Artykuł metodologiczny

Synteza, krystalizacja i charakterystyka spektroskopowa odwadniania N-tlenku 3,5-lutydyny

DOI:

10.3791/57233

⸱

24 kwietnia 2018

 ,  , 
1Centro de Química, Instituto de Ciencias, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Niniejszym opisujemy syntezę i krystalizację N-tlenku 3,5-lutydyny za pomocą prostego protokołu, który różni się od klasycznej syntezy N-tlenku pirydyny. Protokół ten wykorzystuje inny materiał wyjściowy i wymaga krótszego czasu reakcji, aby uzyskać nową solwatowaną strukturę supramolekularną, która krystalizuje pod wpływem powolnego parowania.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Synteza odwodnionego N-tlenku 3,5-lutydyny, 1, została osiągnięta w drodze syntezy kwasu 2-amino-pirydyno-3,5-dikarboksylowego. Ochiai po raz pierwszy zastosował metodologię dla niepodstawionych pirydyn w 1957 roku w 12-godzinnym procesie, ale nie uzyskano kryształów odpowiednich do promieniowania rentgenowskiego. Zastosowany w przedstawionej tu metodyce podstawiony pierścień wyraźnie wpłynął na dodanie cząsteczek wody do jednostki asymetrycznej, co nadaje inną siłę nukleofilową w 1. Uzyskanie odpowiedniego dla promieniowania rentgenowskiego związku krystalicznego 1 było możliwe dzięki stabilizacji ładunku ujemnego w tlenie przez obecność dwóch cząsteczek wody, w których atomy wodoru oddają ładunek dodatni do pierścienia; Takie cząsteczki wody dobrze służą do konstruowania oddziaływania supramolekularnego. Uwodnione cząsteczki mogą być możliwe dla systemu alkalicznego, który osiąga się poprzez dostosowanie pH do 10. Co ważne, podwójnie podstawiony metylowy pierścień i czas reakcji wynoszący 5 godzin sprawiają, że jest to metoda bardziej wszechstronna i mająca szersze zastosowania chemiczne do przyszłych wstawień pierścieniowych.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecnie naukowcy na całym świecie inwestują zasoby w rozwój nowych metod syntezy do funkcjonalizacji grup aromatycznych, które są znane z niskiej reaktywności reakcji od frontu do addycji1,2,3. Pirydyna, w której atom azotu zastępuje atom węgla, wykazuje podobną reaktywność chemiczną do pierścieni analogowych złożonych wyłącznie z atomów węgla3 i zwykle podlega mechanizmowi substytucji, a nie addycji. N-tlenki charakteryzują się obecnością wiązania donorowego między azotem a tlenem, utworzonego przez nakładanie się niewiążącej pary elektronów na azocie z pustym orbitalem na atomie tlenu3. W szczególności N-tlenki pirydyny są zasadami Lewisa, ponieważ ich ugrupowanie N-O może działać jako donor elektronów i mogą łączyć się z kwasami Lewisa, tworząc odpowiednie pary kwasowo-zasadowe Lewisa. Ta właściwość ma istotne konsekwencje chemiczne, ponieważ może zwiększyć nukleofilowość kwasów Lewisa w stosunku do potencjalnych elektrofilów, a tym samym umożliwić im reakcję w warunkach, w których normalnie reakcja by nie zaszła. Prawdopodobnie najczęstszym zastosowaniem takich związków są różne reakcje utleniania, w których działają jako utleniacze4. N-tlenki pirydyny i wiele ich pochodnych funkcjonalizowanych pierścieniem są rekurencyjnymi cząsteczkami biologicznie czynnych i farmakologicznych czynników5, a dla niektórych z nich ustalono wyraźny rozkład przestrzenny za pomocą różnych narzędzi spektroskopowych6,7. W badaniach nad przyłączaniem różnych grup do pierścienia pirydynowego naukowcy przetestowali różne metodologie, aby stworzyć łatwą i konwencjonalną metodę, ponieważ izoksazoliny wymagają katalitycznej ilości zasady, takiej jak DBU, we wrzącym ksylenie, aby utworzyć N-tlenki 6-podstawionej 2-aminopirydyny8,9. Różne pochodne pirydyny zostały przekształcone w odpowiadające im N-tlenki w obecności katalitycznej ilości tetrakis(2,6-diklorofenylo)porfiryny manganu i octanu amonu w CH2Cl2 / CH3CN8,10. Inne pirydyny są utleniane do swoich tlenków za pomocąH2O2 w obecności katalitycznych ilości metylotrioksorenium8,11, lub przez dodanie nadmiaru dimetylodioksiranu w CH2Cl2 w temperaturze 0 °C, co prowadzi do odpowiednich ="xref">8,12,13,14. Nadtlenek bis(trimetylosililu) w obecności trioksorenu w CH2Cl2 został użyty do syntezy N-tlenków pirydynyclass="xref">8,11. Opisano również syntezę N-tlenków aminopirydyny polegającą na acylacji przy użyciu kwasu Caro (kwas peroksomonosiarkowy)8. Niemniej jednak opisana tutaj metodologia, która wykorzystuje część metodologii zgłoszonej przez Ochiai1, zapewnia bardzo dobre wyniki przy użyciu tańszych i dostępnych odczynników,H2O2i lodowatego kwasu octowego. Ta praktyka jest bardziej odpowiednia do stosowania w preparatach na dużą skalę, które działają na aminy trzeciorzędowe, daje dobre plony w reakcji, która wymaga tylko 30% nadtlenku wodoru i lodowatego kwasu octowego w temperaturze między 70-80 °C, i wykorzystuje proces oczyszczania, który jest dostępny w większości laboratoriów syntezy, takich jak destylacja, bez użycia katalizatora lub droższych odczynników1. W literaturze można zauważyć, że inne metodologie również często uwzględniają ramy czasowe od 10 do 24 godzin i temperatury powyżej 100 °C 4,8, a wydajność dobrze uformowanych kryształów do analiz rentgenowskich jest rzadko podawana.

Reaktywnie, różne pochodne N-tlenku są używane do odpowiedniej aktywacji pierścienia lutydyny, zarówno w sposób nukleofilowy, jak i elektrofilowy. Podstawniki mają wpływ na czynnik nukleofilowy lub elektrofilowy. Ponieważ pierścień pirydynowy jest grupami wycofującymi elektrony, głównym czynnikiem jest charakterystyka nukleofilowa1. Wolne związki N-tlenku są rzadko izolowane jako odpowiednie kryształy do analizy rentgenowskiej ze względu na zdelokalizowany ładunek w pierścieniu aromatycznym. Jednak współczynnik solwatacji ma kluczowe znaczenie dla ustabilizowania ujemnej gęstości tlenu15.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Reakcja

  1. Umieścić w dygestorii otwartą okrągłą kolbę o pojemności 100 ml z lodowatym kwasem octowym o stężeniu 0,5 mola (29,8 ml) i dodać 0,051 mola (5,82 ml) 3,5-dimetylopirydyny i 5 mlH2O2(35%). Utrzymywać reakcję mieszaniny pod stałym mieszaniem magnetycznym, w temperaturze wewnętrznej 80 °C przez 5 godzin.
  2. Po upływie czasu reakcji schłodzić kolbę do temperatury 24 °C lodem (nie wystawiać gazów kwasu octowego na działanie lodu) i podłączyć do urządzenia do destylacji wysokopróżniowej na 90-120 minut w celu usunięcia nadmiaru kwasu octowego.
    Uwaga: Nie używaj gorącego materiału. Poczekaj, aż szkło osiągnie możliwą do opanowania temperaturę. Pozwoli to również uniknąć przedostawania się oparów do górnej części jednostki destylacyjnej.
  3. Dodać dwukrotnie wodę destylowaną (10 ml), aby zapewnić usunięcie wszelkich śladów kwasu octowego i zagęścić mieszaninę w miarę możliwości.

2. Regulacja i ekstrakcja zasadowości

  1. Rozpuścić w wodzie dwudestylowanej wyizolowany lepki i przezroczysty produkt i za pomocą potencjometru ustawić pH do 10 za pomocą czystego ciała stałego Na2CO3 .
  2. Ostrożnie umieść roztwór w lejku separacyjnym o pojemności 250 ml i wyekstrahuj go 5 razy za pomocą 250 ml CHCl3, aby poprawić wydajność. Odzyskaj warstwę organiczną i wysusz ją na stałym Na2SO4 przez maksymalnie 30 minut, który będzie zawierał produkt. W razie potrzeby należy ponownie wyekstrahować fazę wodną z żądaną ilością CHCl3,
    Uwaga: CHCl3 może powodować senność i zawroty głowy; Obchodź się ostrożnie i wewnątrz dygestorium.
  3. Usunąć rozpuszczalnik pod zmniejszonym ciśnieniem za pomocą jednostki destylacji wysokopróżniowej, aż do powstania bardzo higroskopijnego, klarownego, beżowego, krystalicznego proszku (70%).

3. Proces krystalizacji

  1. Rozpuścić 4,3 g krystalicznego proszku w 50 ml eteru dietylowego klasy zimnej wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC). Przefiltruj próżniowo roztwór, aby usunąć wszelkie ślady stałego materiału wyjściowego, a nawet kurzu. Wlać filtrat do szklanej płytki Petriego, pozostawiając go do powolnego odparowania w temperaturze 4 °C w lodówce laboratoryjnej.
  2. Upewnij się, że po dwóch dniach uzyskano przezroczyste, bezbarwne kryształy. Następnie zmierz temperaturę topnienia, która powinna mieścić się w zakresie 310-311 K.

4. Analiza odwodnienia N-tlenku 3,5-lutydyny

  1. Usunąć powstałe kryształy, o kształcie pryzmatycznym i bezbarwne, przez dekantację ze ścianek kolby w celu dalszej analizy rentgenowskiej. Jeśli nie zostaną natychmiast użyte, przechowuj kryształy w eterze dietylowym, aby uniknąć uwodnienia kryształów.
  2. Rozpuścić 0,010 g odwodnionego tlenku 3,5-lutydyny w 0,4 mlCDCl 3 w celu przeprowadzenia analizy NMR H1 i C13 w celu udowodnienia skuteczności procedury.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół jest zasadniczo rozszerzeniem techniki Ochiai1. Stosuje się jednak niższą temperaturę i krótszy czas. Ta prosta metoda może być wykorzystana do uzyskania wszechstronnego liganda, który jest podstawioną pochodną N-tlenku pirydyny. Aby potwierdzić powstanie 1, preferowana jest analiza NMR 1H i 13C w celu sprawdzenia skuteczności procedury.

Przesunięci...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiony tutaj protokół jest konwencjonalną metodą łączenia atomu tlenu z atomem azotu 3,5-lutydyny jako metody funkcjonalizacji substratów. Technika ta jest również dobrze sprawdzona, jeśli chodzi o uzyskiwanie odwodnionych kryształów odpowiednich do prześwietlenia rentgenowskiego (ilustracja 5, zdjęcia wykonane aparatem Sony DSC-HX300 Cyber-shot). Jeśli o nas chodzi, niewiele doniesień opisywało produkcję takich kryształów16. Wiele związków wytwarza idealne kryształy do ana...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszyscy autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecna praca została wsparta przez Vicerrectoría de Investigación y Estudios de Posgrado z BUAP, Divulgation of Science, oraz Projects No. REOY-NAT14, 15, 16-G. HEAS-NAT17. SG dziękuje CONACyT (Meksyk) za stypendium 417887.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
3,5-lutydynaSigma-AldrichL4206-500ML
Lodowaty kwas octowyFermont3015
Nadtlenek Hidrogen (35%)Sigma-Aldrich349887-500ML
Na2CO3 bezwodnyProductos Quí micos Monterrey1792
Na2SO4 bezwodnyAlfa reactivos25051-C
CHCl3Fermont6205
Eter etylowyRtęć ChemikQME0309
Woda destylowanaComercializadora Quí mica Poblananieistniejąca

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ochiai, E. Recent Japanese work on the chemistry of pyridine 1-oxide and related compounds. J. Org. Chem. 18 (5), 534-551 (1953).
  2. Solomons, T. W. G. Organic Chemistry 2nd Edition. , John Wiley & Sons. 1110(1976).
  3. Albini, A., Pietra, S. Heterocyclic N-Oxides. , CRC Press. ISBN: 0849345529 328(1991).
  4. Koukal, P., Ulc, J., Necas, D., Kotora, Heterocyclic N.-Oxides. Topics in Heterocyclic Chemistry. 53, 29-58 (2017).
  5. Wen-Man, Z., Jian-Jun, D., Xu, J., Jun, X., Huan-Jian, X. Visible-Light-Induced C2 alkylation of pyridine N.-oxides. J. Org. Chem. 82 (4), 2059-2066 (2017).
  6. Merino García, M. R., Ríos-Merino, F. J., Bernès, S., Reyes-Ortega, Y. Crystal structure of 3,5-dimethylpyridine N-oxide dihydrate. Acta Cryst. 72 (12), 1687-1690 (2016).
  7. Sarma, R., Karmakar, A., Baruah, J. B. N-Oxides in Metal-Containing Multicomponent Molecular Complexes. Inorg. Chem. 47 (3), 763-765 (2008).
  8. Youssif, S. Recent trends in the chemistry of pyridine N-oxides. ARKIVOC. 2001, 242-268 (2001).
  9. Chucholowski, A. W., Uhlendorf, S. Base catalyzed rearrangement of 5-cyanomethyl-2-isoxazolines; novel pathway for the formation of 2-aminopyridine N-oxides. Tetrahedron Lett. 31 (14), 1949-1952 (1990).
  10. Thellend, A., Battioni, P., Sanderson, W., Mansuy, D. Oxidation of N-Heterocycles by H2O2 Catalyzed by a Mn-Porphyrin: An Easy Access to N-Oxides Under Mild Conditions. Synthesis. 1997 (12), 1387-1388 (1997).
  11. Copéret, C., Adolfson, H., Tinh-Alfredo, V. K. h, Yudin, A. K., Sharpless, K. B. A simple and Efficient Method for the Preparation of Pyridine N-Oxides. J. Org. Chem. 63 (5), 1740-1741 (1998).
  12. Ferrer, M., Sánchez-Baeza, F., Messeguer, A. On the preparation of amine N-oxides by using dioxiranes. Tetrahedron. 53 (46), 15877-15888 (1997).
  13. Adam, W., Briviba, K., Duschek, F., Golsch, D., Kiefer, W., Sies, H. Formation of singlet oxygen in the deoxygenation of heteroarene N-oxides by dimethyldioxirane. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1995 (18), 1831-1832 (1995).
  14. Murray, R. W., Singh, M. A Facile One-Step Synthesis of C-Arylnitrones Using Dimethyldioxirane. J.Org.Chem. 55 (9), 2954-2957 (1990).
  15. Kim, S. W., Um, T., Shin, S. Brønsted acid-catalyzed α-halogenation of ynamides from halogenated solvents and pyridine-N-oxides. Chem. Commun. 53 (18), 2733-2736 (2017).
  16. Campeau, L., Rousseaux, R., Fagnou, K. A solution to the 2-pyridyl organometallic cross-coupling problem: regioselective catalytic direct arylation of pyridine N-oxides. J. Am. Chem. Soc. 127 (51), 18020-18021 (2005).
  17. Gang, L., et al. Metal-free methylation of a pyridine N-oxide C-H bond by using peroxides. Org. Biomol. Chem. 13 (46), 11184-11188 (2015).
  18. May, D., Nyman,, Hampden-Smith, M. J., Duesler, E. N. Synthesis, characterization, and reactivity of group 12 metal thiocarboxylates M(SOCR)2Lut2[M) Cd, Zn; R ) CH3, C(CH3)3; Lut ) 3,5-Dimethylpyridine (Lutidine)]. Inorg. Chem. 36 (10), 2218-2224 (1997).
  19. Cho, S. H., Hwang, S. J., Chang, S. Palladium-Catalyzed C-H Functionalization of Pyridine N-Oxides: Highly Selective Alkenylation and Direct Arylation with Unactivated Arenes. J. Am. Chem. Soc. 130 (29), 9254-9256 (2008).
  20. Ide, Y., et al. Spin-crossover between high-spin (S = 5/2) and low-spin (S = 1/2) states in six-coordinate iron(III) porphyrin complexes having two pyridine-N. oxide derivatives. Dalton Trans. 46 (1), 242-249 (2017).
  21. Drago, R. S. Physical Methods in Chemistry. , Saunders College Publishing USA. 750(1977).
  22. Cervantes-Mejía, V., et al. Branched Polyamines Functionalized with Proposed Reaction Pathways Based on 1H-NMR, Atomic Absorption and IR Spectroscopies. American Journal of Analytical Chemistry. 5 (16), 1090-1101 (2014).
  23. Huheey, J. E., Keiter, E. A., Keiter, R. L. Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity, 4th Edition. , Oxford University Press. Mexico. ISBN: 9706131620 1023(1997).
  24. Rigaku, CrysAlisPRO. , (2013).
  25. Sheldrick, G. M. SHELXT - Integrated space-group and crystal-structure determination. Acta Cryst. 71 (1), 3-8 (2015).
  26. Sheldrick, G. M. Crystal structure refinement with SHELXL. Acta Cryst. 71 (1), 3-8 (2015).
  27. Sheldrick, G. M. A short history of SHELX. Acta Cryst. 64 (1), 112-122 (2008).
  28. Macrae, C. F., et al. Mercury CSD 2.0 - new features for the visualization and investigation of crystal structures. J. Appl. Cryst. 41 (2), 466-470 (2008).
  29. ChemBioDraw Ultra 13. , PerkinElmer. (2013).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

3krystalizacja rentgenowskastruktura supramolekularnaregulacja pHdestylacja pr niowaekstrakcja chloroformemanaliza NMRpomiar temperatury topnieniarozpuszczalniki klasy HPLCchloroform deuterowany

Powiązane artykuły