowany mechanizm reakcji Barbiera z samarem zawierający katalityczne Ni(II).

Dyskusja

W niniejszym materiale przedstawiono prostą procedurę otrzymywania roztworu SmI2 oraz jego zastosowanie w syntezie organicznej z wykorzystaniem dwóch najczęściej stosowanych dodatków. Opisane dwa przykłady obrazują znaczenie zrozumienia mechanizmu reakcji w celu precyzyjnego dostrojenia reaktywności SmI2. Znajomość podstaw mechanizmu reakcji pozwala chemikom syntetykom na dostosowanie użycia tego odczynnika do wymagań danej reakcji.

Ten jednobelektronowy jednorodny reduktor jest łatwy w obsłudze i może być zakupiony z komercyjnych źródeł. Chociaż powyższy protokół jest prosty w realizacji w warunkach obojętnych, niektóre z powszechnych procedur rozwiązywania problemów to: (a) upewnienie się, że THF jest odpowiednio odgazowany i suchy, (b) jeśli metal Sm był przez dłuższy czas narażony na działanie powietrza, może posiadać utlenioną warstwę zewnętrzną; należy wówczas rozdrobnić metal w moździerzu z tłuczkiem, aby odsłonić czystą powierzchnię metalu, (c) wysuszenie wszystkich naczyń szklanych nad płomieniem i schłodzenie ich w atmosferze argonu, (d) jako atmosferę obojętną preferowany jest argon zamiast azotu, ponieważ wykazano, że ten drugi wchodzi w interakcje z metalem, (e) obecność nadmiaru metalu Sm pomaga utrzymać stężenie SmI2, (f) resublimacja kryształów jodu.

Oświadczenia

Nie zgłoszono konfliktów interesów.

Podziękowania

RAF dziękuje National Science Foundation (CHE-0844946) za wsparcie niniejszych badań.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Samar metalicznyAcros29478-0100-40 mesh, 99,9% (na bazie metali)
THFOmniSolvTX0282-1Oczyszczony za pomocą systemu oczyszczania rozpuszczalników Innovative Technologies. Alternatywnie można go odgazować metodą zamrażania i odpompowywania (freeze-pump-thaw)
JodAlfa Aesar41955-22Kryształy resublimowane, 99,8%
JodododekanAcros25009-025098%
3-pentanonAlfa AesarAAA15297-AE99%
HMPAAlderichH1160298%; destylowany z CaO w atmosferze argonu
NiI2Alfa Aesar2289399,5% (na bazie metali)

Bibliografia

  1. Girard, P., Namy, J. L., Kagan, K. B. Divalent lanthanide derivatives in organic synthesis. 1. Mild preparation of samarium iodide and ytterbium iodide and their use as reducing or coupling agents. J. Am. Chem. Soc. 102, 2693-2698 (1980).
  2. Szostak, M., Spain, M., Procter, D. J. Preparation of samarium(II) iodide: quantitative evaluation of the effect of water, oxygen, and peroxide content, preparative methods, and activation of samarium metal. J. Org. Chem. 77, 3049-3053 (2012).
  3. Procter, D. J., Flowers, R. A., Skrydstrup, T. Organic synthesis using samarium diiodide: a practical guide. , Royal Society of Chemistry Publishing. U.K. (2010).
  4. Nicolaou, K. C., Ellery, S. P., Chen, J. S. Samarium diiodide mediated reactions in total synthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7140-7165 (2009).
  5. Flowers, R. A., Prasad, E. Handbook on the physics and chemistry of rare earths. 36, Elsevier. Amsterdam. 393-473 (2006).
  6. Edmonds, D. J., Johnston, D., Procter, D. J. Samarium(II)-iodide-mediated cyclizations in natural product synthesis. Chem. Rev. 104, 3371-3403 (2004).
  7. Kagan, H. B. Twenty-five years of organic chemistry with diiodosamarium: an overview. Tetrahedron. 59, 10351-10372 (2003).
  8. Steel, P. G. Recent developments in lanthanide mediated synthesis. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2727-2884 (2001).
  9. Molander, G. A., Harris, C. R. Sequencing reactions with samarium(II) iodide. Chem. Rev. 96, 307-338 (1996).
  10. Molander, G. A., Harris, C. R. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Tandem intramolecular nucleophilic acyl substitution/intramolecular Barbier cyclizations. J. Am. Chem. Soc. 117, 3705-3716 (1995).
  11. Molander, G. A. Application of lanthanide reagents in organic synthesis. Chem. Rev. 92, 29-68 (1992).
  12. Souppe, J., Danon, L., Namy, J. L., Kagan, K. B. Some organic-reactions promoted by samarium diiodide. J. Organometal. Chem. 250, 227-236 (1983).
  13. Flowers, R. A. II Mechanistic studies on the roles of cosolvents and additives in samarium(II)-based reductions. Synlett. 10, 1427-1439 (2008).
  14. Hutton, T. K., Muir, K., Procter, D. J. Samarium(II)-mediated reactions of gamma, delta-unsaturated ketones. Cyclization and fragmentation processes. Org. Lett. 4, 2345-2347 (2002).
  15. Miller, R. S., et al. Reactions of SmI2 with alkyl halides and ketones: inner-sphere vs outer-sphere electron transfer in reactions of Sm(II) reductions. J. Am. Chem. Soc. 122, 7718-7722 (2000).
  16. Ito, Y., Takahashi, K., Nagase, H., Honda, T. Integral stereocontrolled synthesis of a spiro-norlignan, sequosempervirin A: revision of absolute configuration. Org. Lett. 13, 4640-4643 (2011).
  17. Molander, G. A., et al. Toward the total synthesis of Variecolin. Org. Lett. 3, 2257-2260 (2001).
  18. Shabangi, M., Flowers, R. A. II Electrochemical investigation of the reducing power of SmI2 in THF and the effect of HMPA cosolvent. Tetrahedron Lett. 38, 1137-1140 (1997).
  19. Enenaerke, R. J., Hertz, T., Skrydstrup, T., Daasbjerg, K. Evidence for ionic samarium(II) species in THF/HMPA solution and investigation of Their electron-donating properties. Chem. Eur. J. 6, 3747-3754 (2000).
  20. Hou, Z., Zhang, Y., Wakatsuki, Y. Molecular structures of HMPA-coordinated samarium(II) and ytterbium(II) iodide complexes. A structural basis for the HMPA effects in SmI2-promoted reactions. Bull. Chem. Soc. Jpn. 70, 149-153 (1997).
  21. Hou, Z., Wakatsuki, Y. Isolation and x-ray structures of the hexamethylphosphoramide (hmpa)-coordinated lanthanide(II) diiodide complexes [SmI2(hmpa)4] and [Yb(hmpa)4(thf)2]I2. J. Chem. Soc., Chem Commun. 10, 1205-1206 (1994).
  22. Sadasivam, D. V., Antharjanam, P. K. S., Prasad, E., Flowers, R. A. II Mechanistic study of samarium diodide-HMPA initiated 5-exo-trig ketyl-Olefin coupling: the role of HMPA in post-electron transfer steps. J. Am. Chem. Soc. 130, 7228-7229 (2008).
  23. Choquette, K. A., Sadasivam, D. V., Flowers, R. A. II Uncovering the mechanistic role of HMPA in the samarium Barbier reaction. J. Am. Chem. Soc. 132, 17396-17398 (2010).
  24. Molander, G. A., Huérou, V. L., Brown, G. A. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Sequential intramolecular Barbier byclization/Grob fragmentation for the synthesis of medium-sized carbocycles. J. Org. Chem. 66, 4511-4516 (2001).
  25. Molander, G. A., Köllner, C. Development of a protocol for eight- and nine-membered ring synthesis in the annulation of sp2,sp3-hybridized organic dihalides with keto ester. J. Org. Chem. 65, 8333-8339 (2000).
  26. Molander, G. A., Alonso-Alija, C. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Sequential intermolecular carbonyl addition/intramolecular nucleophilic acyl substitution for the preparation of seven-, eight-, and nine-membered carbocycles. J. Org. Chem. 63, 4366-4373 (1998).
  27. Machrouhi, F., Hamann, B., Namy, J. L., Kagan, K. B. Improved reactivity of diiodosamarium by catalysis with transition metal salts. Synlett. 7, 633-634 (1996).
  28. Choquette, K. A., Sadasivam, D. V., Flowers, R. A. II Catalytic Ni(II) in reactions of SmI2: Sm(II)- or Ni(0)- based chemistry? J. Am. Chem. Soc. 133, 10655-10661 (2011).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

dodatek HMPAkatalizator niklowyrozpuszczalnik THFhalogenek alkiluzwiązek karbonylowyanaliza GCMSNMR protonowyewaporator obrotowy
Przygotowanie i zastosowanie dijodku samaru (SmI2) w syntezie organicznej: mechanistyczna rola HMPA i soli Ni(II) w reakcji Barbiera z użyciem samaru
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.