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Chemistry

Synthèse et purification de Iodoaziridines implication quantitative de sélection de la phase stationnaire optimale pour chromatographie

doi: 10.3791/51633 Published: May 16, 2014

Summary

Un protocole pour la préparation diastéréosélective d'un pot de cis - N-Ts-iodoaziridines est décrite. La génération de diiodomethyllithium, plus de N-Ts aldimines et cyclisation de la gemme-diiodure intermédiaire de iodoaziridines aminé est démontrée. Il comprend également un protocole pour évaluer rapidement et quantitativement la phase stationnaire la plus appropriée pour une purification par chromatographie.

Abstract

La préparation hautement diastéréosélective de cis - N-Ts-iodoaziridines par réaction de diiodomethyllithium avec N-Ts aldimines est décrite. Diiodomethyllithium est préparé par la déprotonation du diiodométhane avec LiHMDS, dans un mélange d'éther THF / diéthylique, à -78 ° C dans l'obscurité. Ces conditions sont essentielles pour la stabilité du réactif généré lichi 2. L'addition goutte à goutte subséquente de N-Ts aldimines à la solution de diiodomethyllithium préformée offre un amino-diiodure intermédiaire, qui n'est pas isolé. Un réchauffement rapide du mélange réactionnel à 0 ° C favorise la cyclisation pour donner iodoaziridines avec le cis-diastéréosélectivité exclusive. Les étapes d'addition et de cyclisation de la réaction sont médiés dans un ballon de réaction par un contrôle soigneux de la température.

En raison de la sensibilité des iodoaziridines pour la purification, l'évaluation de procédés appropriés de l'unité centralerification est nécessaire. Un protocole pour évaluer la stabilité des composés sensibles à des phases stationnaires pour la chromatographie sur colonne est décrite. Cette méthode convient d'appliquer à de nouveaux iodoaziridines, ou d'autres nouveaux composés potentiellement sensibles. Par conséquent, cette méthode peut trouver une application dans la gamme de projets de synthèse. La procédure consiste tout d'abord l'évaluation du rendement de la réaction, avant la purification, par une spectroscopie RMN H avec comparaison à un étalon interne. Une partie du mélange de produit impur sont ensuite exposées à des suspensions de diverses phases stationnaires pour la chromatographie appropriés, dans un système solvant approprié comme éluant en chromatographie flash. Après agitation pendant 30 min à imiter la Chromatographie, suivie par la filtration, les échantillons sont analysés par spectroscopie de 1H-RMN. Rendements calculés pour chaque phase stationnaire sont ensuite comparées à celle initialement obtenue à partir du mélange réactionnel brut. Les résultats obtenus donnent une évaluation quantitative de til stabilité du composé à différentes phases stationnaires; d'où l'optimal peut être sélectionné. Le choix de l'alumine de base, modifiée à activité IV, en tant que phase stationnaire appropriée a permis l'isolement de certaines iodoaziridines avec un excellent rendement et de la pureté.

Introduction

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Le but de cette méthode est de préparer iodoaziridines qui offrent un potentiel de fonctionnalisation de dérivés d'aziridine. Le procédé comprend un protocole pour la sélection quantitative de la phase stationnaire pour chromatographie en phase optimale.

Aziridines, comme des cycles à trois chaînons, possession inhérente souche anneau qui fait d'eux des blocs de construction importants en chimie organique 1. Ils affichent une vaste gamme de réactivité impliquant souvent anneau aziridine ouverture 2,3, en particulier comme intermédiaires dans la synthèse des amines fonctionnalisées 4,5, ou la formation d'autres hétérocycles contenant de l'azote 6,7. La synthèse d'une gamme de produits dérivés d'aziridine par fonctionnalisation d'un précurseur contenant un cycle aziridine intact a émergé comme une stratégie viable 8. Functional échange métal-groupe, pour générer un anion aziridinyle, et réaction avec des électrophiles a été montré pour être efficace N-protégées a également été atteint 12-15. Très récemment, catalysée par le palladium méthodes de couplage croisé pour former des aziridines d'aryle à partir de précurseurs d'aziridine fonctionnalisés a été développé par Vedejs 16,17, et nous 18.

La chimie des hétéroatomes substitué aziridines ouvre de fascinantes questions de réactivité et de stabilité 19. Nous nous sommes intéressés à la préparation de iodoaziridines comme un groupe fonctionnel roman qui offre le potentiel de fournir des précurseurs à une large gamme de produits dérivés avec une réactivité complémentaire à des réactions de fonctionnalisation aziridine existants. En 2012, nous avons signalé la première préparation de aryle N-Boc-iodoaziridines 20, et très récemment rapporté la préparation de aryle et alkyle N-Ts-iodoaziridines 21 substitué.

La méthode pour ACCEiodoaziridines ss diiodomethyllithium utilise un réactif qui a récemment également été employé dans la préparation de diiodoalkanes 22,23, 22,24 diiodomethylsilanes, et des iodures de vinyle de 25 à 27. La nature carbénoïde comme de ce réactif nécessite une préparation et l'utilisation à des températures basses 22,28. Les techniques et les conditions utilisées pour la génération de diiodomethyllithium dans la préparation d'iodoaziridines sont décrits ci-dessous.

Alors que la silice est apparu comme le matériau de choix pour la chromatographie 29, il s'est avéré inadapté pour la purification de N-Ts-iodoaziridines. Le gel de silice est généralement le premier et le seul matériau solide de phase utilisé en chromatographie flash en chimie organique en raison de la disponibilité et efficaces séparations. Cependant, la nature acide de gel de silice peut provoquer la décomposition de substrats sensibles au cours de la purification, la prévention de l'isolement de la matière désirée. Alors que d'autres stationary phases ou des gels de silice modifiés sont disponibles pour 30 la Chromatographie, il était impossible d'évaluer la compatibilité de la molécule cible de ces différents matériaux. En raison de la nature sensible des iodoaziridines, nous avons établi un protocole pour évaluer la stabilité d'un composé à un ensemble de phases stationnaires 21, ce qui est démontré ici. Ceci a des possibilités d'application dans la synthèse d'une large gamme de composés ayant des groupes fonctionnels sensibles. Le protocole suivant fournit un accès efficace à iodoaziridines N-Ts, permettant la synthèse diastéréosélective de deux alkyle et cis-iodoaziridines aromatiques avec un rendement élevé.

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Protocol

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Une. Préparation de Iodoaziridines avec Diiodomethyllithium

  1. Flamme sécher un ballon de 100 ml à fond rond contenant un barreau d'agitateur et équipé d'un septum, sous un courant d'argon, puis on laisse refroidir à la température ambiante sous une atmosphère d'argon. REMARQUE: Verrerie séché dans un four pendant la nuit (125 ° C) et refroidi à température ambiante dans un mode analogue est également approprié.
  2. Dans le ballon, ajouter 5,7 ml de THF anhydre et 2,7 ml de Et 2 O anhydre via une seringue, et l'hexaméthyldisilazane fraîchement distillé (1,50 mmol, 315 ul) par l'intermédiaire d'une microseringue.
  3. Agiter la solution résultante et on refroidit à -78 ° C dans un bain de glace / acétone sec dans un vase de Dewar de taille convenable pour permettre au ballon d'être bien immergée. Couvrir le vase de Dewar de papier d'aluminium, afin de minimiser l'exposition de la cuve de réaction à la lumière.
  4. Ajouter n BuLi (1,50 mmol, 0,60 ml, 2,5 M dans des hexanes) goutte à goutte via une seringue sur 2 à 3 min à la solution à -78 ° C.Laisser le mélange sous agitation à -78 ° C pendant encore 30 minutes pour former une solution 0,17 M de LiHMDS. ATTENTION: solution n BuLi est inflammable, corrosif pour la peau et pyrophore. L'excès de réactif dans la seringue doit être arrêtée en conséquence.
  5. Après 30 min, ajouter 1 ml de THF anhydre à un ballon à fond séché à la flamme 10 ml rondes moyen d'une seringue, suivie par diiodométhane (1,70 mmol, 135 pi) par l'intermédiaire d'une micro-et de s'assurer qu'ils sont bien mélangés.
  6. Ajouter goutte à goutte la solution de diiodométhane plus de 2 min à la solution de lithium de l'hexaméthyldisilazane, à -78 ° C. Laissez cette solution pendant 20 min à -78 ° C.
  7. Pendant ce temps, pesez N - [(E)-4-methylphenylmethylidene]-4-méthylbenzènesulfonamide (137 mg, 0,50 mmol) dans un autre séché à la flamme 10 ml flacon à fond rond et à se dissoudre dans 2,0 ml de THF anhydre.
  8. Après le temps de la déprotonation de 20 min, ajouter goutte à goutte la solution d'imine de la solution de diiodomethyllithium sur 5 min à -78 & #176; C.
  9. Immédiatement après l'addition goutte à goutte est terminée, soulever la cuve de réaction du bain de glace carbonique, et la transfère à un bain de glace / eau à 0 ° C. Remettre la feuille d'aluminium et laisser reposer pendant 15 min à 0 ° C. NOTE: La solution doit être de couleur orange.
  10. Après 15 min à 0 ° C, arrêter la réaction par l'addition de 30 ml de solution de bicarbonate de sodium aqueux saturé. Transférer le mélange dans une ampoule à décanter et ajouter 30 ml de CH 2 Cl 2. Agiter le mélange et retirer le CH 2 Cl 2 couche inférieure. Répétez cette procédure d'extraction deux autres fois, et de combiner les deux couches CH 2 Cl.
  11. Ajouter du sulfate de sodium pour les couches organiques pour éliminer toute l'eau présente dans la solution, puis filtrer le sulfate de sodium et recueillir le filtrat dans 250 ml d'un flacon à fond rond.
  12. Eliminer le solvant sous pression réduite sur un évaporateur rotatif pour donner un échantillon impur du produit désiré iodoaziridine.

2. L'évaluation de la stabilité du produit à des phases stationnaires pour la chromatographie

  1. Dissoudre l'échantillon d'aziridine brut dans CH 2 Cl 2 (16 ml) et ajouter le 1,3,5-triméthoxybenzène (28,0 mg, 0,167 mmol) comme étalon interne, en veillant à ce soit complètement dissous. Prélever une partie aliquote (2 ml) de ce mélange, éliminer le solvant sous pression réduite et d'analyser cet échantillon par spectroscopie RMN 1 H.
  2. Ouvrir le spectre RMN 1 H enregistré à l'aide d'un logiciel de traitement de RMN. En Mestrenova, cliquez droit sur le spectre et choisissez "intégration", puis "manuel" pour fournir l'outil d'intégration. Cliquez et faites glisser pour couvrir la largeur des pics à 6,08 ppm et à 4,87 ppm d'intégrer les signaux de la norme interne et le signal de CHI aziridine respectivement. Faites un clic droit sur l'intégrale du pic à 6,08 ppm, sélectionnez "modifier intégrante" et modifiez la valeur "normalisée" à 3,0. NOTE: Des mesures similaires peuvent être appliquées à d'autres logiciels.
  3. Utiliser la valeur mise à jour de l'intégrale du signal aziridine de CHI (4,87 ppm) afin de déterminer le rendement de la iodoaziridine, ici à l'aide (100/3) × (l'intégrale du signal CHI), ce qui donne un rendement calculé de 59%. NOTE: Compte tenu de la quantité connue de l'étalon interne (0,167 mmol), et le pic de produit correspondant à 1 proton, le rendement en iodoaziridine est calculée par l'équation suivante: 100 x (intégrante du pic du produit) x (moles de l'étalon interne) / moles matière de départ.
  4. Préparer des suspensions des phases suivantes fixes (25 g): la silice, la silice + 1% de NEt 3 (triéthylamine), de l'alumine neutre, de l'alumine basique (activité I), de l'alumine basique (activité IV) et de Florisil, chacune 5% de EtOAc / hexane en (50 ml), dans six flacons de 250 ml coniques séparés contenant des barres d'agitateur. Dans un autre erlenmeyer de préparer un mélange EtOAc / solution dans l'hexane à 5% (50 ml), pour être utilisé comme une expérience témoin. ATTENTION: Silicun gel, d'alumine et d'autres phases stationnaires employés sont dangereux en cas d'inhalation, devrait donc toujours être manipulé dans une hotte efficace.
  5. Ajouter 2 ml d'aliquotes de la / solution d'étalon interne de iodoaziridine à chacune des fioles coniques à TA. Incorporer les mélanges de boues pour 30 min. REMARQUE: cela représente la durée du composé peut être exposé à la phase stationnaire au cours d'une procédure de chromatographie sur colonne flash normal.
  6. Filtrer les mélanges de boues à l'aide d'un entonnoir fritté, et recueillir le filtrat dans 250 ml d'un flacon à fond rond. Laver le résidu à l'entonnoir fritte avec CH 2 Cl 2 (2 x 30 ml). Répétez ce processus de filtrage pour les boues restantes. NOTE: Il convient de compenser le début de chaque phase stationnaire pour laisser le temps à la filtration et ainsi de maintenir en même temps pour chacun des matériaux en phase stationnaire.
  7. Éliminer le solvant à partir des échantillons obtenus sous pression réduite, et l'analyse par RMN 1 H spectroSCOPY pour calculer le montant de iodoaziridine récupéré dans chaque cas, comme décrit à la section 2.2.
  8. Comparez les rendements de iodoaziridine obtenus à partir de chaque phase stationnaire testé avec celle obtenue à la section 2.1. NOTE: L'échantillon donnant le rendement le plus élevé, de préférence le même que dans 2.1, indique la phase stationnaire pour chromatographie en phase optimale. Dans cet exemple, de l'alumine basique (activité IV) a été considérée comme la meilleure phase stationnaire pour la purification.

3. Désactivation de l'alumine basique et purification de la Iodoaziridine

  1. Répétez la section 1 pour générer le mélange iodoaziridine brut.
  2. Pour générer de l'alumine basique (activité IV), ajouter 100 g d'alumine basique (activité I) pour 500 ml flacon à fond rond, puis ajouter 10 ml d'eau dans le ballon et en forme avec un bouchon de verre.
  3. Agiter le flacon vigoureusement jusqu'à disparition des grumeaux sont visibles, indiquant une répartition uniforme de l'eau tout au long de l'alumine. Laisser refroidir l'alumine à la température ambiante. ATTENTION: l'adsorptiontion de l'eau est exothermique, de sorte que le ballon peut faire chaud et peut entraîner une accumulation de pression. Libérer de toute pression fréquemment.
  4. Purifier le iodoaziridine brut par Chromatographie sur colonne en utilisant de l'alumine basique (activité IV) en tant que phase stationnaire, en éluant avec de l'hexane, titrant à 5% de EtOAc / hexane. REMARQUE: Les fortes concentrations de EtOAc doivent pas être utilisés avec de l'alumine basique. Dans ces cas, l'éther diéthylique peuvent être utilisés à la place.
  5. Combiner les fractions contenant le produit et éliminer le solvant sous pression réduite pour obtenir le iodoaziridine pure.

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Representative Results

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La procédure décrite donne le cis - (±)-2-iodo-3-(4-tolyl) -1 - (4-tolylsulfonyl) aziridine en tant que diastéréoisomère unique et avec une pureté excellente (figure 1). Avant la purification, avec un rendement de 59% du produit de iodoaziridine a été calculée par spectroscopie RMN 1 H. Toutefois, ce iodoaziridine a été particulièrement difficile à purifier et a subi une décomposition importante de silice. Une purification sur de l'alumine basique (activité IV) telle que déterminée par l'écran de phase stationnaire a permis au produit d'être isolé avec un rendement de 48%. Les résultats de l'écran de phase stationnaire sont illustrés sur la figure 2. Après filtration, l'analyse des spectres RMN 1 H donne une série de rendements pour les différents matériaux utilisés, par rapport à l'étalon interne. Ces rendements sont représentatifs du rendement isolé qui peut être attendu après chromatographie sur une colonne de phase stationnaire que spécifique. Alumine de base (activité IV)retourne le rendement le plus élevé (53%), ce qui est le plus proche du rendement calculé par RMN 1H. Par conséquent, de l'alumine basique (activité IV) a été choisie en tant que phase stationnaire pour la Chromatographie sur colonne pour la purification de l'iodoaziridine N-Ts. Les rendements isolés, après chromatographie, sont comparables à ceux prévus.

Une large sélection de iodoaziridines peut être consulté par cette méthode avec un rendement élevé (voir la figure 3 pour des exemples représentatifs). Deux des groupes alkyle et aromatiques N-Ts imines sont compatibles avec la réaction, y compris le stériquement exigeant de tert-butyle et des exemples d'ortho-tolyle. La réaction est proposé de se produire par déprotonation du diiodométhane en lithium de l'hexaméthyldisilazane, à -78 ° C, en formant diiodomethyllithium (Figure 4). Lors de l'addition de l'aldimine N-Ts, l'addition nucléophile de l'anion diiodométhane de l'imine à -78 ° C donne l'aminé gem -diiodure intermédiaire. Après réchauffement 0 ° C induit une cyclisation diastéréosélective de l'amino-bijou diiodide intermédiaire, offrant les cis - N-Ts-iodoaziridine exclusivement. La cyclisation se produit hautement stéréosélective avec le cis-iodoaziridine est favorisée par rapport à la trans-iodoaziridine en raison des interactions stériques subtils dans l'état de transition de cyclisation.

Lors de l'optimisation de la réaction, il était évident que le contrôle de la température et le calendrier des différentes étapes est essentielle à l'issue de la réaction (figure 5). La trempe de la réaction à -78 ° C sans réchauffer conduit à la formation de la N-iodoaziridine Ts et l'extrémité amino-gem-diiodure. Cependant, les produits subissent une dégradation dans les conditions de réaction, ce qui est évité en chauffant et en réduisant les temps de réaction.

"Figure Figure 1. Iodoaziridine Formation du para-tolyle et le spectre de RMN 1 H correspondant du mélange de produit brut contenant le iodoaziridine et le 1,3,5-triméthoxybenzène.

Figure 2
. Figure 2: Procédé pour une étude de stabilité de RMN de H pour le para-tolyl iodoaziridine avec différentes phases stationnaires; la meilleure récupération de iodoaziridine est observé en utilisant de l'alumine basique (activité IV) (53%).

Figure 3
Figure 3. Champ d'application de la réaction de iodoaziridination sélectionnée.

<p class = "jove_content" fo: keep-together.within page = "always"> Figure 4
Figure 4. Mécanisme proposé de la réaction et la justification de diastéréosélectivité.

Figure 5
Figure 5. Ratio de iodoaziridine aux acides gem-diiodure avec plus ou moins de temps de réaction et la température.

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Discussion

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Un procédé pour la préparation diastéréosélective de cis - N-Ts-iodoaziridines est décrite, et aussi d'un protocole de l'étude de stabilité pour indiquer quantitativement le meilleur phase stationnaire pour la purification de composés potentiellement instables par Chromatographie éclair sur colonne. Il est prévu que l'accès à iodoaziridines grâce à cette approche permettra méthodes pour accéder à un large éventail de aziridines à être développé, par dérivation de l'anneau intact.

Une modification appropriée de la procédure d'imines avec une α-proton, est d'utiliser des produits d'addition d'acides sulfiniques de toluène-imine comme matières de départ à la place de l'imine en raison de l'amélioration de la stabilité au stockage et à la manipulation. A partir de ce matériau de départ, un équivalent supplémentaire à la fois de diiodométhane et LiHMDS doit être utilisée pour générer de l'imine in situ.

Dans la préparation de la solution de LiHMDS, l'hexaméthyldisilazane doit être fraîchement distillermené avant l'utilisation. Amine qui n'a pas été distillée peut entraîner plus d'un produit aminal mineur étant formé, par addition directe de la base dans l'aldimine. Ce produit aminal de côté est aussi plus fréquente lors de l'utilisation LiHMDS commerciales solutions, plutôt que d'une solution fraîchement préparée. Les solutions commerciales n BuLi doivent être titrés régulièrement afin de déterminer la concentration de contrôler précisément la quantité utilisée dans la réaction. Les diiodures et produits de iodoaziridine sont sensible à la lumière et donc la réaction doivent être couverts et l'exposition du produit à la lumière doivent être minimisées. Une exposition prolongée à la lumière conduit à la décomposition, de sorte que les iodoaziridines isolés doit être conservé à -20 ° C dans l'obscurité.

La procédure décrite est limitée à ramifiés imines avec l'imine ou l'autre des produits d'addition d'acide ou imine-sulfinique; que de faibles rendements sont obtenus pour des imines alkyles primaires. Cela est dû à l'ajout direct préférentiel de LiHMDS à l'aldimine, au cours de lasouhaité plus de diiodomethyllithium, pour des substrats moins encombrement stérique.

A notre connaissance, il n'existe pas de méthode permettant de quantifier la stabilité d'un composé de phases stationnaires. Ceci est particulièrement important pour de nouvelles classes de composés ou de nouvelles petites molécules groupes fonctionnels. Le protocole décrit ici permet une indication rapide de la stabilité de la iodoaziridine aux différentes phases stationnaires, tout en fournissant la possibilité d'identifier des produits de décomposition qui pourraient être formées sur la Chromatographie sur colonne. Le protocole d'évaluation quantitative de la stabilité des phases stationnaires à iodoaziridines a un potentiel pour une application dans la purification d'une large gamme de composés ayant des groupes fonctionnels sensibles, en raison de la nature générale et la facilité de l'installation.

Il ya un certain nombre d'étapes critiques dans le protocole. L'addition goutte à goutte de la solution d'imine / THF pendant 5 minutes est crucial pour le rendement de la prODUIT obtenu. Des temps d'addition ont montré pour donner moins de produit de iodoaziridine souhaitée. Purification sur alumine basique (activité IV) est essentielle; utilisation des résultats de la silice dans les produits de décomposition observé. Alumine de base (activité IV) n'est pas disponible dans le commerce et doit être préparé avant d'utiliser, comme décrit dans le protocole (3.2 et 3.3).

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Acknowledgments

Pour un soutien financier, nous tenons à remercier l'EPSRC (Carrière Accélération Bourse de Commission paritaire de recours; EP/J001538/1), le Memorial Trust Ramsay (bourse de recherche de 2009 à 2011 à JAB), et l'Imperial College de Londres. Merci à M. Alan Armstrong pour le soutien et les conseils généreux.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hexamethyldisilazane 999-97-3 Alfa Aesar Distill from KOH under argon prior to use.
n-Butyllithium 109-72-8 Sigma Aldrich 2.5 M in hexanes, titrate prior to use.
Diiodomethane 75-11-6 Alfa Aesar Contains copper as a stabilizer.
1,3,5-Trimethoxybenzene 621-23-8 Sigma Aldrich
Silica 112945-52-5 Merck
Basic alumina 1344-28-1 Sigma Aldrich
Neutral alumina 1344-28-1 Merck
Florisil 1343-88-0 Sigma Aldrich
THF All anhydrous solvents were dried through activated alumina purification columns. 
Et2O
CH2Cl2
NMR spectrometer Bruker AV 400  n/a
NMR processing software MestReNova  7.0.2-8636

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Synthèse et purification de Iodoaziridines implication quantitative de sélection de la phase stationnaire optimale pour chromatographie
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Boultwood, T., Affron, D. P., Bull, J. A. Synthesis and Purification of Iodoaziridines Involving Quantitative Selection of the Optimal Stationary Phase for Chromatography. J. Vis. Exp. (87), e51633, doi:10.3791/51633 (2014).More

Boultwood, T., Affron, D. P., Bull, J. A. Synthesis and Purification of Iodoaziridines Involving Quantitative Selection of the Optimal Stationary Phase for Chromatography. J. Vis. Exp. (87), e51633, doi:10.3791/51633 (2014).

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