Summary
Hierin wordt beschreven de synthese, isolatie, en de reacties van hypervalente jodonium alkynyl triflaten (HIATs) met azides te cyanocarbenes genereren. De procedures lucht-gevoelige en cryogene technieken, waaronder koude filtratie onder een inerte atmosfeer omvatten. Handling en veiligheid van de gesynthetiseerde verbindingen worden besproken.
Abstract
De in dit artikel beschreven procedures omvatten de synthese en isolatie van hypervalente jodonium alkynyl triflaten (HIATs) en de daaropvolgende reacties met azides om cyanocarbene tussenproducten vormen. De synthese van hypervalente jodonium alkynyl triflaten kan facile, maar moeilijkheden komen voort uit hun isolement en reactiviteit. Met name de noodzaak filtratie gebruiken onder inerte atmosfeer bij -45 ° C gedurende enkele HIATs vereist speciale zorg en uitrusting. Eenmaal geïsoleerd, kunnen de verbindingen worden opgeslagen en gebruikt in reacties met aziden tot cyanocarbene tussenproducten te vormen.
Het bewijs cyanocarbene generatie blijkt uit zichtbare extrusie van stikstofgas en de karakterisering van producten die ontstaan door OH insertie, sulfoxide complexering en cyclopropanering. Een kant reactie van de cyanocarbene formatie is het genereren van een vinylideen-carbene en de voorwaarden om dit proces te controleren worden besproken. Er isook mogelijkheden voor een hypervalente jodonium alkenyl triflaat en de scheidingsinrichting en controle van ontstaan vormen worden voorzien. De OH insertiereactie gaat met behulp van een Hiat, natrium azide of tetrabutylammonium azide, en methanol als oplosmiddel / substraat. Het sulfoxide complexering reactie gebruikt een Hiat, natriumazide of tetrabutyl azide en dimethylsulfoxide als oplosmiddel. De cyclopropanations kan worden uitgevoerd met of zonder gebruik van oplosmiddel. De azide bron moet tetrabutyl azide en de getoonde substraat styreen.
Introduction
De voortdurende evolutie van de organische chemie hangt af van het ontwerp en de ontwikkeling van nieuwe reacties. Met name de ontdekking van nieuwe reacties die voorheen ondenkbaar syntheseroutes mogelijk is de uiteindelijke betekenis. Hiertoe zijn onze fractie gewenst twee koolstofatomen van een alkyn en een stikstofatoom van een azide zetten in een cyanocarbene 1. Deze onbekende transformatie zou zorgen voor een aanzienlijke toename van moleculaire complexiteit omdat de reactieve cyanocarbene snel verder zou reageren. De eerste poging was een alkyn nucleofiele en elektrofiele azide gebruiken, maar triazolen waren efficiënt gevormde zaak tegenover cyanocarbenes. 2 Met een umpolung benadering gebruikt de tweede methode een alkyn elektrofiele en nucleofiele azide en de producten die cyanocarbene reacties gelukkig hier gevormd. 3 Er zijn vele bronnen van nucleofiele azide echter elektrofiele alkynen zijnveel minder vaak voor. De groep van Klaus Banert eerder gemeld de proof-of-concept voor deze reactie met behulp van een alkynyl-chloride, 4 maar onze groep en de Banert groep zelfstandig en gelijktijdig vastgesteld dat hypervalente jodonium alkynyl triflaten (HIATs) zijn veel beter elektrofielen om de redenen van stabiliteit en reactiviteit. 3,6 We beschrijven hierin de synthese, isolatie, en de reactie van deze HIATs met azides te vormen en in situ reageren als cyanocarbenes.
Verschillende veiligheidsmaatregelen moeten alvorens met deze experimenten worden beschouwd. Sommige hypervalente jodonium alkynyl triflaten zijn instabiel en zullen ontleden, soms heftig, bij blootstelling aan lucht en licht. 7 Om de cyanocarbene tussenvorm, de procedure vereist het gebruik van azide bronnen. Azides zijn explosief en zeer giftig. 8 Juiste persoonlijke beschermingsmiddelen moeten gedragen worden bij het hanteren van deze materialen, met name organische,en al manipulatie van de reagentia moet plaatsvinden in goed geventileerde kappen. De cyanocarbene is een krachtige en onstabiele reactieve tussenproduct. Zorg ervoor dat experimenten in eerste instantie uit te voeren op kleine schaal zodat stikstofgas evolutie is bestuurbaar en nooit deze reacties uit te voeren in gesloten systemen. Als opschaling van de reactie gewenst is, we raden het gebruik van een veiligheidsscherm.
De synthese van vele HIATs zijn eerder gepubliceerd waaronder het gebruik van Zefirov's reagens 9,10 en Koser's reagens, 9,11 maar dit video wordt via de cyanophenyliodonium triflaat reagens 9,12 (figuur 1). Cyanophenyliodonium triflaat werd gesynthetiseerd op basis van eerder gerapporteerde literatuur bereiding weergegeven. 13 Het reagens reageert met trialkyl-tin gemodificeerde alkynen 14 het gewenste product. Nadat de Hiat gesynthetiseerd en geïsoleerd kan worden omgezet met azide te vormeneen reactief cyanocarbene tussenproduct (figuur 2). Er zijn verschillende andere methoden die kunnen worden gebruikt om de jodonium alkynen zoals het gebruik alkynyl silanen 15 en alkynyl boorzuur esters 16 maar de werkwijze de video is gekozen synthetiseren omdat in onze ervaring, het had betere efficiëntie en opbrengst.
Het voorgestelde mechanisme 3,5 (Figuur 3) voor deze reactie bij de bereiding van een azide bron tot de β-koolstof van de alkyn, waardoor een jood-ylide die ontleedt joodbenzeen en vinylideen-carbeen gevormd. De vinylideen-carbeen kan vervolgens aan een 1,2-omlegging via migratie van ofwel de R-groep of azide een alkynyl-azide veroorloven. De alkynyl-azide extrudeert dan stikstofgas een cyanocarbene die kan reageren met een substraat. Opgemerkt zij dat er vorming van een hypervalente jodonium alkenyl triflaat soort kan zijn, afhankelijk van de omstandigheden. Het bijproductvoorkeur bij lagere temperaturen in protische oplosmiddelen waar de protonering van de jood-ylide is dan de omlegging de alkynyl azide. Een andere mogelijke producten die tijdens OH insertiereacties een vinylether waarbij de vinylideen-carbeen wordt gevangen vóór de omlegging de alkynyl-azide kan optreden. De neiging om deze vinylether vormen wordt bepaald door de R-groep.
Een van de belangrijkste voordelen van deze reactie is dat na het carbeen reageert, de resulterende nitrilgroep is handig handvat voor verdere functionalisatie. Veel synthons kan gezien worden met deze methode en verschillende producten kunnen worden gevormd met dezelfde substraten. Beheersing van het productmengsel met de temperatuur, concentratie, en de R-groep van het alkyn noodzakelijk. 3 Met goed inzicht van hoe cyanocarbenes gedragen, de werkwijze toont een goed middel om snel toevoegen van chemische complexiteit een gerichte molecuul. Voorbeelden van hoe de cyanocarbene reageert onder OH insertie waarin de nucleofiele zuurstofatoom van de alcohol valt de carbeen en protonenoverdracht optreedt, dimethylsulfoxide complexering, waarbij het carbeen gecombineerd met het zwavelatoom en cyclopropanering waar de carbeen reageert met een alkeen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Synthese van Phenyl Hiat
- Rust een droge 100 ml rondbodemkolf met een magnetische roerder en de kolf onder een argonatmosfeer. Klem de kolf met een stand en plaats deze in een cryogeen bad van acetonitril en vast kooldioxide pellets. Opmerking: De cryogene stof moet ongeveer -45 ° C.
- Voeg 10 ml droge dichloormethaan koude kolf en laat het oplosmiddel in evenwicht om de temperatuur van de cryogene stof. Opmerking: De overmaat kopruimte in de kolf is belangrijk voor het toevoegen van diethylether later precipitatie dwingen.
- Weeg 0,35 g (1 equiv.) Van cyanophenyliodonium triflaat en snel overbrengen naar de koude kolf. Opmerking: De vaste stoffen moet redelijk onoplosbaar worden bij deze temperatuur.
- Tarra de massa van een lege spuit en vervolgens gebruiken weegt 0,37 g (1 equiv.) Van phenylethynyltributyltin.
- Spuit de phenylethynyltributyltin in de koude oplossing. Opmerking: Het oplossen van vaste stoffen is een indicatie datde Hiat is gevormd. De geschatte tijd voor de ontbinding is 30 minuten.
- Voeg diethylether en hexaan precipitatie van het product te dwingen. Opmerking: Als er een neerslag vormt geen, verdampt het oplosmiddel onder verlaagde druk en voeg een mengsel van diethylether en hexaan precipitatie van de Hiat dwingen.
- Voorzie een thermoskan met een Büchner trechter en giet de oplossing op de trechter voor filtratie.
- Verzamel de vaste stof en bewaar koud in een ondoorzichtige houder.
2. Bereiding van n-pentyl Hiat
- Rust een droge 250 ml driehals kolf met een magnetische roerder en de kolf onder een argonatmosfeer. Klem de kolf met een stand en plaats deze in een cryogeen bad van acetonitril en vast kooldioxide pellets. Opmerking: De cryogene stof moet ongeveer -45 ° C.
- Monteer een Schlenk filterinrichting aan de kolf, zodat de filtratie snel kan worden uitgevoerd en op een koude temtuur. Vet en klem samen elk gewricht van het apparaat. Opmerking: Het filtersysteem kan worden uitgevoerd op verschillende manieren, maar het is belangrijk dat het systeem de mogelijkheid te duwen met inert gas en trekken met een vacuüm door een glasfilter.
- Voeg 10 ml droge dichloormethaan koude kolf en laat het oplosmiddel in evenwicht om de temperatuur van de cryogene stof. Opmerking: De overmaat kopruimte in de kolf is belangrijk voor het toevoegen van hexaan later precipitatie dwingen.
- Weeg 0,35 g (1 equiv.) Van cyanophenyliodonium triflaat en snel overbrengen naar de koude kolf. Opmerking: De vaste stoffen moet redelijk onoplosbaar worden bij deze temperatuur.
- Tarra de massa van een lege spuit en vervolgens gebruiken weegt 0,44 g (1 equiv.) Tributyltin heptyn.
- Spuit de tributyltin heptyn in de koude oplossing. Opmerking: Het oplossen van vaste stoffen is een indicatie dat de Hiat is gevormd. De geschatte tijd voor de ontbinding is 30 minuten.
- Injecteer 75 ml hexane in de extra bovenruimte van de kolf van een neerslag vormen.
- Plaats de collectie kolf onder vacuum.
- Span de inrichting van de stand en voorzichtig kantelen om de oplossing te gieten op de glazen filter. Open de collectie kolf vacuüm om de vloeistof te trekken door. Opmerking: het vacuüm om de lucht te trekken in het vat niet toestaan.
- Demonteer het apparaat en schraap de vaste stoffen uit het filter zodra de filtratie is voltooid. Nadat de vaste stof wordt verwijderd uit het filtraat is minder lucht en temperatuurgevoelige en kan open lucht worden behandeld.
- Verzamel de vaste stof en bewaar koud in een ondoorzichtige houder.
3. OH Het inbrengen van Cyanocarbenes Gemaakt van Phenyl Hiat
- Rust een droge 50 ml rondbodemkolf met een magnetische roerder en de kolf onder een argonatmosfeer. Klem de kolf met een roer plaat en injecteer 20 ml droge methanol aan de kolf.
- Weeg 0,300 g (1 equiv.) Van de eerder synthesized Phenyl Hiat en snel toe te voegen aan de kolf.
- Add 0.047 g (1 equiv.) Natriumazide aan de kolf. Opmerking: De oplossing wordt donkerder in de tijd en stikstofgas wordt gegenereerd door cyanocarbene formatie.
- Laat de reactie voortgezet zolang blaasvorming optreedt. De geschatte tijd voor de voltooiing is 20 minuten.
- Expose de oplossing voor lucht en damp het oplosmiddel onder verminderde druk.
- Dichloormethaan toevoegen aan het resterende vloeistof en voer waterige extractie aan de natrium triflaat verwijderen. Verzamel de organische fasen dichloormethaan en droog met watervrij natriumsulfaat.
- Giet de oplossing en damp onder verminderde druk.
- Voer kolomchromatografie de cyanocarbene te zuiveren.
4. Cyclopropanering Cyanocarbene Reaction behulp Phenyl Hiat
- Weeg 0,125 g (1 equiv.) Van tetrabutylammonium azide in een dashboardkastje en plaats het in een droge 10 ml kolf equipped met een magnetische roerder.
- Cap de 10 ml kolf met de tetrabutylammonium azide, verwijderen uit het dashboardkastje, en plaats deze op een roer plaat onder argon gas met behulp van een Schlenk lijn.
- Voeg 1,0 ml styreen aan de kolf en laat de kolf te roeren. Opmerking: De azide hoeft niet oplossen.
- Voeg snel 0,200 g (1 equiv.) Fenyl Hiat deze suspensie en plaats het septum terug op de fles die is aangesloten op een Schlenk-lijn. Opmerking: De oplossing moet onmiddellijk donkerder en het genereren van stikstofgas door cyanocarbene formatie.
- Laat de reactie doorgaan zolang blaasvorming optreedt. De geschatte tijd voor de voltooiing is een minuut.
- Nadat de bubbels gestopt, de oplossing blootstellen aan lucht en voeren kolomchromatografie om het product te zuiveren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 illustreert de synthese van een Hiat met cyanophenyliodonium alkynyl triflaat. De Hiat kan dan worden gebruikt om cyanocarbenes die OH inbrengen van cyclopropanering ondergaan genereren. De OH insertiereactie met fenyl Hiat produceert 2-methoxy-2-fenylacetonitril in tot een 75% opbrengst. De cyclopropanering reactie met fenyl Hiat produceert 1,2-diphenylcyclopropanecarbonitrile in tot een 61% opbrengst. Hoewel niet getoond in de video, kan dimethylsulfoxide complexering plaatsvinden bij de cyanocarbene tussenproduct bij reactie met dimethylsulfoxide de DMSO-adduct te produceren in 27% opbrengst.
Er zijn twee bronnen azide gebruikt HIATs reageren in deze methode. Wanneer polaire voorwaarden zijn beschikbaar het gebruik van sodium azide wordt geadviseerd, omdat het gemakkelijker is om open lucht te behandelen. Wanneer de reactieomstandigheden niet-polair of sodium azide is niet oplosbaar genoeg is, kan tetrabutylammoniumfluoride azide worden gebruikt. Tetrabutylammonium azide is hygroscopisch en de behandeling van het reagens wordt best uitgevoerd in een dashboardkastje. Aangezien de video toont, ofwel tetrabutyl azide hoeft volledig oplosbaar in het reactieomstandigheden worden waardoor aldus een oplosmiddelvrij reactie mogelijk. Indien wordt Fenyl Hiat / styreen cyclopropanering reactie minimale hoeveelheden dichloormethaan de reactie opbrengst daalt met ongeveer 20%. 3
Figuur 1. Synthese van Hypervalente jodonium Alkynyl triflaat (Hiat).
Figuur 2. OH insertiereactie Demonstrating de Cyanocarbene Intermediate.
Figuur 3. Voorgestelde mechanisme voor de Cyanocarbene Formation.
Figuur 4. Reacties van Cyanocarbenes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hypervalente jodonium alkynyl triflaten of HIATs, gevormd en kunnen reageren met azide bronnen cyanocarbenes vormen. Het is belangrijk dat alle nodige voorzorgen omdat veel van de reagentia en tussenproducten in deze video zijn explosieve en zeer toxisch. Hoewel de hoge reactiviteit gevaar kan opleveren als slecht voorbereide, wordt in deze video die de inherente reactiviteit van de verbindingen kunnen worden benut door het vastleggen van de cyanocarbenes verschillende reacties zoals OH inbrengen en cyclopropanering.
De synthese van andere HIATs is geprobeerd met wisselend succes. De moeilijkheid komt vaak in de isolatie van de vaste stof van de bijproducten of het Hiat degradeert snel en kan niet worden gebruikt in volgende reacties. Kristallisatie van de Hiat kan in oplosmiddelen zoals diethylether, hexaan, chloroform en acetonitril worden uitgevoerd om analytisch zuiver materiaal te verkrijgen. 17 </ P>
Toekomstige toepassingen van deze werkwijze kan worden uitgebreid naar andere nieuwe cyclopropanations, CH inserties en in unieke gevallen intramoleculaire reacties. De cyanocarbene fungeert meer elektrofiel dan de typische carbenen maar voor de meeste doeleinden de reactiviteit met normale carbenen moeten congruent zijn.
Een van de belangrijkste aspecten van deze reactie is dat het omzet een relatief inert alkyn een reactiever Hiat en een uiterst onstabiel cyanocarbene. Het is vermeldenswaard dat in de loop van de reactie de alkyn en azide worden omgezet in een cyanocarbene en stikstofgas. Deze nieuwe reactie maakt het aldus mogelijk onvermoede synthetische routes naar moleculen van betekenis te construeren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
De financiering voor dit project uit het Fonds American Chemical Society Petroleum Research (52488-DNI1) en de Universiteit van North Carolina in Greensboro is dankbaar erkend. We danken ook Dr Terry Nijl (UNCG) voor bruikleen ons de juiste glaswerk voor deze experimenten. Video consulting en bewerken van Aaron Glancy wordt ook erkend.
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).
