Summary
Qui viene descritta la sintesi, l'isolamento, e le reazioni di hypervalent iodonio alchinilici triflati (HIATs) con azidi per generare cyanocarbenes. Le procedure comporteranno tecniche aria sensibili e criogeno, incluse filtraggio a freddo sotto atmosfera inerte. Saranno inoltre discussi manipolazione e la sicurezza dei composti sintetizzati.
Abstract
Le procedure descritte in questo articolo riguardano la sintesi e l'isolamento di hypervalent iodonio alchinilici triflati (HIATs) e loro successive reazioni con azidi per formare intermedi cyanocarbene. La sintesi di hypervalent iodonio triflati alchinilici può essere facile, ma le difficoltà derivano dal loro isolamento e reattività. In particolare, la necessità di utilizzare filtrazione sotto atmosfera inerte a -45 ° C per alcuni HIATs richiede particolare cura e attrezzature. Una volta isolati, i composti possono essere memorizzati e utilizzati in reazioni con azidi per formare intermedi cyanocarbene.
L'evidenza di generazione cyanocarbene è indicato per estrusione visibile di diazoto e la caratterizzazione dei prodotti che si verificano dall'inserzione, OH, complessazione solfossido e ciclopropanazione. Una reazione secondaria di formazione cyanocarbene è la generazione di un vinilidene-carbene e le condizioni per controllare questo processo sono discussi. C'èanche potenziale di formare un alchenile triflato hypervalent iodonio e mezzi di isolamento e di controllo della sua generazione sono forniti. La reazione di inserimento OH comporta l'uso di un HIAT, sodio azide o tetrabutilammonio azide, e metanolo come solvente / substrato. La reazione solfossido complessazione utilizza un HIAT, sodio azide o tetrabutilammonio azide, e dimetilsolfossido come solvente. Le cyclopropanations possono essere effettuate con o senza l'uso di solventi. La fonte azide deve essere azide tetrabutilammonio e il substrato indicato è lo stirene.
Introduction
La continua evoluzione della chimica organica perno sulla progettazione e sviluppo di nuove reazioni. In particolare, la scoperta di nuove reazioni che consentono vie sintetiche inimmaginabili bear significato ultimo. A tal fine, il gruppo desiderato per convertire due atomi di carbonio di un alchino e un azoto di una azide in un cyanocarbene. 1 Questa trasformazione precedentemente sconosciuto consentirebbe un significativo aumento della complessità molecolare poiché il cyanocarbene reattiva sarebbe rapidamente reagire ulteriormente. Lo sforzo iniziale era di utilizzare un alchino nucleofila ed elettrofila azide, ma triazoli stati efficacemente formata in questo caso invece di cyanocarbenes. 2 Usando un approccio umpolung, il secondo metodo utilizza un azide e alchino nucleofila elettrofila e prodotti risultanti da reazioni cyanocarbene sono fortunatamente formata in questo caso. 3 Ci sono molte fonti di azide nucleofila, tuttavia, alchini elettrofili sonomolto meno comune. Il gruppo di Klaus Banert precedentemente segnalato il proof-of-concept per questa reazione utilizzando un alchinile-cloruro, 4 ma il nostro gruppo e il gruppo Banert indipendentemente e contemporaneamente ha stabilito che hypervalent iodonio alchinilico triflati (HIATs) sono elettrofili molto meglio per i motivi di stabilità e reattività. 3,6 Noi qui descrivono la sintesi, l'isolamento e la reazione di questi HIATs con azidi di formare e reagire in situ come cyanocarbenes.
Diversi precauzioni di sicurezza devono essere considerati prima di procedere con questi esperimenti. Alcuni triflati alchinilici hypervalent iodonio sono instabili e si decompongono, a volte violentemente, quando esposto all'aria e alla luce. 7 Per formare il cyanocarbene intermedio, la procedura richiede l'utilizzo di fonti azide. Azidi sono esplosivi e altamente tossico. 8 corretto equipaggiamento di protezione personale devono essere indossati quando si maneggia questi materiali, in particolare organostannici,e tutti manipolazione dei reagenti dovrebbe avvenire nelle cappe adeguatamente ventilati. Il cyanocarbene è un potente e instabile intermedio reattivo. Fare attenzione ad eseguire esperimenti inizialmente su piccole scale in modo che l'evoluzione azoto è controllabile e mai eseguire queste reazioni in sistemi chiusi. Se si desidera scale-up della reazione, si consiglia fortemente l'uso di uno schermo di sicurezza.
La sintesi di molti HIATs essere stata precedentemente pubblicata compreso l'uso di reagente di Zefirov 9,10, e il reagente di Koser, 9,11 tuttavia, questo video userà il cyanophenyliodonium triflato reagente 9,12 (Figura 1). Cyanophenyliodonium triflato è stato sintetizzato sulla base di una preparazione letteratura precedentemente riportato visualizzato. 13 Il reagente reagisce con trialchil-stagno alchini modificati 14 per formare il prodotto desiderato. Dopo il HIAT è sintetizzato e isolato può essere fatto reagire con azide per formareun reattivo cyanocarbene intermedio (Figura 2). Ci sono molti altri metodi che possono essere utilizzati per sintetizzare i alchini iodonio come l'utilizzo di silani alchinile 15 e alchinile esteri boronici 16 ma il metodo nel video è stato scelto perché, nella nostra esperienza, è meglio che l'efficienza e la resa.
Il nostro meccanismo proposto 3,5 (Figura 3) per questa reazione con l'aggiunta di una fonte azide alla β-carbonio del alchino, formando così una iodo-ylide che si decompone a iodobenzene e un vinilidene-carbene. Il vinilidene-carbene può quindi subire un 1,2-riarrangiamento attraverso la migrazione di una R-gruppo o azide di permettersi un alchinilico-azide. Il alchinile-azide poi estrude diazoto per formare un cyanocarbene che può reagire con un substrato. Va notato che non ci può essere la formazione di un hypervalent iodonio alchenile triflato specie, a seconda delle condizioni. Il sottoprodotto èfavorita a temperature più basse in solventi protici cui la protonazione del iodo-ylide è più veloce del riarrangiamento al azide alchinile. Un altro possibile prodotto che si verifica durante reazioni di inserzione OH è un vinil etere dove il vinilidene-carbene è intrappolato prima della ridisposizione alla può verificarsi alchinile-azide. La propensione a formare questa vinil etere è determinato dal gruppo R.
Uno dei principali vantaggi di questa reazione è che dopo la carbene reagisce, il gruppo nitrile risultante è una comoda maniglia per ulteriore funzionalizzazione. Molti sintoni possono essere immaginate con questo metodo e diversi prodotti possono essere formati con gli stessi substrati. Controllare la miscela di prodotto con la temperatura, la concentrazione e il gruppo R del alchino è necessario. 3 Con una corretta comprensione di come si comportano cyanocarbenes, il metodo mostra uno strumento efficace per aggiungere rapidamente complessità chimica per formare una molecola bersaglio. Esempi di come il cyanocarbene reagisce includono inserimento OH in cui l'atomo di ossigeno nucleofilo dell'alcool attacca il carbene e poi si verifica trasferimento di protoni, dimetilsolfossido complessazione, dove il carbene combina con l'atomo di zolfo, e dove il ciclopropanazione carbene reagisce con un alchene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sintesi di Phenyl HIAT
- Attrezzare un Pallone da 100 ml a fondo rotondo secco con un agitatore magnetico e hanno il matraccio sotto atmosfera di argon. Fissare il pallone a un supporto e posizionarlo in un bagno cryogen di acetonitrile e anidride carbonica solida pellet. Nota: Il cryogen dovrebbe essere di circa -45 ° C.
- Aggiungere 10 ml di diclorometano anidro al pallone freddo e che il solvente raggiunga la temperatura del criogeno. Nota: Lo spazio di testa eccesso nel pallone è importante per l'aggiunta di etere dietilico successivamente forzare precipitazione.
- Pesare 0,35 g (1 equiv.) Di cyanophenyliodonium triflato e rapidamente trasferirlo al pallone freddo. Nota: I solidi devono essere abbastanza insolubile a questa temperatura.
- Tarare la massa di una siringa vuota e quindi utilizzarlo pesare 0,37 g (1 equiv.) Di phenylethynyltributyltin.
- Iniettare il phenylethynyltributyltin nella soluzione fredda. Nota: La dissoluzione dei solidi è un'indicazione cheil HIAT è stato formato. Il tempo approssimativo di scioglimento è di 30 min.
- Aggiungere dietil etere ed esano per forzare precipitazione del prodotto. Nota: Se un precipitato non si forma, si evapora il solvente a pressione ridotta e aggiungere una miscela di dietil etere ed esano per forzare precipitazione del HIAT.
- Dotare una beuta da vuoto con un imbuto Büchner e versare la soluzione sul imbuto per filtrazione.
- Raccogliere i solidi e memorizzare fredda in un contenitore opaco.
2. Sintesi di n-pentile HIAT
- Attrezzare un secco 250 ml a tre colli pallone a fondo con un agitatore magnetico e hanno il matraccio sotto atmosfera di argon. Fissare il pallone a un supporto e posizionarlo in un bagno cryogen di acetonitrile e anidride carbonica solida pellet. Nota: Il cryogen dovrebbe essere di circa -45 ° C.
- Assemblare un apparato di filtrazione Schlenk sul pallone in modo che la filtrazione può essere eseguita rapidamente e ad una tem freddotemperatura. Grasso e serrare insieme ogni articolazione dell'apparato. Nota: Il sistema di filtrazione può essere costruito in vari modi, ma è importante che il sistema ha la capacità di spingere con gas inerte e tirare con un vuoto attraverso un filtro di vetro.
- Aggiungere 10 ml di diclorometano anidro al pallone freddo e che il solvente raggiunga la temperatura del criogeno. Nota: Lo spazio di testa eccesso nel pallone è importante per l'aggiunta di esano poi a forzare precipitazione.
- Pesare 0,35 g (1 equiv.) Di cyanophenyliodonium triflato e rapidamente trasferirlo al pallone freddo. Nota: I solidi devono essere abbastanza insolubile a questa temperatura.
- Tarare la massa di una siringa vuota e quindi utilizzarlo pesare 0,44 g (1 equiv.) Di tributilstagno heptyne.
- Iniettare la heptyne tributilstagno nella soluzione fredda. Nota: La dissoluzione dei solidi è un'indicazione che il HIAT è stato formato. Il tempo approssimativo di scioglimento è di 30 min.
- Iniettare 75 ml di hexane nello spazio di testa supplementare del pallone per formare un precipitato.
- Introdurre il pallone di raccolta sotto vuoto.
- Sganciare l'apparecchio dal supporto e inclinarlo accuratamente di versare la soluzione sul filtro di vetro. Aprire il vuoto pallone di raccolta per estrarre il liquido attraverso. Nota: Non lasciare che il vuoto per aspirare aria nel recipiente.
- Smontare l'apparecchio e raschiare i solidi fuori il filtro una volta che la filtrazione è completo. Una volta che il solido viene rimosso dal filtrato è meno aria e temperatura sensibile e può essere maneggiato all'aria aperta.
- Raccogliere i solidi e memorizzare fredda in un contenitore opaco.
3. OH Inserimento di Cyanocarbenes Realizzato da Fenil HIAT
- Attrezzare un 50 ml pallone a fondo rotondo secco con un agitatore magnetico e hanno il matraccio sotto atmosfera di argon. Fissare il pallone ad un piatto mescolare e iniettare 20 ml di metanolo secco al pallone.
- Pesare 0,300 g (1 equiv.) Del già SYNTHESIzed Fenil HIAT e rapidamente aggiungerlo al pallone.
- Aggiungere 0,047 g (1 equiv.) Di sodio azide al pallone. Nota: La soluzione si scurisce nel tempo e azoto viene generato dalla formazione cyanocarbene.
- Sia la reazione continua finché si verifica la formazione di bolle. Il tempo approssimativo per il completamento è di 20 min.
- Esporre la soluzione di aria e si evapora il solvente sotto pressione ridotta.
- Aggiungere diclorometano al liquido residuo e procedere all'estrazione acquosa per rimuovere il triflato di sodio. Raccogliere le fasi organiche di diclorometano e secca con solfato di sodio anidro.
- Decantare la soluzione e far evaporare con pressione ridotta.
- Eseguire cromatografia su colonna per purificare il prodotto cyanocarbene.
4. Ciclopropanazione Cyanocarbene Reazione Uso Fenil HIAT
- Pesare 0,125 g (1 equiv.) Di tetrabutilammonio azide in un cassetto portaoggetti e collocarlo in un luogo asciutto da 10 ml a fondo rotondo pallone equipped con un agitatore magnetico.
- Chiudere la 10 ml pallone contenente la azide tetrabutilammonio, rimuoverlo dal cassetto portaoggetti e posizionarlo su un piatto mescolare sotto gas argon utilizzando una linea Schlenk.
- Aggiungere 1,0 ml di stirene al pallone e lasciare il pallone a mescolare. Nota: L'azide non deve sciogliersi.
- Aggiungere rapidamente 0,200 g (1 equiv.) Fenile HIAT a questo slurry e posizionare il setto indietro sul pallone che è collegato ad una linea Schlenk. Nota: La soluzione deve immediatamente scurire e generare azoto dalla formazione cyanocarbene.
- Lasciare la reazione di continuare finché si verifica la formazione di bolle. Il tempo approssimativo per il completamento è di un minuto.
- Dopo le bolle sono fermi, esporre la soluzione di aria ed eseguire cromatografia su colonna per purificare il prodotto.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
La Figura 1 illustra la sintesi di un HIAT utilizzando cyanophenyliodonium alchinile triflato. Il HIAT può quindi essere utilizzato per generare cyanocarbenes che saranno sottoposti OH inserimento di ciclopropanazione. La reazione inserimento OH con Phenyl HIAT produce 2-metossi-2-phenylacetonitrile fino a una resa del 75%. La reazione ciclopropanazione con Phenyl HIAT produce 1,2-diphenylcyclopropanecarbonitrile fino a una resa del 61%. Anche se non mostrato nel video, dimetilsolfossido complessazione può verificarsi con l'cyanocarbene intermedio durante la reazione con dimetilsolfossido per produrre il DMSO-addotto nel 27% di rendimento.
Ci sono due fonti azide utilizzati per reagire con HIATs in questo metodo. Quando sono disponibili condizioni polari l'uso di sodio azide è consigliato perché è più facile da maneggiare aperto all'aria. Quando le condizioni di reazione sono non polare, o azide di sodio non è abbastanza solubile, tetrabutilammonio azide può essere utilizzato. Tetrabutilazide ammonio è igroscopico e la manipolazione del reagente migliore viene eseguita in un vano portaoggetti. Come il video dimostra, tetrabutilammonio azide non deve essere completamente solubile in condizioni di reazione e consente pertanto di una reazione senza solvente per essere possibile. Quando si esegue la reazione ciclopropanazione Phenyl HIAT / stirene in quantità minime di diclorometano la resa di reazione diminuisce di circa il 20%. 3
Figura 1. Sintesi di hypervalent iodonio Alchinile triflato (HIAT).
Figura 2. OH inserimento Reazione Demonstrating il Cyanocarbene intermedio.
Figura 3. Meccanismo proposto per Cyanocarbene Formazione.
Figura 4. Reazioni di Cyanocarbenes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hypervalent iodonio alchinile triflati, o HIATs, si formano e possono essere fatti reagire con fonti di azide per formare cyanocarbenes. E 'molto importante che siano adottate tutte le precauzioni necessarie, poiché molti dei reagenti e intermedi mostrati in questo video sono potenzialmente esplosiva e altamente tossico. Nonostante l'elevato livello di reattività può essere pericoloso se mal preparata, è mostrato in questo video che la reattività intrinseca dei composti può essere sfruttata catturando le cyanocarbenes in varie reazioni come l'inserimento OH e ciclopropanazione.
La sintesi di altri HIATs è stata tentata con successo variabile. La difficoltà viene spesso nell'isolamento del solido dai sottoprodotti o che la HIAT degrada rapidamente e non può essere utilizzato in reazioni successive. Cristallizzazione del HIAT può essere eseguita in solventi come dietil etere, esano, cloroformio e acetonitrile per ottenere materiali analiticamente puri. 17 </ P>
Le future applicazioni di questo metodo può essere esteso ad altri cyclopropanations nuovi inserimenti, CH e, in casi particolari, le reazioni intramolecolari. Il cyanocarbene agisce più electrophilically di carbeni tipici, ma per la maggior parte degli scopi reattività con carbeni normali dovrebbe essere congruente.
Uno degli aspetti più importanti di questa reazione è che converte un alchino relativamente inerte ad una HIAT più reattiva e poi ad un cyanocarbene estremamente instabile. È anche interessante notare che nel corso della reazione il alchino azide e si trasformano in un cyanocarbene e gas azoto. Questa nuova reazione permette quindi di vie sintetiche precedentemente inimmaginabili per costruire molecole di significato.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Acknowledgments
Il finanziamento per questo progetto dal Petroleum Fund American Chemical Society Research (52488-DNI1) e la University of North Carolina a Greensboro si ringrazia. Ringraziamo anche il Dott. Terry Nilo (UNCG) per noi prestato la vetreria appropriata per questi esperimenti. È anche riconosciuto di consulenza e montaggio video di Aaron Glancy.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagent | |||
| Phenyl acetylene | Acros | AC152461000 | |
| Tri-n-butyltin chloride | Acros | 139351000 | |
| Lithium bis(trimethysilyl)amide | Acros | 347701000 | |
| Iodobenzene diacetate | Acros | 176560250 | |
| Trimethylsilyl cyanide | Aldrich | 212849 | Extremely toxic. Handle this chemical only in an adequately ventilated hood with extreme caution. |
| Trimethylsilyl triflate | Alfa Aesar | A12535 | |
| Sodium Azide | Sigma-Aldrich | S8032 | Shock sensitive. |
| Tetrabutylammonium azide | Aldrich | 651664 | If possible, store and handle in a glovebox due to this compound’s hygroscopic nature. |
| 1-Heptyne | Acros | 223460250 | |
| Styrene | Aldrich | 240869 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Material | |||
| Rotary Evaporator (Hei-VAP) | Heidolph | 517-61000-01-0 | |
| Glovebox | MBRAUN | UL-018 | |
References
- Hyatt, I. F. D., Meza-Aviña, M. E., Croatt, M. P. Alkynes & Azides: Not Just for Click Reactions. Synlett. 23 (20), 2869-2874 (2012).
- Meza-Aviña, M. E., Patel, M. K., Lee, C. B., Dietz, T. J., Croatt, M. P. Selective Formation of 1,5-Substituted Sulfonyl Triazoles Using Acetylides and Sulfonyl Azides. Organic Letters. 13 (12), 2984-2987 (2011).
- Hyatt, I. F. D., Croatt, M. P. Reactions of Hypervalent Iodonium Alkynyl Triflates with Azides: Generation of Cyanocarbenes. Angewandte Chemie International Edition. 51 (30), 7511-7514 (2012).
- Banert, K., Hagedorn, M., Wutke, J., Ecorchard, P., Schaarschmidt, D., Lang, H. Elusive ethynyl azides: trapping by 1,3-dipolar cycloaddition and decomposition to cyanocarbenes. Chemical Communications. 46 (23), 4058-4060 (2010).
- Koumbis, A., Kyzas, C., Savva, A., Varvolis, A. Formation of New Alkynyl(phenyl)iodonium Salts and Their Use in the Synthesis of Phenylsulfonyl Indenes and Acetylenes. Molecules. 10 (10), 1340-1350 (2005).
- Banert, K., Arnold, R., Hagedorn, M., Thoss, P., Auer, A. A. 1-Azido-1-Alkynes: Synthesis and Spectroscopic Characterization of Azidoacetylene. Angewandte Chemie International Edition. 51 (30), 7515-7518 (2012).
- Zhdankin, V. V., Stang, P. J. Chemistry of Polyvalent Iodine. Chemical Reviews. 108 (12), 5299-5358 (2008).
- Bräse, S., Banert, K. Organic Azides - Syntheses and Applications. , John Wiley & Sons Ltd. West Sussex. (1002).
- Stang, P. J. Alkynyl- and Alkenyl(phenyl)iodonium Compounds. Angewandte Chemie International Edition. 31 (3), 274-285 (2003).
- Hembre, R. T., Scott, C. P., Norton, J. R. Conversion of olefins to ditriflates by μ-oxobis[(trifluoromethanesulfonato)(phenyl)iodine. Journal of Organic Chemistry. 52 (16), 3650-3654 (1987).
- Stang, P. J., Surber, B. W., Chen, Z., Roberts, K. A., Anderson, A. G. Acetylenic Esters. Preparation and Mechanism of Formation of Alkynyl Tosylates and Mesylates via Tricoordinate Iodonium Species. Journal of the American Chemical Society. 109 (1), 228-235 (1987).
- Zhdankin, V. V., Crittell, C. M., Stang, P. J., Zefirov, N. S. A general approach to unsymmetrical tricoordinate iodinanes: Single step preparation of mixed iodosobenzene sulfonates Phl(X)OSO2R, via reaction of iodosobenzene with Me3SiX. Tetrahedron Letters. 31 (34), 4821-4824 (1990).
- Lee, H., Jung, Y., Yoon, Y., Kim, B. G., Kim, Y. Angularly Fused Triquinanes from Linear Substrates through Trimethylenemethane Diyl [2 + 3] Cycloaddition Reaction. Organic Letters. 12 (11), 2672-2674 (2010).
- Beauchard, A., Phillips, V. A., Lloyd, M. D., Threadgill, M. D. Synthesis of 2-(4-carboxybutenyl)- and 2-(4-carboxybutynyl)-cyclopentene-1-carboxamides. Tetrahedron. 65 (39), 8176-8184 (2009).
- Kitamura, T. An Alternative Synthesis of Alkynyl(phenyl)iodonium Triflates Using (Diacetoxyiodo)benzene and Alkynylsilanes. Synthesis. 10, 1416 (1998).
- Bouma, M. J., Olofsson, B. General One-Pot Synthesis of Alkynyliodonium Salts and Alkynyl Benziodoxolones from Aryl Iodides. Chemistry A European Journal. 18, 14242 (2012).
- Williamson, B. L., Stang, P. J., Preparation Arif, A. M. Molecular Structure, and Diels-Alder Cycloaddition Chemistry of β-Functionalized Alkynyl(phenyl)iodonium Salts. Journal of the American Chemical Society. 115 (7), 2590-2597 (1993).
