Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Microgolf-geassisteerde Intramoleculaire dehydrogenerende Diels-Alder reacties voor de synthese van gefunctionaliseerde naftalenen / Solvatochromic Kleurstoffen

Published: April 1, 2013 doi: 10.3791/50511
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Chemistry, University of Pittsburgh

Summary

Microgolf-geassisteerde intramoleculaire dehydrogenerende Diels-Alder (DA) reacties geven beknopt toegang tot gefunctionaliseerde cyclopenta [

Abstract

Gefunctionaliseerde naftalenen hebben toepassingen in verschillende onderzoeksgebieden variërend van de synthese van natuurlijke biologisch actieve moleculen aan de voorbereiding van nieuwe biologische kleurstoffen. Hoewel een groot aantal strategieën is gemeld naftaleen scaffolds toegang vele procedures nog aanwezige beperkingen qua waarin functionaliteit, waardoor verkleint het bereik van beschikbare substraten. De ontwikkeling van veelzijdige methoden voor directe toegang tot gesubstitueerde naftalenen is derhalve zeer gewenst.

De Diels-Alder (DA) cycloadditiereactie is een krachtige en aantrekkelijke methode voor de vorming van verzadigde en onverzadigde ringsystemen uit gemakkelijk verkrijgbare uitgangsmaterialen. Een nieuwe microgolven intramoleculaire dehydrogenerende DA reactie van styrenyl derivaten beschreven genereert verschillende gefunctionaliseerde cyclopenta [b] naftalenen die niet konden worden bereid met bestaande synthesemethodes. In vergelijking met conventionele verwarming, microgolfbestraling versnelt reactiesnelheden, verhoogt de opbrengst en beperkt de vorming van ongewenste bijproducten.

Het nut van dit protocol wordt verder aangetoond door de omzetting van een DA cycloadduct in a novel solvatochromic fluorescerende kleurstof via een Buchwald-Hartwig palladium gekatalyseerde cross-koppelingsreactie. Fluorescentie spectroscopie, als een informatieve en gevoelige analytische techniek, speelt een belangrijke rol in het onderzoek gebieden met inbegrip van milieu-wetenschap, geneeskunde, farmacologie, en cellulaire biologie. Toegang tot een verscheidenheid van nieuwe biologische fluoroforen die de microgolven dehydrogenerende DA reactie wordt verdere vooruitgang in deze gebieden.

Introduction

Kleine molecule ontwerp en synthese is essentieel voor de ontwikkeling van verschillende wetenschappelijke gebieden die geneesmiddelen, pesticiden, organische kleurstoffen, en veel meer 1 omvat. De Diels-Alder (DA) en dehydro-Diels-Alder (DDA) reacties zijn bijzonder krachtige hulpmiddelen in de synthese van kleine cyclische en aromatische verbindingen 2-4. Bovendien thermische dehydrogenerende DA reacties van styreen diënen met alkyne dienofielen een potentieel gunstige route voor de synthese van aromatische verbindingen door eerst vormen cycloadducts dat verder kan aromatiseren onder oxidatieve omstandigheden 5. Door toepassing van een thermische intramoleculaire dehydrogenerende DA reactie van styreen diënen met alkynen, de typische problemen geassocieerd met het gebruik styreen als dieen, zoals ongewenste [2 + 2] cycloadditie 5,6 en polymerisatiereacties armen 7 en regioselectiviteit, worden verlicht en naftaleen verbindingen kunnen worden gegenereerd.

De thermische intramoleculaire dehydrogenerende DA reactie van styrenen met alkynen niet zonder aanzienlijke problemen. Eerste meeste reacties lijden aan lage opbrengsten, lange reactietijden en hoge reactietemperaturen 8-11. Daarnaast hebben veel reacties niet bevorderlijk voor exclusieve vorming van het naftaleen product, zowel naftaleen en dihydronaftaleen worden geproduceerd, vaak als onlosmakelijk met elkaar verbonden mengsels door kolomchromatografie 11,12. De afmeerkabels van de precursor styreen-Ynes ook beperkt tot heteroatomen en / of carbonyl groepen omvatten. Slechts een voorbeeld vermeld voor een alle koolstofhoudende tether, waarbij omstandigheden van 250 ° C gedurende 48 uur netjes om naftaleen vorming 10 verkrijgen.

Naast beperkte variatie in de afmeerkabels van de uitgangsmaterialen, een van de meest ernstige beperkingen van deze methodologie is het gebrek aan functionaliteit getolereerd de conventionele thermische omstandigheden.De alkyn terminus van het uitgangsmateriaal wordt ofwel gesubstitueerd of toegevoegd met een fenyl of trimethylsilyl (TMS) groep 8-13. In een geval wordt een ester aan de alkyne terminus getoond aan de dehydrogenerende DA reactie ondergaan, maar dit resulteert in een mengsel van naftaleen en dihydronaftaleen producten 11. Een later voorstel houdt in dat een TMS groep toegevoegd aan de alkyn eindpunt nodig is om exclusieve naftaleen vorming in hoge opbrengsten 10 te bereiken. De deficiëntie van diverse functies gerapporteerd voor thermische dehydrogenerende DA reacties ernstige beperking van de mogelijkheden van deze reactie naar het samenstel van naftaleen unieke structuren.

Het verlangen naar variatie in naftaleen structuren komt voort uit hun functie als klein molecuul bouwstenen in verschillende wetenschappelijke gebieden, in het bijzonder organische fluorescente kleurstoffen 14,15. De uitstekende ruimtelijke resolutie en reactie-tijden van kleine organische kleurstoffen voor het bewaken real-time events 16 heeft geleid tot de ontwikkeling van honderden handel verkrijgbare fluorescerende verbindingen. Veel van deze kleurstoffen zijn naftalenen met discrete fotofysische en chemische eigenschappen 15. Het kiezen van fluorescerende kleurstoffen met specifieke eigenschappen voor afzonderlijke functies te controleren is een uitdaging, wat leidt tot een toenemende behoefte aan nieuwe klassen van fluoroforen met meer diverse fotofysische eigenschappen. Hiertoe zou een thermische intramoleculaire dehydrogenerende DA reactie van styrenen met alkynen dat zorgt voor diversificatie van een unieke naftaleen scaffold potentieel nuttig met toepassing op de ontwikkeling van nieuwe naftaleen-met fluorescerende kleurstoffen.

Als alternatief voor conventionele verwarming, microgolven chemie is voordelig omdat het meer uniforme opwarming van de chemische monster, wat leidt tot hogere opbrengsten chemische, snellere reactiesnelheden, milder reactieomstandighedens en vaak verschillende selectiviteit van producten 17. Gebruikmakend microgolven versus conventionele verwarmingsomstandigheden voor intramoleculaire dehydrogenerende DA reactie van styrenen dient om veel van de problemen in verband met deze methode te elimineren door reductiereactie van dagen tot minuten, waardoor het slechte opbrengsten verlagen reactietemperaturen en met meer selectieve vorming van het gewenste product naftaleen. Microgolven reactieomstandigheden kan ook eerder opname van een grotere verscheidenheid aan functies gemakkelijker in het naftaleen producten die voorheen onbereikbaar. Slechts een vorige voorbeeld is gemeld gebruik microgolven voorwaarden voor de dehydrogenerende DA reactie waarbij een 90% opbrengst van zowel naftaleen en dihydronaftaleen werd verkregen in slechts 15 min bij 170 ° C 12.

Hierin wordt melding gemaakt van een microgolf-geassisteerde intramoleculaire dehydrogenatieve DA reactie van styrenyl derivaten die leidt tot de exclusieve vorming van gefunctionaliseerde en diverse naftaleen producten in slechts 30 min en hoog kwantitatieve opbrengsten 18. Het nut van dit protocol wordt verder aangetoond door de one-step omzetting van een naftaleen product in a novel solvatochromic fluorescente kleurstof met fotofysische eigenschappen die die van de populaire in de handel verkrijgbare kleurstof Prodan 19 wedijveren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Microgolf-geassisteerde dehydrogenerende DA Reactie

  1. Voeg de para-chloor-styreenderivaat (0,045 g, 0,18 mmol) en 1,2-dichloorethaan (3 ml) in een 2-5 ml microgolfbestraling flesje uitgerust met een roerstaaf een 0,060 M oplossing. Deze concentratie wordt gebruikt omdat hogere concentraties leiden tot de vorming van ongewenste producten.
  2. Cap de microgolfbestraling flacon en plaats deze in de magnetron synthesizer holte.
  3. Bestralen de oplossing bij 180 ° C gedurende 200 minuten onder roeren en met vaste wachttijd op. De hold tijd is hoe lang bestraling zal plaatsvinden op de aangewezen temperatuur. Het reactiemengsel goudbruin van kleur. Langere reactietijden niet schadelijk zijn voor de opbrengst van de reactie.
  4. Bevestig de reactie voltooid met dunnelaagchromatografie (TLC) onder toepassing van 5% ethylacetaat / hexaan als eluens. Visualiseer de TLC-plaat met UV-licht en kaliumpermanganaat vlek. De Rf van de reactant en product 0,2 en 0,25, respectievelijk.
  5. Breng het reactiemengsel over in een scintillatieflesje met 1 ml 1,2-dichloorethaan de magnetron reactieflacon spoelen. Dit resulteert in ongeveer 3 ml oplossing in de scintillatieflesje.
  6. Concentreer de inhoud van de scintillatieflesje onder verminderde druk bij 40 ° C met een rotatieverdamper (10-30 mmHg). Verdamping van het oplosmiddel vereist 5-10 min, en 45 mg van een ruwe bruine olie wordt verkregen. De ruwe olie is stabiel en kan oneindig worden opgeslagen zonder ontleding.
  7. Zuiver het ruwe olie door filtratie door een pipet van silicagel met 5% ethylacetaat / hexaan als eluens om 41 mg naftaleen verkrijgen als een witte vaste stof.
  8. Bevestigen van de identiteit van het product door 1H nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie met gedeutereerd chloroform (CDCI3) als oplosmiddel. Een 300 MHz NMR spectrometer, het 1H NMR spectrum van naftaleen als volgt: 7,80 (d, J = 1,8 Hz, 1H), 7,72 (d, J = 9,0 Hz, 1H), 7,70 (s, 1H), 7,38 (dd, J = 1,8, 9,0 Hz, 1H), 3,07 (t, J = 7,1 Hz , 4H), 2,66 (s, 3H), 2,18 (p, J = 7,1 Hz, 2H) ppm.

2. Buchwald-Hartwig Palladium gekatalyseerde kruiskoppeling Reaction

  1. Voeg RuPhos palladacycle (3 mg, 0,004 mmol) in een oven gedroogd 0,5-2 ml Biotage microgolfbestraling injectieflacon met een roerstaaf en cap de flacon.
  2. Evacueer en vul de flacon met stikstof drie keer door het doorboren van het septum van de dop met een dunne naald. Zodra zuivering van de flacon is voltooid, verwijder de naald. De microgolfbestraling ampul is als een afgesloten buis gedurende de reactie en de beste resultaten worden verkregen wanneer minimaal lucht aanwezig is in het reactievat.
  3. Door het septum, voeg lithium bis (trimethylsilyl) amide (0,32 ml van een 1,0 M oplossing in THF, 0,32 mmol) via een spuit onder roeren. De oplossing wordt rood.
  4. Na roeren gedurende 2-10 min, voeg naftaleen (0,038 g,0,16 mmol) in 0,3 ml watervrije tetrahydrofuran (THF) met een injectiespuit. Extra THF (tot 0,2 ml) kan worden gebruikt om volledig oplossen van de naftaleen.
  5. Na 2-10 min roeren, voeg dimethylamine (0,12 ml van een 2,0 M oplossing in THF, 0,24 mmol) via een spuit en laat het reactievat in een voorverwarmde 85 ° C oliebad.
  6. Verwarm het reactiemengsel gedurende 3 uur bij 85 ° C of totdat de reactie volledig volgens TLC. Het reactiemengsel donkerbruin van kleur. Voor TLC, gebruik 20% ethylacetaat / hexaan als eluens en het resulterende visualiseren plaat met UV licht en kaliumpermanganaat vlek. De Rf van het reactant en product 0,5 en 0,4 respectievelijk.
  7. Koel het reactiemengsel tot kamertemperatuur, verwijder de dop, en doof de reactie met verzadigde waterige ammoniumchlorideoplossing (10 ml).
  8. Met een 60 ml scheitrechter, de waterige laag gescheiden van de organische laag. Extraheer de waterige laag driemaal met ethylacetaat (12 ml).
  9. Combineer de organische lagen in de scheitrechter en was eenmaal met pekel (15 ml).
  10. Droog de gecombineerde organische lagen boven natriumsulfaat gedurende 10 min, en het natriumsulfaat verwijderd door de zwaartekracht filtratie.
  11. Behulp van een rotatieverdamper, concentreren de resulterende oplossing onder verminderde druk bij 30 ° C (10-30 mmHg). Verdamping van het oplosmiddel vereist 5-10 min en een ruwe bruine olie wordt verkregen.
  12. Zuiver het ruwe product door kolomchromatografie over silicagel met een 1,5 cm chromatografiekolom en 5% ethylacetaat / hexanen als eluent. De kleurstof wordt verkregen als 27 mg van een gele vaste stof.
  13. Bevestigen van de identiteit van het product met 1H NMR spectroscopie met CDCI3 als oplosmiddel. Een 400 MHz NMR spectrometer, het 1H NMR spectrum van de kleurstof als volgt: 7,64 (d, J = 9,0 Hz, 1H), 7,56 (s, 1H), 7,11 (dd, J = 2,5, 9,0 Hz, 1H ), 6,87 (d, J = 2,5 Hz, 1H), 3,02 (s, 6H), 3,02 tot 2,87 (m, 4H), 2,65 (s, 3H), 2,12 (p, J = 7,3 Hz, 2H) ppm.

3. Voorbereiding van Dye Oplossing voor Fotofysische Studies

  1. Breng 1 mg van de kleurstof in een schone, droge 10 ml maatkolf en vul aan met dichloormethaan (DCM) met een 0,4 x 10 -3 M stock oplossing van de kleurstof te verkrijgen.
  2. Breng 253 pi van de stock oplossing een tweede 10 ml maatkolf en vul aan met DCM een 1 x 10 -5 M oplossing van de kleurstof te bereiden. Deze oplossing wordt gebruikt om zowel de UV-Vis en de fluorescentiegegevens voor de kleurstof verzamelen.

4. UV-zichtbaar Absorptie Spectroscopie

  1. Vul twee kwarts cuvetten met DCM. Dit zijn de blanco monsters. Plaats ze in de UV-Vis spectrofotometer holte. Raak de optische oppervlakken van de cel. Behandel de cellen aan de bovenkant van de zijplaten die niet met de optische as.
  2. Stel de instrumentale parameterseen spleetbreedte van 2 en verkrijging van 480 nm / min. Kies een naam voor het monster en selecteer een acquisitie bereik van 600 tot 200 nm.
  3. Verzamel de achtergrond spectrum, verwijdert u het monster cel van het instrument, legen en spoelen met verschillende delen van de 1 x 10 -5 M kleurstofoplossing voor het vullen. Vermijd teveel vullen van de cel. Voordat u het monster cel terug in de houder, veeg de cel ramen met een schone lens tissue.
  4. Verzamel het absorptiespectrum van het monster. Het absorptiemaximum wordt waargenomen op 377 nm.
  5. Reinig de kwarts cuvetten met water, aceton en ethanol voordat u UV-Vis absorptie analyses op andere monsters.
  6. Gebruik Excel of Origin software te plotten en analyseren van de verzamelde gegevens.

5. Fluorescentie Emission Spectroscopy

  1. Vul een kwarts fluorometer cel met de 1 x 10 -5 M kleurstof oplossing en plaats deze in de spectrofluorometer. Vermijd huidcontact met de optische oppervlakken van de cel.
  2. Stel de instrumentale parameters: excitatie golflengte 334 nm, spleetbreedte van 2, overname van 0,1 nm / sec, overname bereik 390 tot 750 nm. Een 390 nm cut-on filter is nodig om verstrooid licht uit de emissiebron te verwijderen.
  3. Verzamel de fluorescentie-emissie spectrum van het monster. De fluorescentie emissie maximum waargenomen bij 510 nm.
  4. Maak het kwartsglas fluorometer cel met water, aceton en ethanol voordat u fluorescentie analyses op andere monsters.
  5. Gebruik Excel of Origin software te plotten en analyseren van de verzamelde gegevens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Microgolfbestraling (MWI) van styrenyl derivaten bij 180 ° C in volledige cyclopenta [b] naftaleen vorming in slechts 30 min en hoog kwantitatieve opbrengsten (figuur 1) 18. Dihydronaftaleen geen bijproduct wordt waargenomen, en met 1H NMR spectroscopie producten verschijnen pure zonder verdere zuivering na bestraling (figuur 2). Verschillende wijzigingen in het kader naftaleen goed verdragen gebruik van deze thermische omstandigheden, zoals wijzigingen in de ketting en het substitutiepatroon van de naftaleenring, opname van een reeks elektronen-onttrekkende groep, en wijziging van de locatie van de electronenzuigende groep maken gesmolten cyclopentanon producten.

De synthese van fluoroforen volgt een tweestaps protocol van microgolven dehydrogenerende DA reactie gevolgd door een Buchwald-Hartwig palladium-catalyzed cross-coupling reactie. Een representatief voorbeeld van fluorofoor synthese wordt afgebeeld in figuur 3. Een para-chloor-gesubstitueerde styreen wordt gecycliseerd onder de bovengenoemde omstandigheden en daarna onderworpen aan palladium-gekatalyseerde cross-koppelingsomstandigheden met RuPhos palladacycle, LHMDS en dimethylamine de gewenste fluorescerende kleurstof te produceren.

De fotofysische eigenschappen van de kleurstof zijn onderzocht in diverse oplosmiddelen met verschillende polariteit 19. Voor zowel UV-Vis absorptie spectroscopie en fluorescentie-emissie metingen worden 1 x 10 -5 M oplossingen van de fluorescerende stof in 10 mm kwarts cellen geanalyseerd onder toepassing van een excitatie golflengte van 334 nm voor fluorescentie analyses en 2 nm spleetwijdte. Een Excel software Origin of kan worden gebruikt voor normaliseren en plot de verzamelde gegevens en de absorptie en emissie maxima van de monsters 20 berekenen. Zoals getoond in figuren 4 en

Figuur 1
Figuur 1. Omvang van de microgolf-geassisteerde dehydrogenerende DA reactie. MWI van oplossingen van precursoren styrenyl in 1,2-dichloorethaan of o-dichloorbenzeen bij 180 ° C leverde naftaleen verbindingen met variaties in ketting en naftaleen substitutiepatroon (bovenste rij), elektronenzuigende substituent (tweede rij), en de locatie van het elektron onttrekkende groep (derde rij). Reactietijden en opbrengst zich onder elke structuur en sterretjes duiden reacties die werden uitgevoerd bijhogere temperatuur (225 ° C of hoger) de reactietijd 18 verminderen. Klik hier om groter bedrag bekijken .

Figuur 2
Figuur 2. 1H NMR spectrum van naftaleen product. Een 1H NMR spectrum van het product in naftaleen CDCI3 blijkt dat het ruwe product zonder verdere zuivering vereist en dat er geen verontreiniging met dihydronaftaleen bijproduct. Klik hier om groter bedrag bekijken .

Figuur 3
Figuur 3.. Synthetische strategie solvatochromic fluorescente kleurstoffen maakt volgende reactieomstandigheden werden gebruikt om de representatieve fluorescerende stof produceren: a) MWI, 180 ° C, DCE (0,060 M), 200 min, 100% opbrengst; b) Dimethylamine (1,5 equiv), LHMDS (2 equiv), RuPhos palladacycle (2,5 mol%), THF, N 2, 3 uur, 85 ° C, 70% opbrengst 18.

Figuur 4
Figuur 4. Solvatochromism van de representatieve kleurstof Van links naar rechts:. Fluorescente kleurstof opgelost in tolueen, 1,4-dioxaan, DCM, en dimethylsulfoxide (DMSO), en waargenomen onder lange golf UV-licht 19.

Figuur 5
Figuur 5. Fotofysische eigenschappen van de vertegenwoordiger fluorescente kleurstof. Genormaliseerde absorptie (dash) en fluorescentie (vast) spectra van de nieuwe fluorescerende kleurstof in cyclohexaan, tolueen, 1,4-dioxaan, THF, DCM, chloroform, acetonitril (MeCN), DMSO en ethanol. Het absorptiespectrum werd opgenomen in DCM en fluorescentie gegevens werden verzameld door analyse van 1 x 10 -5 M oplossingen van de fluorescente kleurstoffen in kwartscellen van 10 mm. De excitatie golflengte voor fluorescentie analyse was 334 nm 19. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Microgolf-geassisteerde dehydrogenerende DA Reactie

De intramoleculaire reactie van dehydrogenerende DA styrenyl precursors van microgolfbestraling (MWI) produceert diverse naftaleen structuren in hoge opbrengsten van 71-100% en korte reactietijden, die slechts 30 min (figuur 1) 18. Het moeilijkste aspect van het uitvoeren van de dehydrogenerende DA reactie oplosmiddelkeuze, vaak gecompliceerd omdat verschillende eigenschappen van het oplosmiddel moet worden beschouwd optimale verwarming te verzekeren. Allereerst moet een succesvolle reactie mogelijk in een oplosmiddel dat compatibel is met magnetron voorwaarden. Factoren zoals kookpunt, microgolfabsorptie, polariteit en hoeveelheid oplosmiddel in de magnetron injectieflacon allemaal invloed verwarming en reactie resultaten. Zowel 1,2-dichloorethaan (DCE) en o-dichloorbenzeen (DCB) geschikt MWI oplosmiddelen voor de dehydrogenerende DA reactie, maar soms DCE has moeilijk te bereiken 180 ° C door MWI. Dit probleem wordt opgelost door het toevoegen van meer oplosmiddel recapping de MWI houder of uitvoeren van de reactie in DCB, dat een betere magnetron absorber dan DCE en een hoger kookpunt. Reactie voortgang wordt gevolgd door TLC, vooral als de omvang van de reactie wordt verhoogd omdat dit de tijd van de reactie verlengen. Terwijl de meeste substraten gemeld te ondergaan cyclisatie bij 180 ° C, verhitting op 225 ° C in DCB dient de reactietijd significant verminderen voorbeelden waarbij reactietijden groter dan 200 min bij 180 ° C. Slechts een voorbeeld over een naftaleen met een gefuseerde cyclohexaanring vereist een temperatuur van 300 ° C om de reactie te voltooien, oprichting als de eerste gerapporteerde voorbeeld van een cyclohexaan-gecondenseerde naftaleen scaffold gegenereerd via een dehydrogenerende DA reactie. Deze resultaten verschillen sterk van de vorige werken waarin naftalenen werden geproduceerd onder conventionele verwarming omstandigheden, maar vereist extended verwarming en lagere opbrengsten van de naftaleen producten werden verkregen 8,9. Ook wanneer de cyclisatie weergegeven in figuur 3 wordt uitgevoerd in een 180 ° C oliebad het reactiemengsel vereist 2 dagen in beslag in een 61% opbrengst. Dit is een drastische verschil met de 200 min en kwantitatieve opbrengst waargenomen gebruik te maken van MWI voorwaarden 18.

Naast de reactie versnellen en verhogen van de opbrengst, de microgolven dehydrogenerende DA reactiemengsel bevat een grote hoeveelheid functionaliteit niet eerder getolereerd conventionele verwarming omstandigheden. Chloor substitutie op verschillende posities van de styreen maakt vorming van unieke scaffolds naftaleen producten (figuur 1). Bovendien meeste conventionele verwarming slechts voorbeelden omvatten substitutie van non-elektronenzuigende groepen aan het uiteinde van de alkyn van het uitgangsmateriaal 8-13. Alleen voorbeelden including substitutie van een TMS groep aan het alkyn resulteerde in een exclusieve naftaleen vorming in hoge opbrengsten 10,13. Figuur 1 toont een reeks van elektronenaantrekkende functionaliteit die kan worden opgenomen door toepassing van de microgolven dehydrogenerende DA reactie die ketonen, aldehyden bevat , esters, sulfonen, sulfoxiden, en fosfonaten. Hoewel de reactie optreedt gemakkelijk met elektronenzuigende substitutie op de alkyn terminus, gesubstitueerd alkyn of TMS gesubstitueerd alkyn precursors niet cyclisatie ondergaan.

Tenslotte de microgolven dehydrogenerende DA reactie verhoogt niet alleen de omvang van haalbare cyclopenta [b] naftaleen verbindingen (figuur 1), maar produceert deze naftalenen zonder verontreiniging met ongewenste dihydronaftaleen. Wijzigingen in de styreen-yn ketting door een keton of propargyl groep diester ook mogelijk om verschillende kaders van Naphthalene zonder bijproduct formatie. Eerdere voorbeelden van de dehydrogenerende DA reactie van styrenen zijn beperkt tot uitgangsmaterialen die heteroatomen en / of carbonylen in het styreen-yn tether 8-13 omvatten. Slechts een voorbeeld rapporteerde een cyclopenta [b] naftaleen gevormd uit een styreen-yn dat een alle koolstof ketting 10. Terwijl styreen-Ynes met alle koolstof afmeerkabels geven exclusieve vorming van het naftaleen via de microgolven reactie, beperking van deze methode is dat de opname van heteroatomen, zoals stikstof of zuurstofatomen, in de ketting produceren mengsels van producten.

Buchwald-Hartwig Palladium gekatalyseerde kruiskoppeling Reaction

De Buchwald-Hartwig palladium gekatalyseerde cross-koppelingsreactie is een stap transformatie van de naftalenen door de microgolven dehydrogenerende DA reactie in nieuwe fluorescente kleurstoffen. Hoewel zuivering van thij naftalenen gegenereerd uit de DA reactie niet nodig voor een succesvolle palladium gekatalyseerde cross-koppelingsreactie, het verhoogt het rendement van de kruiskoppeling. Eenvoudige filtratie door een prop silicagel substantieel naar de DA adduct zuiveren en heeft slechts een 5-10% vermindering van het rendement van de microgolven reactie. Koppeling van deze naftaleen met een amine gebruik RuPhos palladacycle resulteert in een 70% opbrengst van de kruiskoppeling product (Figuur 3) 19. De beste resultaten voor de cross-koppeling worden verkregen wanneer nieuwe reagentia, zoals LHMDS en dimethylamine worden gebruikt, en wanneer zorg is genomen om een ​​inerte reactie milieu te handhaven.

UV-Vis absorptie en fluorescentie-emissie spectroscopie

De fotofysische eigenschappen van de kleurstof werd bestudeerd met 1 x 10 -5 M oplossingen voor zowel UV-Vis absorptie en fluorescentie-emissie spectroscopie. Daarbij absorbance waarden tussen 0,01 en 0,1 werden verkregen bij een golflengte van 334 nm, evenals goede signaal-ruisverhoudingen. Concentratie van monsters worden gekozen om absorptiewaarden geven in het bereik van 0,01 tot 0,1.

De intensiteit van de fluorescentie van het monster wordt verminderd door een groot aantal factoren, waaronder de kwaliteit van de gebruikte oplosmiddelen en de aanwezigheid van zuurstof in het monster dat wordt geanalyseerd. Om dit probleem te omzeilen, kunnen spectroscopische gehalte oplosmiddelen worden gebruikt om de kleurstofoplossingen bereiden. Bovendien worden de beste resultaten gewoonlijk verkregen door ontgassing het monster met een inert gas, zoals stikstof of argon, vóór verzamelen spectroscopische gegevens.

De fotofysische eigenschappen van de nieuwe kleurstof worden vergeleken met commercieel verkrijgbare fluorescerende kleurstof Prodan een verbeterde solvatochromism van de kleurstof over Prodan tonen. Bijvoorbeeld de bathochromic verschuiving van de fluorescentie-emissie maxima uit tolueen ethanol is 112 nm voor dedye versus slechts 69 nm voor Prodan. Bovendien is de nieuwe fluorofoor vertoont een Stokes verschuiving van 133 nm en fluorescentie-emissie maximum van 510 nm in dichloormethaan, een dramatische toename van de 85 nm Stokes shift en 440 nm emissie maximaal Prodan 19. Roodverschoven emissies van bijzonder belang voor biologische toepassingen waar de natuurlijke fluorescentie van biomoleculen kan de detectie van fluoroforen uitzenden en absorberen bij kortere golflengtes beperken. Deze resultaten bevestigen de toepasbaarheid van dit protocol om de synthese van waardevolle fluorescerende kleurstoffen.

Toepassingen en conclusies

Uitvoering van de microgolven dehydrogenerende DA reactie in de synthese van nieuwe solvatochromic fluorescerende kleurstoffen slechts een veelzijdige toepassing van deze methodologie. Naast het onderzoek van de solvatochromism de synthetische kleurstoffen, kan deze reactie worden gebruikt om verschillende fluorescerende verbindingen te synthetiseren met interesting fotofysische eigenschappen doordat voor unieke functionalisering van naftaleen structuren. Ook de snelle en gemakkelijke synthese van naftalenen via microgolven deze methode zou een doelmatige route naar de synthese van zeer gefunctionaliseerde naftaleen-bevattende natuurlijke producten.

Kortom, de methode beschreven biedt beknopt toegang tot verschillende gefunctionaliseerde naftalenen, en een nieuwe solvatochromic kleurstof. De voornoemde voordelen en veelzijdigheid van de microgolven dehydrogenerende DA reactie zorgen voor verdere toepassingen de groeiende sector van de organische fluorescente kleurstoffen, evenals mogelijk om de synthese van natuurlijke en biologische moleculen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Acknowledgments

Wij danken de National Science Foundation (CHE0910597) en de National Institutes of Health (P50-GM067982) voor de ondersteuning van dit werk. We zijn dankbaar voor professor Michael Trakselis (University of Pittsburgh) voor nuttige discussies over fluorescentie metingen. Wij erkennen Kristy Gogick en Robin Sloan (Universiteit van Pittsburgh) voor hun hulp bij het verzamelen van fluorescentie data.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagent/Material
1,2-Dichlor–thane, ACS reagent ≥99.0% Sigma-Aldrich 319929
SiliaPlate G TLC - glass-backed, 250 μm Silicycle TLG-R10011B-323
Ethyl acetate, certified ACS ≥99.5% Fisher Scientific E14520
Hexanes, certified ACS ≥98.5% Fisher Scientific H29220
Silica gel, standard grade Sorbent Technologies 30930M 60 A, 40-63 μM (230 x 400 mesh)
RuPhos palladacycle Strem 46-0266
Nitrogen gas Matheson TRIGAS NI304 Nitrogen 304cf, industrial
Lithium bis(trimethylsilyl) amide solution Sigma-Aldrich 225770 1.0 M solution in THF
Tetrahydrofuran anhydrous ≥99.9% Sigma-Aldrich 401757 Inhibitor-free
Dimethylamine solution Sigma-Aldrich 391956 2.0 M solution in THF
Ammonium chloride Fisher Scientific A661-500
Sodium sulfate, anhydrous (granular) Fisher Scientific S421-500
Chromatography column Chemglass CG-1188-04 ½ in ID x 18in E.L.
Cyclohexane, ≥99.0% Fisher Scientific C556-1
Toluene anhydrous, 99.8% Sigma-Aldrich 24451
1,4-Dioxane anhydrous, 99.8% Sigma-Aldrich 296309
Tetrahydrofuran anhydrous, ≥99.9% Sigma-Aldrich 186562 250 ppm BHT as inhibitor
Dichloromethane Sigma-Aldrich 650463 Chromasolv Plus
Chloroform, ≥99.8% Fisher Scientific C298-1
Acetonitrile anhydrous, 99.8% Sigma-Aldrich 271004
Dimethyl sulfoxide, ≥99.9% Fisher Scientific D128
Ethyl alcohol Pharmco-AAPER 11ACS200 Absolute
Equipment
Microwave Synthesizer Biotage Biotage Initiator Exp
Microwave Vial Biotage 352016 0.5 – 2 ml
Microwave Vial Biotage 351521 2 – 5 ml
Microwave Vial Cap Biotage 352298
Microwave Synthesizer Anton Paar Monowave 300
Microwave Vial G4 Anton Paar 99135
Microwave Vial Cap Anton Paar 88882
NMR Spectrometer Bruker Avance 300 or 400 MHz
UV-Visible Spectrometer PerkinElmer Lamda 9
Spectrophotometer cell Starna Cells 29B-Q-10 Spectrosil quartz, path length 10 mm, semi-micro, black wall
Spectrofluorometer HORIBA Jobin Yvon FluoroMax-3 S4
Fluorometer cell Starna Cells 29F-Q-10 Spectrosil quartz, path length 10 mm, semi-micro

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wender, P. A., Miller, B. L. Synthesis at the molecular frontier. Nature. 460, 197-201 (2009).
  2. Takao, K. -i, Munakata, R., Tadano, K. -i Recent Advances in Natural Product Synthesis by Using Intramolecular Diels-Alder Reactions. Chem. Rev. 105 (12), 4779-4807 (2005).
  3. Winkler, J. D. Tandem Diels-Alder Cycloadditions in Organic Synthesis. Chem. Rev. 96 (1), 167-176 (1996).
  4. Wessig, P., Müller, G. The Dehydro-Diels-Alder Reaction. Chem. Rev. 108 (6), 2051-2063 (2008).
  5. Wagner-Jauregg, T. Thermische und photochemische Additionen von Dienophilen an Arene sowie deren Vinyloge und Hetero-Analoge; II. Synthesis. (10), 769-798 (1980).
  6. Ohno, H., et al. A Highly Regio- and Stereoselective Formation of Bicyclo[4.2.0]oct-5-ene Derivatives through Thermal Intramolecular [2 + 2] Cycloaddition of Allenes. J. Org. Chem. 72 (12), 4378-4389 (2007).
  7. Stille, J. K., Chung, D. C. Reaction of Vinylidene Cyanide with Styrene. Structure of the Cycloadduct and Copolymer. Macromolecules. 8 (1), 83-85 (1975).
  8. Klemm, L. H., Klemm, R. A., Santhanam, P. S., White, D. V. Intramolecular Diels-Alder reactions. VI. Synthesis of 3-hydroxymethyl-2-naphthoic acid lactones. J. Org. Chem. 36 (15), 2169-2172 (1971).
  9. Klemm, L. H., McGuire, T. M., Gopinath, K. W. Intramolecular Diels-Alder reactions. 10. Synthesis and cyclizations of some N-(cinnamyl and phenylpropargyl)cinnamamides and phenylpropiolamides. J. Org. Chem. 41 (15), 2571-2579 (1976).
  10. Ozawa, T., Kurahashi, T., Matsubara, S. Dehydrogenative Diels-Alder Reaction. Org. Lett. 13 (19), 5390-5393 (2011).
  11. Chackalamannil, S., et al. A facile Diels-Alder route to dihydronaphthofuranones. Tetrahedron Lett. 41 (21), 4043-4047 (2000).
  12. Ruijter, E., et al. Synthesis of Polycyclic Alkaloid-Type Compounds by an N-Acyliminium -Pictet-Spengler/Diels-Alder Sequence. Synlett. 2010, 2485-2489 (2010).
  13. Toyota, M., Terashima, S. A novel synthesis of the basic carbon framework of fredericamycin A. Promising routes for the spiro chiral center construction of the CD-ring system. Tetrahedron Lett. 30 (7), 829-832 (1989).
  14. de Koning, C. B., Rousseau, A. L., van Otterlo, W. A. L. Modern methods for the synthesis of substituted naphthalenes. Tetrahedron. 59 (1), 7-36 (2003).
  15. Johnson, I., Spence, M. T. Z. The Molecular Probes Handbook, A Guide to Fluorescent Probes and Labeling Technologies. , 11th ed, Life Technologies Corporation. Grand Island, NY. 1051 (2010).
  16. Fernández-Suárez, M., Ting, A. Y. Fluorescent probes for super-resolution imaging in living cells. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 9 (12), 929-943 (2008).
  17. Kappe, O. C., Dallinger, D., Murphree, S. Practical Microwave Synthesis for Organic Chemists. , Wiley-VCH. Weinheim. (2009).
  18. Kocsis, L. S., Benedetti, E., Brummond, K. M. A Thermal Dehydrogenative Diels-Alder Reaction of Styrenes for the Concise Synthesis of Functionalized Naphthalenes. Org. Lett. 14 (17), 4430-4433 (2012).
  19. Benedetti, E., Kocsis, L. S., Brummond, K. M. Synthesis and Photophysical Properties of a Series of Cyclopenta[b]naphthalene Solvatochromic Fluorophores. J. Am. Chem. Soc. 134 (30), 12418-12421 (2012).
  20. OriginLab Corporation. Origin 8 User Guide. , OriginLab. Northhampton, MA. (2007).

Tags

Chemie Chemical Engineering Fysische chemie Magnetron-geassisteerde synthese dehydrogenerende Diels-Alder reacties naftalenen fluorescente kleurstoffen solvatochromism katalysator
Microgolf-geassisteerde Intramoleculaire dehydrogenerende Diels-Alder reacties voor de synthese van gefunctionaliseerde naftalenen / Solvatochromic Kleurstoffen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kocsis, L. S., Benedetti, E.,… More

Kocsis, L. S., Benedetti, E., Brummond, K. M. Microwave-assisted Intramolecular Dehydrogenative Diels-Alder Reactions for the Synthesis of Functionalized Naphthalenes/Solvatochromic Dyes. J. Vis. Exp. (74), e50511, doi:10.3791/50511 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter