Summary
Ett nytt konto för syntesen av osymmetriska 1,2-dioler baserade på ett retropinacol / tvär pinakol kopplingsmekanism beskrivs. På grund av den katalytiska utförande av denna reaktion en avsevärd förbättring jämfört med konventionella tvär pinakol kopplingar uppnås.
Abstract
Osymmetriska 1,2-dioler är knappast nås med reduktiva pinacol kopplingsprocesser. Ett framgångsrikt genomförande av en sådan omvandling är bunden till ett tydligt erkännande och strikt differentiering av två liknande karbonylföreningar (aldehyder → sekundär 1,2-dioler eller ketoner → tertiära 1,2-dioler). Denna finjustering är fortfarande en utmaning och ett olöst problem för en organisk kemist. Det finns flera rapporter om ett framgångsrikt genomförande av denna omvandling, men de kan inte generaliseras. Häri beskriver vi en katalytisk direkt pinakol koppling process som sker via en retropinacol / kors pinacol kopplingssekvens. Således kan osymmetriska substituerade 1,2-dioler nås med nästan kvantitativa utbyten med hjälp av en operativt enkel prestanda under mycket milda förhållanden. Artificiella tekniker, såsom sprutpumptekniker eller fördröjda tillsatserna av reaktanterna är inte nödvändiga. Det förfarande som vi beskriver ger en mycket snabb tillgång tillkors pinakol produkter (1,2-dioler, vicinala dioler). En ytterligare förlängning av denna nya process, t.ex. en enantioselektiv prestanda skulle kunna ge ett mycket användbart verktyg för syntes av osymmetriska kirala 1,2-dioler.
Introduction
Pinakolestern kopplingsreaktion är ett allmänt och vanligt använd metod för framställning av symmetriskt vicinala dioler (1,2-dioler, pinacols). För omfattande recensioner på detta område se referenser Hirao 1, Chatterjee och Joshi 2, Ladipo 3, och Gansäuer och Bluhm 4. I motsats till detta var bara ett fåtal rapporter som publiceras för att hänvisa ett effektivt förverkligande av kors pinacol kopplingsreaktioner för att ge motsvarande osymmetriska 1,2-dioler (titan (IV) klorid / mangan 5, samarium (II) jodid 6, magnesium / trimetylklorosilan 7, vanadin (II) 8, zirkonium / tenn 9, och ytterbium 10). Således kvarstår den intermolekylära tvär pinacol kopplingsreaktion fortfarande en stor utmaning i organisk kemi, särskilt den katalytiska utförandet av denna omvandling.
Bildandet av korskopplingsprodukter är kinetiskt missgynnasunder förhållanden av en klassisk pinakol koppling. För att erhålla tillräckliga mängder av det osymmetriska produkt fördröjd tillsats av en karbonyl-förening är möjlig. Det finns några exempel som utvecklar detta koncept, men de bygger på flera specifika experimentella manipulationer och kan därför inte generaliseras. Dessutom erfordras överskott av en karbonylförening i dessa transformationer gav en mödosam separation av en komplex produktblandning 11. Ett alternativ för detta ändamål representeras av precomplexation av en reaktant rendering ekvimolära mängder av ett ytterligare reagens som är nödvändigt.
Olika exempel på en reversibel pinakol reaktion har beskrivits 12. Dessa leder till uppfattningen att sådana villkor skulle kunna vara en optimal utgångspunkt för selektiv syntes av korskopplingsprodukter. Eftersom en låg valent metall samt en reaktiv radikal species bildas samtidigt in situ, Osymmetriska diolerna kunde bildas uteslutande i närvaro av en lämplig karbonyl reaktant. Så vitt vi vet en sådan metod inte har rapporterats tidigare (Porta et al. Beskrev en jämförbar pinakol klyvning och efterföljande koppling av ytterligare utbyggnad av stökiometriska mängder av AIBN (2,2 '-azo-bis-isobutyronitril) för att generera de erforderliga radikaler) 13.
Häri ett protokoll visualiseras som ger en snabb och operativt enkel tillgång till osymmetriska 1,2-dioler. De osymmetriska pinakol produkterna är oftast tillgängliga i utmärkta utbyten (> 95%). Oönskade symmetriskt pinakol produkter är inte observerats. Denna nya kors pinacol metoden bygger på en retropinacol / kors pinacol kopplingssekvens. Den kommer att visas i det följande genom representativa reaktioner benzopinacole (1,1,2,2-tetrafenyl-1 ,2-etandiol, 1) med 2-etylbutyraldehyd (i aldehyd-serien) och with dietylketon (i keton-serien).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Framställning av titan (IV)-tert -butoxide/Triethylchlorosilane Lösning
- Lös 400 mg (400 | il) titan (IV)-tert-butoxid (1 mmol) i 10 ml torr diklormetan. Addera 150 mg (170 | il) trietylklorsilan (1 mmol) till denna lösning vid RT. 1 ml av denna diklormetan-lösning innehåller 0,1 mmol titan (IV)-tert-butoxid och 0,1 mmol trietylklorsilan.
2. Pinacol-reaktion av tetrafenyl-1 ,2-etandiol (1) med 2-etylbutyraldehyd
- Lös 366 mg av tetrafenyl-1 ,2-etandiol (1, 1 mmol) och 300 mg (370 | il) nydestillerad 2-etylbutyraldehyd (3 mmol) i 3 ml torr diklormetan.
- Tillsätt 0,5 ml av den separat framställda titan (IV)-tert -butoxide/triethylchlorosilane-lösning (0,05 mmol).
- Rör om den resulterande blandningen vid rumstemperatur i ett förseglat reaktionsrör.
- Confirm reaktionen är fullbordad med tunnskiktskromatografi (elueringsmedel: hexan / aceton - 9/1) på kiselgel-TLC-plattor (60 F254). Slutet av reaktionen uppnås vid den tidpunkt då tetrafenyl-1 ,2-etandiol 1 inte längre kan detekteras (~ 12 h). Rf-värdet av produkten är 0,3 14.
- Späd den resulterande reaktionsblandningen med 50 ml diklormetan.
- Tvätta den utspädda reaktionsblandningen successivt med 20 ml mättad vattenlösning av ammonium-klorid och natriumvätekarbonatlösning i en separationstratt.
- Isolera det organiska skiktet genom en separationstratt.
- Det organiska skiktet torkades genom omröring över torrt magnesiumsulfat.
- Filtratet suspensionen genom ett rafflat pappersfilter och samla filtraten.
- Avlägsna diklormetan från filtratet i vakuum vid 40 ° C med användning av en rotationsindunstare (10-30 mm Hg). Indunstning av lösningsmedel kommer att kräva 20 min.
- Rena den kvarvarande återstodengenom flash-kolonnkromatografi genom en kolonn av kiselgel (0,035-0,070 mm, Acros) med en gradient av hexan / aceton (från 19:01 och gå ned till 16:04) för att förvärva 280 mg av 1,2-diol-2f (0,99 mmol).
- Bekräfta identiteten för den 1,2-diol 2f genom en H-kärnmagnetisk resonansspektroskopi (NMR) med användning av CDCI3 som lösningsmedel. För en 300 MHz NMR-spektrometer, är ett H-NMR-spektrum av diolen enligt följande: δ = 0,78 (t, 3H, J = 7,4 Hz), 0,87 (t, 3H, J = 7,3 Hz), 1,18-1,40 (m , 4H), 1,75-1,81 (m, 1H), 1,91 (s, 1H, OH), 3,12 (s, 1H, OH), 4,68 (d, 1H, J = 1,2 Hz), 7,19-7,37 (m, 6H ), 7,44-7,46 (m, 2H), 7,61-7,63 (m, 2H).
3. Pinacol-reaktion av tetrafenyl-1 ,2-etandiol (1) med dietylketon
- Lös 366 mg av tetrafenyl-1 ,2-etandiol (1, 1 mmol) och 345 mg (423 | il) av dietyl-keton (4 mmol) i 3ml torr diklormetan.
- Tillsätt 1 ml av den separat framställda titan (IV)-tert -butoxide/triethylchloro-silane lösning (0,1 mmol).
- Rör om den resulterande blandningen vid rumstemperatur i ett förseglat reaktionsrör.
- Bekräfta att reaktionen är fullständig genom tunnskiktskromatografi (elueringsmedel: hexan / aceton, 9:1) på silikagel TLC-plattor (60 F254). I slutet av reaktionen uppnås vid den tiden, då tetrafenyl-1 ,2-etandiol 1 inte kan upptäckas (~ 12 timmar). Rf för produkten är 0,3 14.
- Späd den resulterande reaktionsblandningen med 50 ml diklormetan.
- Tvätta den utspädda reaktionsblandningen successivt med 20 ml mättad vattenhaltig ammoniumklorid och natriumkarbonatlösning i en separationstratt.
- Isolera det organiska skiktet genom en separationstratt.
- Det organiska skiktet torkades genom omröring över torrt magnesiumsulfat.
- Filtrera suspensionen genom ett räfflat papper filter och samla filtraten.
- Avlägsna diklormetan i vakuum vid 40 ° C med användning av en rotationsindunstare (10-30 mm Hg). Indunstning av de flyktiga beståndsdelarna kommer att kräva 30 min.
- Rena den återstående resten genom flash-kolonnkromatografi genom en kolonn av kiselgel (0,035-0,070 mm, Acros) med en gradient av hexan / aceton (från 19:01 och gå ned till 16:04) för att förvärva 250 mg 1, 2-diol 4f (0,93 mmol).
- Bekräfta identiteten av produkten med en H-kärnmagnetisk resonansspektroskopi (NMR) med användning av CDCI3 som lösningsmedel. För en 300 MHz NMR-spektrometer, är ett H-NMR-spektrum av diolen 4f enligt följande: δ = 0,92 (t, 6H, J = 7,6 Hz), 1,78 (m, 4H), 2,03 (s, 1H, OH), 2,83 (s, 1H, OH), 7,26-7,35 (m, 6H), 7,69-7,71 (m, 4H).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I reaktioner av tetrafenyl-1 ,2-etandiol 1 och aceton i närvaro av katalytiska mängder av titan (IV)-alkoxider vi observerade bildningen av 1,1-difenyl-1 ,2-diol 4a och på samma gång bildningen bensofenon 3 (schema 1). Motsvarande symmetriska 1,2-diol bildas av en konkurrenskraftig pinakol koppling av aceton upptäcktes inte. Emellertid var att få kvantitativa omvandlingar extremt långa och oacceptabla reaktionstider som krävs under dessa förhållanden. En avsevärd ökning av reaktionshastigheter observerades genom tillsats av trialkylchlorosilanes. Generellt hög avkastning inom acceptabla reaktionstider märktes. Längre fram blir möjligt en katalytisk prestanda som ytterst förenklar reningsprocessen av produkterna.
Bästa resultat uppnåddes genom att placera ut 5 till 10 mol-% trietylklorsilan liksom titan (IV)-tert-butoxid.Med hjälp av denna katalysatorkombination oönskade konkurrerande reaktioner undveks (Meerwein-Ponndorf-Verley reaktioner, bildning av silylethers eller pinakol omlagring). Genom utbyggnaden av skrymmande trialkylchlorosilanes längre reaktionstider observerades igen.
Reaktionerna utfördes i diklormetan vid RT. Andra lösningsmedel som toluen eller acetonitril visade sig också vara tillämpliga. Schlenk-villkor (inerta villkor, argon) inte behövs, men reaktionsröret bör vara väl tillsluten. De katalytiska species inaktiverades genom exponering för luft. Men det kan lätt regenereras därefter genom spolning med en kväve-eller argonatmosfär. Även ordningen för tillsats av reaktanter och reagens var obetydlig. Utplacering av α-ogrenade aldehyder resulterade i en partiell bildning av motsvarande acetales (2A, 2B och 2p, tabell 1). I de flesta andra fall var dioler isorade med utmärkta utbyten.
Utplaceringen av ketoner utvidgas betydligt produktdefinitionen för denna metod (tabell 2). En mindre ökning av den katalysatormängd (10 mol-%) krävdes för att ge den motsvarande 1,2-dioler 4a - s i gott som kvantitativa utbyten. Återigen, inga symmetriska dioler bildade under dessa reaktionsbetingelser.
Schema 1. Retropinacol / tvär pinakol reaktion av tetraphenylethane-1 ,2-diol med aceton.
Reaktionsschema 2. Retropinacol / tvär pinakol reaktion av 2,3-difenyl-dimetyl-tartrat med isobutyraldehyde.
Tabell 1. Retropinacol / kors pinacol kopplings reaktioner med aldehyder.
Tabell 2. Retropinacol / kors pinacol kopplingsreaktioner med ketoner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En övergripande minskning av reaktionstider och högre avkastning observeras genom utplacering av elektronrika karbonylföreningar (jämför posten 3 med 17, tabell 1 eller posten 19 med 13, tabell 2). Dessutom, i reaktioner av ketoner med skrymmande substituenter en minskning av avkastningen observeras under jämförbara förhållanden (jämför post 12 med 11, tabell 2).
Även om ett brett spektrum av karbonylföreningar kan tillämpas i detta nya förfarande, olika start geminala dioler begära en optimering av reaktionsbetingelser. Detta gäller speciellt för functionalized 1,2-dioler. För att demonstrera detta har vi testat 2,3-difenyl-dimetyl-tartrat (6) som ett alternativ till utgångsföreningen under liknande reaktionsbetingelser. Genom att öka mängden av trietylklorsilan kunde uppnås även en retropinacol / tvär pinakol koppling av dimetyltartrat 6med enoliserbara aldehyder (isobutyraldehyd) (Schema 2).
Utifrån denna enkla förlängningen av denna nya metod, antas det att den beskrivna retropinacol / kors pinacol koppling koncept kan generaliseras till syntesen av ytterligare osymmetriskt vicinala 1,2-dioler, t.ex. inom totalsyntes av naturliga produkter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar inga konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Författarna tackar Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bayer Pharma AG, Chemtura Organometallics GmbH Bergkamen, Bayer Services GmbH, BASF AG och Sasol GmbH för ekonomiskt stöd.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1,2-Dichloromethane | Sigma-Aldrich | 319929 | |
| Titanium(IV) tert-butoxide | VWR International | 200014-852 | |
| 2-Ethylbutyraldehyde | Sigma-Aldrich | 110094 | |
| Benzopinacol | Aldrich | B9807 | |
| Triethylchlorosilane | Aldrich | 235067 | |
| Hexane, certified ACS | Fisher Scientific | H29220 | |
| Acetone, certified ACS | ACROS | 42324 | |
| Ammonium chloride | ACROS | 19997 | |
| Sodium hydrogen carbonate | ACROS | 12336 | |
| Magnesium sulfate | ACROS | 41348 | |
| Silica gel 60 F254 TLC plates | VWR International | 1,057,140,001 | |
| Silica gel, 0.035-0.070 for flash-chromatography | ACROS | 240360300 |
References
- Hirao, T. Catalytic reductive coupling of carbonyl compounds - The pinacol coupling reaction and. 279, 53-75 (2007).
- Chatterjee, A., Joshi, N. N. Evolution of the stereoselective pinacol coupling reaction. Tetrahedron. 62, 12137-12158 (2006).
- Ladipo, F. T. Low-valent titanium-mediated reductive coupling of carbonyl compounds. Curr. Org. Chem. 10, 965-980 (2006).
- Gansäuer, A., Bluhm, H. Reagent-controlled transition-metal-catalyzed radical reactions. Chem. Rev. 100, 2771-2788 (2000).
- Duan, X. -F., Feng, J. X., Zi, G. -F., Zhang, Z. -B. A Convenient synthesis of unsymmetrical pinacols by coupling of structurally similar aromatic aldehydes mediated by low-valent titanium. Synthesis. , 277-282 (2009).
- Paquette, L. A., Lai, K. W. Pinacol macrocyclization-based route to the polyfused medium-sized CDE ring system of lancifodilactone. G. Org. Lett. 10, 3781-3784 (2008).
- Maekawa, H., Yamamoto, Y., Shimada, H., Yonemura, K., Nishiguchi, I. Mg- promoted mixed pinacol coupling. Tetrahedron Lett. 45, 3869-3872 (2004).
- Kang, M., Park, J., Pedersen, S. F. Pinacol cross coupling reactions of ethyl 2-alkyl-2-formylpropionates. stereoselective synthesis of 2,2,4- trialkyl-3-hydroxy-γ-butyrolactones. Syn. Lett. , 41-43 (1997).
- Askham, F. R., Carroll, K. M. Anionic zirconaoxiranes as nucleophilic aldehyde equivalents. application to intermolecular pinacol cross coupling. J. Org. Chem. 58, 7328-7329 (1993).
- Hou, Z., Takamine, K., Aoki, O., Shiraishi, H., Fujiwara, Y., Taniguchi, H. Nucleophilic Addition of lanthanoid metal umpoled diaryl ketones to electrophiles. J. Org. Chem. 53, 6077-6084 (1988).
- Groth, U., Jung, M., Vogel, T. Intramolecular chromium(II)-catalyzed pinacol cross coupling of 2-Mmethylene-α,ω-dicarbonyls. Syn. Lett. , 1054-1058 (2004).
- Appendino, G. Synthesis of Modified Ingenol Esters. Eur. J. Org. Chem. , 3413-3420 (1999).
- Spaccini, R., Pastori, N., Clerici, A., Punta, C., Porta, O. Key role of Ti(IV) in the selective radical-radical cross-coupling mediated by the Ingold-Fischer effect. J. Am. Chem. Soc. 130, 18018-18024 (2008).
- Leonard, J., Lyfo, B., Procter, G. Advanced Practical Organic Chemistry. , 3rd ed, CRC Press. (2013).
- Scheffler, U., Stoesser, R., Mahrwald, R. Retropinacol / cross-pinacol coupling reactions - a catalytic access to 1,2-unsymmetrical diols. Adv. Synth. Cat. 354, 2648-2652 (2012).
