Artykuł metodologiczny

Zastosowanie lantanowców elementarnych w selektywnej aktywacji C-F trifluorometylowanych benzofulwenów zapewniających dostęp do różnych difluoroalkenów

DOI:

10.3791/57948

⸱

28 lipca 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institut de Chimie Moléculaire de Reims UMR 7312, Université de Reims Champagne Ardenne, 2Institut Charles Gerhardt Montpellier UMR 5253, Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten protokół opisuje przygotowanie lantanowców pierwiastkowych w atmosferze obojętnej i ich zastosowanie w selektywnym procesie aktywacji C-F z udziałem trifluorometylowanych benzofulwenów.

Streszczenie

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

Selektywna aktywacja jednego wiązania węgiel-fluor w polifluorowanych cząsteczkach aromatycznych lub w substratach zawierających trifluorometyl daje możliwość dostępu do unikalnych cząsteczek zawierających fluor, które są trudne do uzyskania przez inne ścieżki syntezy. Wśród różnych metali, które mogą ulegać aktywacji C-F, lantanowce (Ln) są dobrymi kandydatami, ponieważ tworzą silne wiązania Ln-F. Metale lantanowców są silnymi środkami redukującymi o potencjale redoks Ln3+/Ln około -2.3 V, co jest porównywalne z wartością Mg2+/Mg para redoks. Ponadto metale lantanowców wykazują obiecującą tolerancję grup funkcyjnych, a ich reaktywność może zmieniać się wzdłuż szeregu lantanowców, co czyni je odpowiednimi odczynnikami do dostrajania warunków reakcji w przemianach organicznych i metaloorganicznych. Jednak ze względu na swoją oksofilowość lantanowce łatwo reagują z tlenem i wodą i dlatego wymagają specjalnych warunków przechowywania, obchodzenia się, przygotowania i aktywacji. Czynniki te ograniczyły szersze zastosowanie w syntezie organicznej. Poniżej przedstawiamy, w jaki sposób dysproz metaliczny - i analogicznie wszystkie metale lantanowce - mogą być świeżo przygotowane w warunkach bezwodnych przy użyciu komory rękawicowej i technik Schlenka. Świeżo spiłowany metal, w połączeniu z chlorkiem glinu, inicjuje selektywną aktywację C-F w trifluorometylowanych benzofulwenach. Powstałe produkty pośrednie reakcji reagują z nitroalkenami, otrzymując nową rodzinę difluoroalkenów.

Wprowadzenie

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

Metale lantanowców są sporadycznie używane w syntezie organicznej od końca lat siedemdziesiątych1. Początkowo te silne środki redukujące, o potencjale redoks Ln3+/Ln wynoszącym około -2,3 V, były stosowane głównie w brzozowych redukcjach związków aromatycznych i reakcjach sprzęgania pinakolu. Zwiększona dostępność i czystość lantanowców od lat 80. XX wieku, a także rozwój metodologii i sprzętu do pracy ze związkami wrażliwymi na powietrze i wilgoć doprowadziły do nowych zastosowań lantanowców. Przełomem w chemii lantanowców było otrzymanie powszechnie stosowanego SmI2 bezpośrednio z metalu Sm i dijodoetanu lub jodu><. W ostatnich latach opisano nowe wzorce reaktywności metali lantanowców, na przykład reakcję typu Barbie'a halogenków allilu ze związkami karbonylowymi3, redukcyjne reakcje sprzęgania z udziałem ketonów diarylowych4 lub chlorki acylu5, selektywne reakcje cyklopropanacji6, oraz połączenie metali lantanowców z metalocenami grupy 47,8. Badania te wykazały, że metale lantanowców wykazują obiecującą tolerancję grup funkcyjnych i że ich reaktywność może się zmieniać wzdłuż szeregu lantanowców, co czyni je odpowiednimi odczynnikami do precyzyjnego dostrajania warunków reakcji w przemianach organicznych.

Kompleksy organiczne lantanowców i nieorganiczne sole lantanowców były badane w reakcjach aktywacji C-F z aromatycznymi i alifatycznymi wiązaniami węgiel-fluor od ponad 40 lat9,10,11. W 2014 roku pojawił się pierwszy raport na temat aktywacji C-F za pomocą pierwiastkowego metalu iterbu 12. Wykazano regioselektywną reakcję Yb z pentafluorobenzenem, w wyniku której uzyskano p-tetrafluorobenzen i YbF2. Niedawno wykazaliśmy, że różne metale lantanowców mogą reagować z trifluorometylowanymi benzofulwenami w obecności chlorku glinu, aby otrzymać kompleksy ε,ε-difluoropentadienylometali, które reagowały selektywnie z szeroką gamą aldehydów na nowe difluoroalkeny (Rysunek 1)13. Okazało się, że połączenie dysprozu metalicznego i chlorku glinu dało najwyższe plony i najlepszą selektywność. Niniejszym przedstawiamy rozszerzenie tej pracy z wykorzystaniem nitroalkenów jako elektrofilów14, prowadząc regioselektywnie do nowej klasy difluoroalkenów15.

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

Protokół

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

1. Przygotowanie materiału wyjściowego poza schowkiem

  1. Przygotuj niezbędne wyposażenie: suszoną w piecu rurkę Schlenka z mieszadłem magnetycznym, przewód próżniowy/gaz obojętny (argon lub azot) oraz mieszadło magnetyczne.
  2. Przygotuj trifluorometylohydrowany benzofulwen zgodnie z literaturą13.
  3. Odważyć trifluorometylohydrowany benzofulwen (177 mg, 0,65 mmol) i dodać do suszonej w piecu probówki Schlenka wyposażonej w mieszadło magnetyczne.
  4. Zamknij rurkę Schlenk plastikową nakrętką z wkładką PTFE i podłącz do przewodu próżniowego.
  5. Rozpocznij mieszanie i zastosuj próżnię do suszenia benzofulwenu przez 10 minut. Następnie zwolnij próżnię za pomocą argonu/azotu i ponownie zastosuj próżnię. Powtórz ten proces 3 razy. Na koniec napełnij probówkę Schlenka argonem/azotem i szczelnie ją zamknij.
  6. Zabrać rurkę Schlenka pod wpływem argonu/azotu do schowka na rękawiczki.

2. Przygotowanie świeżo spiłowanego metalu dysprozu w schowku na rękawiczki

  1. Przygotuj niezbędny sprzęt: schowek na rękawiczki pod argonem/azotem z wagą, metalowy pilnik, szczypce, folię aluminiową, kleszcze, szpatułkę, probówkę i 2 gumowe przegrody.
  2. Przygotuj chemikalia: dysproz metaliczny i bezwodny AlCl3
  3. Włóż probówkę Schlenka z benzofulwenem, probówkę i 2 gumowe przegrody do komory rękawicowej zgodnie z ogólną praktyką obchodzenia się z komorą rękawicową, np. w przypadku małej komory zastosuj podciśnienie przez 1 minutę, a następnie trzykrotnie zwolnij argonem/azotem.
  4. Połóż jeden kawałek folii aluminiowej na wadze, a drugi na talerzu na podłodze schowka w celu wypełnienia.
  5. Mocno przytrzymaj metal dysprozu za pomocą szczypiec i usuń jego górną nieaktywną warstwę, piłując metalowym pilnikiem, aby uzyskać błyszczącą metalową powierzchnię. Wyrzuć ten spiłowany metal.
    UWAGA: (1) Do piłowania używaj dużych kawałków metalu i unikaj kontaktu szczypiec z pilnikiem, aby nie zanieczyścić dysprozu innymi metalami. (2) Użyj innego metalowego pilnika dla każdego metalu lantanowca, aby uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego. (3) Wyrzucony proszek metalowy należy schłodzić oddzielnie na zewnątrz schowka na rękawiczki, używając roztworu dil. aq. HCl.
    Uwaga: Reakcja dysprozu z aq. HCl jest egzotermiczna i wytwarza gazowy wodór, dlatego dysproz należy schłodzić w otwartej kolbie otoczonej łaźnią lodową.
  6. Przygotować świeżo spiłowany dysproz metaliczny (82 mg, 0,50 mmol), dodać do probówki Schlenka i zamknąć probówkę gumową przegrodą.
  7. Odważyć bezwodny AlCl3 (200 mg, 1,5 mmol) do probówki i zamknąć probówkę gumową przegrodą.
  8. Wyjmij probówkę Schlenka i probówkę ze schowka na rękawiczki.

3. Rozpocznij reakcję aktywacji C-F poza komorą rękawicową

  1. Przygotuj niezbędny sprzęt: przewód próżniowy/gazowy (argon lub azot), mieszadło magnetyczne i suchą strzykawkę o pojemności 2 ml z igłą.
  2. Przygotuj chemikalia: świeżo destylowany suchy THF i jod.
  3. Clamp rurkę Schlenka w dygestoria nad mieszadłem magnetycznym i podłącz do przewodu próżniowego. Wykonaj trzy cykle próżni/gazu obojętnego przed otwarciem rurki Schlenka pod dodatnim przepływem argonu/azotu. Uruchom mieszadło magnetyczne.
  4. Zacisnąć probówkę z AlCl3 w dygestoriach i podłączyć do przewodu gazu obojętnego za pomocą igły pod dodatnim przepływem argonu/azotu.
  5. Dodać katalityczną ilość jodu (10 - 12 mg) do probówki Schlenka przy dodatnim przepływie argon/azot
    6. .
  6. Przepłukać suchą strzykawkę o pojemności 2 ml igłą pod wpływem argonu/azotu
  7. Weź 1,5 ml świeżo destylowanego suchego THF za pomocą oczyszczonej strzykawki i dodaj 0,5 ml do probówki Schlenka, aby uzyskać ciemnobrązowy roztwór (kolor jodu w THF).
  8. Dodaj pozostałe 1,0 ml THF kroplami do probówki z AlCl3, co doprowadzi do uzyskania lekko żółtego roztworu.
    UWAGA: W zależności od jakości AlCl3, dodatek THF może być mniej lub bardziej egzotermiczny.
  9. Gdy jest jeszcze ciepły, przenieś ten roztwór AlCl3 z probówki do probówki Schlenka za pomocą strzykawki.
  10. Pozwól, aby reakcja mieszała się aż do pełnego spożycia benzofulwenu. Początkowo ciemnobrązowy kolor zniknie, dając żółty roztwór, który z czasem zamieni się w ciemnozielony, mętny roztwór.
  11. Sprawdzić reakcję metodą chromatografii cienkowarstwowej (TLC) po 1 godzinie, pobierając próbkę mieszaniny reakcyjnej z kapilarą pod dodatnim przepływem argonu/azotu. Użyj eteru naftowego jako eluentu.
    UWAGA: Początkowy benzofulven jest jasnożółty na płytce TLC i można go łatwo zaobserwować.

4. Dodanie nitroalkenu

  1. Przygotować 4-metoksyfenylonitroalken zgodnie z literaturą16.
  2. W probówce odważyć 4-metoksyfenylonitroalken (90 mg, 0,50 mmol), zamknąć probówkę gumowym korkiem i wysuszyć ją na przewodzie próżniowym za pomocą złącza igłowego.
  3. Po zaniku benzofulwenu w mieszaninie reakcyjnej (potwierdzonej analizą TLC), należy dodać suchy nitroalken do probówki Schlenka pod dodatnim przepływem argonu/azotu. Mieszanina reakcyjna zmieni kolor na żółto-zielony.
  4. Monitorować reakcję za pomocą analizy TLC, aż do pełnego zużycia nitroalkenu (zwykle 1 godzina). Użyj eteru naftowego/octanu etylu 95/5 jako eluentu.

5. Praca i oczyszczanie

  1. Rozcieńczyć mieszaninę reakcyjną 20 ml eteru dietylowego i zalać 5 ml 1 molowego wodnego roztworu kwasu solnego w otwartej probówce Schlenka.
    UWAGA: Reakcja pozostałego dysprozu z aq. HCl jest egzotermiczna i wytwarza gazowy wodór, który może powodować wzrost ciśnienia w Schlenk. Dlatego wygasić reakcję w otwartym Schlenk pod dobrym wyciągiem.
  2. Po wygaszeniu reakcji przenieść ją do rozdzielacza rozdzielającego.
  3. Zebrać fazę organiczną do kolby stożkowej. Przemyć fazę wodną 2 razy 10 ml eteru dietylowego i zebrać fazę organiczną do kolby stożkowej.
  4. Wysuszyć fazę organiczną naMgSO4, przefiltrować do wstępnie zważonej kolby i skoncentrować pod zmniejszonym ciśnieniem na wyparce obrotowej, aby uzyskać surowy produkt w postaci pomarańczowo-brązowego oleju.
  5. Oczyść surowy produkt za pomocą chromatografii kolumnowej z żelem krzemionkowym, zaczynając od eteru naftowego jako eluentu w celu usunięcia niepolarnego hydrolizowanego produktu. Zwiększenie polarności do 10/1 eter naftowy/octan etylu daje nowe difluoroalkeny zawierające nitro.
    UWAGA: Podczas wykonywania chromatografii kolumnowej na długiej kolumnie i poprzez powolne zwiększanie polaryzacji, możliwe jest rozdzielenie diastereoizomerów do celów analizy.

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

Wyniki

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

Ta procedura aktywacji C-F za pośrednictwem lantanowców, po której następuje reakcja z nitroalkenami, zapewnia łatwy dostęp do nowych difluoroalkenów zawierających grupę nitrową. Prawdopodobny mechanizm reakcji jest przedstawiony na Rysunek 2. W przeciwieństwie do naszej poprzedniej pracy z użyciem aldehydów jako elektrofilów (Rysunek 1)13, nitroalkeny zapewniają 1,3-dipodstawione produkty indenu regioselektywnie. M...

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

Dyskusja

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

Protokół ten obejmuje pracę z wysoce reaktywnymi, wrażliwymi na powietrze i wilgoć metalami lantanowców. Dlatego cała procedura reakcji musi być przeprowadzona w suchym gazie obojętnym, a wszystkie materiały wyjściowe, w tym rozpuszczalniki, muszą być bardzo czyste i wysuszone przed użyciem.

Istnieją dwie zalety przygotowania świeżo opiłowanych metali w porównaniu z zakupem już spiłowanych metali: (i) zakup kawałków lub wlewków jest znacznie bardziej ekonomiczny oraz (ii) świeżo spiłowany meta...

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

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Dziękujemy za wsparcie finansowe od ANR (ANR-15-CE29-0020-01, ACTIV-CF-LAN), CNRS, ICMR, Université de Reims Champagne Ardenne, ENSCM i ICGM. Dziękujemy Carine Machado i Anthony'emu Robertowi za pomoc w analizie EI-MS i NMR.

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Sztabka dysprozuStrem93-6637Przechowywać pod azotem/argonem
Bezwodny chlorek glinuAlfa Aesar88488Przechowywać pod azotem/argonem
Jod 99,5% do analizyAcross Organics212491000
THF GPR RectapurVWR Chemicals28552.324Suszony i destylowany nad Na/benzofenonem przed użyciem
Komora rękawicowaMBraunW atmosferze azotu

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Molander, G. A. Application of Lanthanide Reagents in Organic Synthesis. Chem. Rev. 92 (1), 29-68 (1992).
  2. Girard, P., Namy, J. L., Kagan, H. B. Divalent Lanthanide Derivatives in Organic Synthesis. 1. Mild Preparation of SmI2 and YbI2 and Their Use as Reducing or Coupling Agents. J. Am. Chem. Soc. 102 (8), 2693-2698 (1980).
  3. Wu, S., Li, Y., Zhang, S. α-Regioselective Barbier Reaction of Carbonyl Compounds and Allyl Halides Mediated by Praseodymium. J. Org. Chem. 81 (17), 8070-8076 (2016).
  4. Umeda, R., Ninomiya, M., Nishino, T., Kishida, M., Toiya, S., Saito, T., Nishiyama, Y., Sonoda, N. A Novel Lanthanum Metal-assisted Reaction of Diaryl Ketones and Electrophiles. Tetrahedron. 71 (8), 1287-1291 (2015).
  5. Chen, W., Li, K., Hu, Z., Wang, L., Lai, G., Li, Z. Utility of Dysprosium as a Reductant in Coupling Reactions of Acyl Chlorides: The Synthesis of Amides and Diaryl-Substituted Acetylenes. Organometallics. 30 (7), 2026-2030 (2011).
  6. Concellón, J. M., Rodríguez-Solla, H., Concellón, C., del Amo, V. Stereospecific and Highly Stereoselective Cyclopropanation Reactions Promoted by Samarium. Chem. Soc. Rev. 39 (11), 4103-4113 (2010).
  7. Bousrez, G., Dechamps, I., Vasse, J. -L., Jaroschik, F. Reduction of Titanocene Dichloride with Dysprosium: Access to a Stable Titanocene(II) Equivalent for Phosphite-free Takeda Carbonyl Olefination. Dalton. Trans. 44 (20), 9359-9362 (2015).
  8. Bousrez, G., Jaroschik, F., Martinez, A., Harakat, D., Nicolas, E., Le Goff, X. F., Szymoniak, J. Reactivity Differences Between 2,4- and 2,5-Disubstituted Zirconacyclopentadienes: A Highly Selective and General Approach to 2,4-Disubstituted Phospholes. Dalton. Trans. 42 (30), 10997-11004 (2013).
  9. Klahn, M., Rosenthal, U. An Update on Recent Stoichiometric and Catalytic C-F Bond Cleavage Reactions by Lanthanide and Group 4 Transition-Metal Complexes. Organometallics. 31 (4), 1235-1244 (2012).
  10. Deacon, G. B., Junk, P. C., Kelly, R. P., Wang, J. Exploring the Effect of the Ln(III)/Ln(II) Redox Potential on C-F Activation and on Oxidation of Some Lanthanoid Organoamides. Dalton Trans. 45 (4), 1422-1435 (2016).
  11. Träff, A. M., Janjetovic, M., Ta, L., Hilmersson, G. Selective C-F Bond Activation: Substitution of Unactivated Alkyl Fluorides using YbI3. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (46), 12073-12076 (2013).
  12. Deacon, G. B., Jaroschik, F., Junk, P. C., Kelly, R. P. A Divalent Heteroleptic Lanthanoid Fluoride Complex Stabilised by the Tetraphenylcyclopentadienyl Ligand, Arising From C-F Activation of Pentafluorobenzene. Chem. Commun. 50 (73), 10655-10657 (2014).
  13. Kumar, T., Massicot, F., Harakat, D., Chevreux, S., Martinez, A., Bordolinska, K., Preethanuj, P., Kokkuvayil Vasu, R., Behr, J. -B., Vasse, J. -L., Jaroschik, F. Generation of ε,ε-Difluorinated Metal-Pentadienyl Species through Lanthanide-Mediated C-F Activation. Chem. Eur. J. 23 (65), 16460-16465 (2017).
  14. Philips, F., Maria, A. Organocatalytic Asymmetric Nitro-Michael Reactions. Curr. Org. Synth. 13 (5), 687-725 (2016).
  15. Zhang, X., Cao, S. Recent Advances in the Synthesis and CF Functionalization of Gem-difluoroalkenes. Tetrahedron Lett. 58 (5), 375-392 (2017).
  16. Kodukulla, R. P. K., Trivedi, G. K., Vora, J. D., Mathur, H. H. Synthesis, Chemical Transformation and Antimicrobial Activity of a Novel Class of Nitroolefins: 1,3-Diaryl-2-nitroprop-1-enes. Synth. Commun. 24 (6), 819-832 (1994).

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

Lanthanide MetalsC F ActivationTrifluoromethylated BenzofulveneDifluoroalkene SynthesisAnhydrous ConditionsSchlenk TechniquesGlovebox HandlingAluminum ChlorideNitroalkene AdditionSilica Gel Chromatography

Powiązane artykuły