Summary
Häri beskrivs syntes, isolering och reaktioner av hypervalent jodonium alkynyl triflater (HIATs) med azider att generera cyanocarbenes. Rutinerna kommer att innebära luftkänsliga och kryogen teknik, inklusive kallfiltrering i inert atmosfär. Hantering och säkerhet för de syntetiserade föreningarna kommer också att diskuteras.
Abstract
De förfaranden som beskrivs i denna artikel inbegriper syntes och isolering av hypervalent jodonium alkynyl triflater (HIATs) och efterföljande reaktioner med azider att bilda cyanocarbene intermediärer. Syntesen av hypervalent jodonium alkynyl triflater kan vara lättköpt, men svårigheter beror på deras isolering och reaktivitet. Framför allt är nödvändigt att använda filtrering under inert atmosfär vid -45 ° C under vissa HIATs kräver särskild omsorg och utrustning. När den väl isolerats kan föreningarna lagras och användas i reaktioner med azider för att bilda cyanocarbene intermediärer.
Beviset för cyanocarbene generation visas genom synlig extrudering av dikväve liksom karakteriseringen av produkter som förekommer bland OH införing, sulfoxid komplexbildning, och cyklopropanering. En sido reaktion av cyanocarbene bildningen är generering av en vinyliden-karben och förutsättningar för att styra denna process diskuteras. Det finnsockså möjligheter att bilda en hypervalent jodonium alkenylgrupp triflat och medlen för isolering och kontroll av sin generations tillhandahålls. OH insättningsreaktion innebär att man använder en HIAT, natriumazid eller tetrabutylammo azid, och metanol som lösningsmedel / substrat. Sulfoxiden komplexreaktion använder en HIAT, natriumazid eller tetrabutylammonium-azid, och dimetylsulfoxid som lösningsmedel. De cyclopropanations kan utföras med eller utan användning av lösningsmedel. Aziden Källan måste vara tetrabutylammonium-azid och substratet som visas är styren.
Introduction
Den fortsatta utvecklingen av organisk kemi hänger på design och utveckling av nya reaktioner. I synnerhet upptäckten av nya reaktioner som gör att tidigare otänkbara syntesvägar bär yttersta betydelse. För detta ändamål vår grupp önskvärt att omvandla två kolatomer i en alkyn och en kväve av en azid till en cyanocarbene. Ett Detta tidigare okända omvandling skulle möjliggöra en betydande ökning av molekylär komplexitet, eftersom den reaktiva cyanocarbene snabbt skulle reagera ytterligare. Den inledande insats var att använda en nukleofil alkyn och elektro azid, men triazoler var effektivt bildas i detta fall i motsats till cyanocarbenes. 2 Använda en umpolung strategi, använder den andra metoden ett elektro alkyn och nukleofil azid och produkter som härrör från cyanocarbene reaktioner är lyckligtvis bildade i detta fall. 3 Det finns många källor för nukleofil azid dock elektro alkyner ärmycket mindre vanligt. Gruppen av Klaus Banert tidigare rapporterat att proof-of-concept för denna reaktion med hjälp av en alkynyl-klorid, 4 men vår grupp och Banert gruppen självständigt och samtidigt bestämt att hypervalent jodonium alkynylgrupp triflater (HIATs) är mycket bättre elektrofiler för skälen för stabilitet och reaktivitet. 3,6 Vi beskriver häri syntes, isolering, och reaktion av dessa HIATs med azider för att bilda och reagera in situ såsom cyanocarbenes.
Flera säkerhetsåtgärder bör övervägas innan du fortsätter med dessa experiment. Vissa hypervalent jodonium alkynyl triflater är instabila och sönderfaller, ibland våldsamt, när den utsätts för luft och ljus. 7 För att bilda cyanocarbene mellan kräver förfarandet användningen av azid källor. Azider är explosiva och mycket giftiga. 8 Rätt utrustning personlig skyddsutrustning ska användas vid hantering av dessa material, speciellt organiska tenn,och all manipulation av de använda reagensen bör ske i väl ventilerade huvor. Den cyanocarbene är en kraftfull och instabil reaktiv intermediär. Var noga med att utföra experiment inledningsvis på små skalor så att kvävgas evolutionen är kontrollerbar och aldrig utföra dessa reaktioner i slutna system. Vid uppskalning av reaktionen önskas, rekommenderar vi starkt att använda en säkerhetsskärm.
Syntesen av många HIATs har tidigare publicerats inklusive användning av Zefirov reagens 9,10, och Koser reagens, 9,11 men denna video kommer att använda cyanophenyliodonium triflätet reagens 9,12 (Figur 1). Cyanophenyliodonium triflat syntetiserades baserat på en tidigare rapporterad litteratur förberedelse visas. 13 Reagenset reagerar med trialkyl-tenn modifierade alkyner 14 för bildning av den önskade produkten. Efter HIAT syntetiseras och isoleras kan den bringas att reagera med azid för att bildaen reaktiv cyanocarbene intermediär (Figur 2). Det finns flera andra metoder som kan användas för att syntetisera jodonium alkyner som att använda alkynyl silaner 15 och alkynyl boronic estrar 16 men metoden i videon valdes eftersom, enligt vår erfarenhet, hade det bättre effektivitet och avkastning.
Vår föreslagna mekanismen 3,5 (fig 3) för denna reaktion innefattar tillsatsen av en azid källan till β-kolet i alkyn, och därigenom bilda en jod-ylid, som sönderdelas för att jodbensen och en vinyliden-karben. Den vinyliden-karben kan sedan undergå en 1,2-omlagring via migrering av antingen R-grupp eller en azid för bildning av en alkynyl-azid. The alkynyl-azid extruderar sedan dikväve att bilda en cyanocarbene som kan reagera med ett substrat. Det bör noteras att det kan vara bildandet av en hypervalent jodonium alkenyl triflat arter, beroende på förhållandena. Biprodukten ärgynnas vid lägre temperaturer i protiska lösningsmedel, där den protonering av jod-ylid är snabbare än omlagring till alkynyl azid. En annan möjlig produkt som uppstår under OH insättningsreaktioner är en vinyleter där vinyliden-karbenen fångas innan ombildning till alkynyl-azid kan förekomma. Benägenheten att bilda denna vinyleter bestäms av R-gruppen.
En av de viktigaste fördelarna med denna reaktion är att efter den karben reagerar, är den resulterande nitrilgrupp ett bekvämt handtag för ytterligare funktionalisering. Många syntoner kan förutses med denna metod och olika produkter som kan formas med samma substrat. Styrning av produktblandningen med temperatur, koncentration, och R-gruppen i alkynen är nödvändigt. 3 Med rätt insikt på hur cyanocarbenes beter sig, visar metoden ett hållbart sätt för att snabbt lägga till kemisk komplexitet för att bilda en riktad molekyl. Exempel på hur cyanocarbene reagerar inkluderar OH reklaminslag, när den nukleofila syreatomen i alkoholen angriper karben och sedan protonöverföring inträffar, dimetylsulfoxid komplexbildning, där den karben kombineras med svavelatomen, och cyklopropanering där karben reagerar med en alken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Syntes av Phenyl HIAT
- Utrusta en torr 100 ml rundbottnad kolv med en magnetisk omrörare och har en kolv under en argonatmosfär. Kläm fast kolven på ett stativ och placera det i en kryogenbadet acetonitril och fast koldioxid pellets. Obs! Kryogena bör vara ca -45 ° C.
- Tillsätt 10 ml torr diklormetan till den kalla kolven och låt lösningen anta jämvikt till temperaturen för det kryogena medlet. Anmärkning: Den överskjutande övre utrymmet i kolven är viktigt för tillsats av dietyleter senare tvinga utfällning.
- Väg upp 0,35 g (1 ekv.) Av cyanophenyliodonium triflat och snabbt överföra den till den kalla kolven. Anmärkning: Det fasta materialet bör vara ganska olösligt vid denna temperatur.
- Tarera massan av en tom spruta och sedan använda den väger 0,37 g (1 ekv.) Av phenylethynyltributyltin.
- Injicera phenylethynyltributyltin i den kalla lösningen. Notera: Upplösningen av fasta ämnen är en indikation på attden HIAT har bildats. Den ungefärliga tiden för upplösning är 30 min.
- Tillsätt dietyleter och hexan för att tvinga utfällning av produkten. Obs: Om en fällning inte bildar, indunsta lösningsmedlet under reducerat tryck och tillsätt en blandning av dietyleter och hexan för att tvinga utfällning av HIAT.
- Utrusta en vakuumkolv med en Biichner-tratt och häll ut lösningen på tratten för filtrering.
- Samla upp det fasta materialet och lagra kyla i en ogenomskinlig behållare.
2. Syntes av n-pentyl HIAT
- Utrusta en torr 250 ml tre-halsad rundbottnad kolv med en magnetisk omrörare och har kolv under en argonatmosfär. Kläm fast kolven på ett stativ och placera det i en kryogenbadet acetonitril och fast koldioxid pellets. Obs! Kryogena bör vara ca -45 ° C.
- Montera en Schlenk filtreringsapparat på kolven så att filtreringen kan utföras snabbt och till en kall temtemperatur. Fett och klämma ihop varje led av apparaten. Anm: Filtreringssystemet kan konstrueras på olika sätt, men det är viktigt att systemet har förmågan att driva med inert gas och dra med ett vakuum genom ett glasfilter.
- Tillsätt 10 ml torr diklormetan till den kalla kolven och låt lösningen anta jämvikt till temperaturen för det kryogena medlet. Anmärkning: Den överskjutande övre utrymmet i kolven är viktigt för tillsats av hexan senare tvinga utfällning.
- Väg upp 0,35 g (1 ekv.) Av cyanophenyliodonium triflat och snabbt överföra den till den kalla kolven. Anmärkning: Det fasta materialet bör vara ganska olösligt vid denna temperatur.
- Tarera massan av en tom spruta och sedan använda den väger 0,44 g (1 ekv.) Av tributyltenn heptyn.
- Injicera tributyltenn heptyn i den kalla lösningen. Notera: Upplösningen av fasta ämnen är en indikation på att HIAT har bildats. Den ungefärliga tiden för upplösning är 30 min.
- Injicera 75 ml hexane till det extra gasutrymmet i kolven för att bilda en fällning.
- Placera samling kolv under vakuum.
- Ta loss apparaten från stativet och försiktigt luta den för att hälla lösningen på glasfilter. Öppna uppsamlingskolven vakuum för att dra vätska igenom. Obs: Låt inte vakuum för att dra in luft i kärlet.
- Ta isär anordningen och skrapa det fasta materialet av filtret en gång filtreringen är fullbordad. När den fasta substansen avlägsnades från filtratet är det mindre luft-och temperaturkänsligt och kan hanteras öppen för luft.
- Samla upp det fasta materialet och lagra kyla i en ogenomskinlig behållare.
3. OH Insättning av Cyanocarbenes Tillverkad av Phenyl HIAT
- Utrusta en torr 50 ml rundbottnad kolv med en magnetisk omrörare och har en kolv under en argonatmosfär. Kläm fast kolven på en uppståndelse tallrik och injicera 20 ml torr metanol till kolven.
- Väg upp 0,300 g (1 ekv.) Av den tidigare synthesiZed Phenyl HIAT och snabbt lägga till kolven.
- Lägg 0,047 g (1 ekv.) Natriumazid till kolven. Anmärkning: Lösningen kommer att mörkna med tiden och kvävgas alstras genom cyanocarbene bildning.
- Låt reaktionen fortsätta så länge som bubbelbildning inträffar. Den ungefärliga tiden för färdigställande är 20 min.
- Exponera löser luft och indunsta lösningsmedlet med användning av reducerat tryck.
- Lägg diklormetan till den kvarvarande vätskan och utföra vattenextraktion för att avlägsna natrium triflätet. Samla de organiska faserna med diklormetan och torka med vattenfritt natriumsulfat.
- Häll lösningen och indunsta använd undertryck.
- Utför-kolonnkromatografi för att rena den cyanocarbene produkten.
4. Cyklopropanering Cyanocarbene Reaktion Använda Fenyl HIAT
- Väg 0,125 g (1 motsv.) Tetra azid i ett handskfack och placera det i en torr 10 ml rundkolv equipped med en magnetisk omrörare.
- Cap de 10 ml rundkolv som innehåller tetrabutylammo azid, ta bort den från handskfacket, och placera den på en uppståndelse tallrik under argongas med hjälp av en Schlenk linje.
- Lägg till 1,0 ml av styren till kolven och låt kolven att röra. Obs: aziden inte behöver upplösas.
- Snabbt lägga till 0,200 g (1 ekv.) Av Phenyl HIAT till denna uppslamning och placera skiljeväggen tillbaka på kolven som är ansluten till en Schlenk-ledning. OBS: Lösningen ska omedelbart mörkare och generera kvävgas genom cyanocarbene bildning.
- Låt reaktionen fortsätta så länge som bubbelbildning inträffar. Den ungefärliga tiden för färdigställande är en minut.
- När bubblorna har stoppat, utsätta lösningen för luft och utföra kromatografi för att rena produkten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 illustrerar syntesen av en HIAT genom användning cyanophenyliodonium alkynyl triflat. Den HIAT kan sedan användas för att generera cyanocarbenes som kommer att genomgå OH insättning av cyklopropanering. Den OH insättningsreaktion med Phenyl HIAT producerar 2-metoxi-2-fenylacetonitril i upp till ett 75% utbyte. Den cyklopropanering reaktion med Phenyl HIAT producerar 1,2-diphenylcyclopropanecarbonitrile i upp till ett 61% utbyte. Även om det inte visas i videon, kan dimetylsulfoxid komplex uppstå med cyanocarbene mellan vid reaktion med dimetylsulfoxid att producera DMSO-addukten i 27% utbyte.
Det finns två azid källor som används för att reagera med HIATs i denna metod. När polära villkor finns tillgängliga att använda natriumazid rekommenderas eftersom det är lättare att hantera öppna för luft. Då reaktionsbetingelserna är icke-polära, eller natriumazid inte är tillräckligt löslig, kan användas tetrabutylammonium-azid. Tetrabutylammoniumazid är hygroskopiskt och hantering av reagenset utförs bäst i en handskbox. Som video visar, inte tetrabutylammo azid inte behöver vara fullständigt lösliga i reaktionsbetingelserna och därmed möjliggör en lösningsmedelsfri reaktion att vara möjlig. När man utför den Fenyl HIAT / styren cyklopropanering reaktion i minimala mängder av diklormetan reaktionsutbytet minskar med cirka 20%. 3
Figur 1. Syntes av hypervalent lODONIUM Alkynyl triflat (HIAT).
Figur 2. OH Inför Reaktion Demonstrating den Cyanocarbene Intermediär.
Figur 3. Föreslagna mekanismen för Cyanocarbene Formation.
Figur 4. Reaktioner av Cyanocarbenes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hypervalent jodonium alkynyl triflater eller HIATs, bildas och bringas att reagera med azid-källor för att bilda cyanocarbenes. Det är mycket viktigt att alla nödvändiga försiktighetsåtgärder vidtas, eftersom många av de reagens och mellanprodukter som visas i den här videon är potentiellt explosiva och mycket giftiga. Trots den höga reaktiviteten kan vara farliga om dåligt förberedda, visas det i den här videon som den inneboende reaktiviteten av föreningarna kan utnyttjas genom att fånga de cyanocarbenes i olika reaktioner såsom OH insättning och cyklopropanering.
Syntesen av andra HIATs har försökts med varierande framgång. Svårigheten kommer ofta i isolering av den fasta substansen från biprodukterna eller att HIAT degraderar snabbt och kan inte användas i efterföljande reaktioner. Kristallisation av HIAT kan utföras i lösningsmedel, såsom dietyleter, hexan, kloroform och acetonitril för erhållande av analytiskt rent material. 17 </ P>
Framtida tillämpningar av denna metod kan utvidgas till andra nya cyclopropanations, CH insertioner och i unika förekomster intramolekylära reaktioner. Den cyanocarbene fungerar mer electrophilically än typiska carbenes men för de flesta ändamål reaktiviteten med normala carbenes bör vara kongruenta.
En av de viktigaste aspekterna av denna reaktion är att den omvandlar ett relativt inert alkyn till en mer reaktiv HIAT och sedan till en extremt instabil cyanocarbene. Det är också värt att notera att under loppet av reaktionen alkynen och azid förvandlas till en cyanocarbene och kvävgas. Denna nya reaktion möjliggör därmed tidigare oanade syntesvägar för att bygga molekyler av betydelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Finansieringen för detta projekt från American Chemical Society Petroleum Research Fund (52488-DNI1) och University of North Carolina at Greensboro är tacksamma. Vi tackar också Dr Terry Nilen (UNCG) för återlämningsdatum oss rätt glas för dessa experiment. Video-konsult och redigering av Aaron Glancy också erkänt.
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).
