Metall-fri Syntese av Ynones fra acylklorider og Kalium Alkynyltrifluoroborate Salts

Summary

The goal of this manuscript is to demonstrate a straightforward method for the preparation of ynones from acyl chloride and potassium alkynyltrifluoroborate salt starting materials. The one-pot reaction proceeds rapidly in the presence of boron trichloride without exclusion of air and moisture.

Abstract

Ynones are a valuable functional group and building block in organic synthesis. Ynones serve as a precursor to many important organic functional groups and scaffolds. Traditional methods for the preparation of ynones are associated with drawbacks including harsh conditions, multiple purification steps, and the presence of unwanted byproducts. An alternative method for the straightforward preparation of ynones from acyl chlorides and potassium alkynyltrifluoroborate salts is described herein. The adoption of organotrifluoroborate salts as an alternative to organometallic reagents for the formation of new carbon-carbon bonds has a number of advantages. Potassium organotrifluoroborate salts are shelf stable, have good functional group tolerance, low toxicity, and a wide variety are straightforward to prepare. The title reaction proceeds rapidly at ambient temperature in the presence of a Lewis acid without the exclusion of air and moisture. Fair to excellent yields may be obtained via reaction of various aryl and alkyl acid chlorides with alkynyltrifluoroborate salts in the presence of boron trichloride.

Introduction

The intention of this video is to demonstrate a straightforward approach for the preparation of compounds containing an ynone functional group from convenient starting materials. Ynones are valuable building blocks in organic chemistry that have been shown to have biomedical and material significance. Ynones are precursors to valuable organic functional groups including pyrimidines,^1,2 quinolones,³ furans,⁴ pyrazoles,^5,6 flavones,⁷ oximes,⁸ and chiral propargylic alcohols.^9-11 A more convenient method for the preparation of ynones has been sought as a result of the drawbacks of traditional methods including poor functional group tolerance and tedious synthetic routes.

The reaction of metal^12,13 and metalloid¹⁴ acetylides with acyl chlorides is one common route for the preparation of ynones. Alternatively, the synthesis of ynones from acyl chloride can be achieved via two-step procedures using Weinreb amides and organolithium or Grignard reagents.¹⁵ Another prevalent approach includes the addition of organolithium or Grignard reagents to an aldehyde, which is followed by the oxidation of a secondary alcohol to the corresponding ketone.^16-19 Poor functional group tolerance of metal acetylides and the need to purify synthetic intermediates after each step are main deficiencies of the aforementioned methods. Transition-metal-catalyzed carbonylative couplings have recently emerged as an alternative approach for the preparation of ynones.^20-22 Unfortunately, in addition to cost and toxicity associated with transition metals, metal-catalyzed carbonylative reactions often require elevated CO pressures and suffer from the presence of an undesired Sonogashira coupling byproduct. Given their utility in organic synthesis as well as the drawbacks associated with traditional synthetic methods, the development of a more straightforward method for the preparation of ynones is appealing.

Potassium organotrifluoroborate salts have recently emerged as versatile reagents in organic synthesis. Advantages including ease of preparation,²³ inherent stability, low toxicity, and good functional group tolerance have made organotrifluoroborate salts attractive synthetic reagents.^24-27 Organotrifluoroborate salts have been used primarily as a bench-stable equivalent of boronic acids for palladium-catalyzed Suzuki-Miyaura coupling.²⁶ Recently, following a seminal work by Matteson and co-workers,²⁸ Bode, Molander and others have highlighted the utility of organotrifluoroborates as reagents in non-metal catalyzed reactions.^29-33 The field of transition-metal-free reactions of trifluoroborates is still in its infancy stage. Given the great potential for use of organotrifluoroborate salts in non-metal catalyzed organic synthesis, we sought to develop a novel method for the preparation of ynones from acyl chlorides and alkynyltrifluoroborate salts.

Protocol

1. Synthesis of Ynone Ved å bruke en analytisk vekt, veie 0,15 mmol av det ønskede kaliumsalt alkynyltrifluoroborate (1,5 ekvivalenter) og legge på en ren ampulle utstyrt med en magnetisk rørestav. Ved hjelp av et glass stempel sprøyte med nål, tilsett 0,5 ml vannfri DCM til hetteglasset for å ha råd til en 0,3 M løsning av trifluoroborate. MERK: Siden dette er en ny metodikk, har reaksjonene vært utført om bevis på konseptet. For å redusere avfall de har vært utført på en liten skala. Reaksjonen kan bli skalert til å produsere større utbytter etter behov. Ved hjelp av en glassprøyte, tilsett 0,15 mmol av 1,0 M bortriklorid løsning (1,5 ekvivalenter, 150 ul) tilsatt til reaksjonsbeholderen ved omgivelsestemperatur (20 ° C) under omrøring. Sett på lokket. Holder eller klemme den korkede reaksjonsbeholderen slik at reaksjonsløsningen er under vannlinjen i sonikator. Sonikere løsningen i 30 sekunder ved 20 ° C og en frekvens of 40 kHz. Omrør reaksjonsløsningen ved romtemperatur (20 ° C) i ytterligere 20 min. Avhengig av arten av det alkynyltrifluoroborate utgangsmateriale, observere en fargeforandring. En fargeendring fra hvit til tan eller mørk brun, rød eller lilla er vanlig. Tilsett 0,1 mmol av det ønskede acylklorid (1,0 ekvivalent) til flasken ved romtemperatur (20 ° C) under omrøring. Alternativt kan overføre innholdet i reaksjonsbeholderen til en kolbe fylt med en magnetisk rørestav og 0,1 mmol av acylklorid. Sett på lokket. Omrør reaksjonsblandingen i oppløsning ved omgivelsestemperatur (20 ° C) i 30 min. MERK: Vanligvis er en endring i en veldig mørk farge en indikasjon på at reaksjonen foregår. Ved hjelp av en tynnsjiktskromatografi (TLC) 34 overvåke utviklingen av reaksjonen ved å sammenligne med passende acylklorid standard. MERK: Avhengig av typen av utgangsmaterialer, kan det hende at reaksjonen ikke gå til fullføring. Asyl klorid utgangsmaterialet har blitt observert som en høyere løpende sted enn det endelige produktet for alle ynones forberedt på å date ved hjelp av denne metoden. Forbered acylklorid standard ved å fortynne ca. 10 mg av acylklorid utgangs materiale med en ml etylacetat i en liten ampulle. Ved hjelp av en TLC observatør, spot reaksjonsløsningen og standard til start av TLC-platen. En co-sted med både reaksjonsløsningen og standard kan være nyttig for å bestemme om det fortsatt er utgangsmateriale er tilstede i reaksjonsoppløsningen. Bestem en passende TLC mobilfase ved å prøve og feile. For fremstilling av produktet 1a, en mobil fase som består av 01:30 etylacetat: heksaner resulterer i R-f-verdier på ca. 0,5 og 0,8 for ynone produkt og benzoylklorid utgangsmateriale, hhv. Visualisere utviklet TLC plate under UV-lys. Bruk en blyant til å merke noen synlige flekker. 2. vandig opparbeidelse Stans reaksjonen ved tilsetning av en 1 ml kaldt vann (ca. 5 ° C) til reaksjonsbeholderen. Ved hjelp av en Pasteur-pipette, overføres oppløsningen til en ren skilletrakt. Videre fortynnes innholdet i skilletrakt med 10 ml kalde vann og ekstraher produktet en gang i 15 ml etylacetat. Kast den nedre vandige lag og vask det organiske lag en ytterligere gang med 10 ml vann, og en gang med 10 ml saltoppløsning. Samle det organiske lag i en ren Erlenmeyerkolbe og tørk med magnesiumsulfat. Filtrer løsningen i en ren kolbe med rund bunn ved hjelp av gravitasjonsfiltrering. 3. Rensing av Ynone Ved hjelp av tynnsjiktskromatografi, bestemme en egnet mobil fase for flashkromatografi rensing av produktet. En retensjonsfaktor (Rf) på ca 0,5 er generelt tilstrekkelig for å separere produktet fra en hvilken som helst gjenværende starting materielle og sideprodukter. NB: I tilfelle av dårlig separasjon, kan et mindre polart løsningsmiddelsystem anvendes, slik at produktet har en lavere Rf verdi. Avhengig av polariteten av utgangsmaterialene, en heksan: etylacetat-blanding i området fra 30: 1 til 5: 1 er vanligvis egnet. Forberede en kolonne som inneholder silika våt med riktig mobilfase. Legge et lag av sand på toppen av kolonnen for å unngå forstyrrende silika ved tilsetning av produktet og elueringsmiddel. Fordamp opparbeidelse oppløsning ved anvendelse av en rotasjonsfordamper ved badtemperatur på 40 ° C og rotasjonen satt til 120 rpm. Løs opp innholdet i kolben i løpet av 2 ml mobil fase og nøye laste oppløsningen jevnt på kolonnen. Sikre at silisiumdioksyd er våt, men løsningsmidlet linje ikke overstiger høyden av silika. Tillate noe løsningsmiddel for å eluere en slik som er på silika produktet. Tilsett en liten mengde av mobil fase og gjenta. Fyll colUMN med den mobile fasen bestemt i trinn 3.1; i tilfellet med produktet 1a, en 30: 1 heksaner: etylacetat-blanding er hensiktsmessig. Samle fraksjonene i reagensrør ved hjelp av kromatografi for å få fortgang i renseprosessen. Bare koble en adapter med slange til et luftuttak. Juster lufttrykket slik at elueringsmidlet strømmer gjennom kolonnen med en passende hastighet. Spot hver av kolonnefraksjonene på en TLC-plate. Eventuelt, spot acylklorid standard som en referanse. Utvikle TLC hjelp av mobilfase anses hensiktsmessig i trinn 1.8. Markerer ingen nummer synlig under UV-lys, og bemerker at produktet forventes å ha en lavere R f enn acylkloridet standard. Samle alle fraksjoner inneholdende synlige flekker til en stor rundbunnet kolbe. Dersom mer enn ett sted med en lavere Rf enn det utgangsmateriale er til stede, samle dem i separate kolber. Fordamp løsningsmidlet ved bruk av en rotasjonsfordamper, og tørke materialet oppsamlet under høyvakuum i to timer. Hvis nødvendig, utføre en pentan vaske på en liten kolonne for ytterligere å rense et ynone produkt fremstilt fra en elektron-fattig acylklorid utgangsmateriale. I liten skala kan dette bli utført ved anvendelse av en Pasteur pipette i kolonnen. Oppløs produktet i et minimum av kloroform, DCM, eller dietyleter, og belastningen på en silikakolonne våt med pentan. Elute 1-2 kolonne lengder av pentan gjennom kolonnen og samles opp i avfallsbegerglass. Eluere ren ynone produkt fra pentan kolonnen ved anvendelse av dietyleter eller etylacetat. Samle elueringsmiddel i en separat kolbe, fordamper, og plasser under høyt vakuum i minst to timer. Skaffe omtrent 10 mg av produktet for karakterisering ved hjelp av NMR-spektroskopi. 4. Karakterisering av Ynone Karakterisere og vurdere renhet av det endelige produkt ved hjelp av 1H og 13C NMR-spektroskopi. 34Vanligvis kommer den kjemiske forskyvning av karbonylkarbonet i nærheten av 177 ppm på 13 C NMR-spektrum. De to SP karboner av ynone funksjonelle gruppe er representert ved karakteristiske topper i nærheten 87 og 93 ppm. Benytte infrarød spektroskopi 34 for å identifisere den karakteristiske karbonyl toppen av ynone produktet. Elektron delokalisering fra tilstøtende trippelbinding forårsaker vanligvis karbonyl-topp skal være mellom 1600 og 1650 cm-1, avhengig av de elektroniske egenskaper for forbindelsen. Bestemme molekylvekt av produktet, og videre å bekrefte identiteten ved hjelp av høy-oppløsningsmassespektroskopi. 34

Representative Results

Innledende forsøk ble fokusert rundt fremstilling av ynone 1a fra fenylacetylen trifluoroborate S1 og benzoylklorid (figur 1). Tabell 1 illustrerer optimaliseringstrinn utføres herunder screening av forskjellige Lewis-syrer, løsemidler, samt undersøkelse av effekten av vann på reaksjonen . Deretter har omfanget av reaksjonen blitt utforsket ved å sende fenylacetylen trifluoroborate de optimaliserte betingelser i nærvær av en rekke acylklorider (figur 2). Beskjeden til utmerkede utbytter kan oppnås, avhengig av arten av acylkloridet substratet. Har videre blitt evaluert omfanget av reaksjonen ved fremstilling av flere andre eksempler på alkynyltrifluoroborate salter. Figur 3 viser utvalgte eksempler på andre alkynyltrifluoroborate salter som kan anvendes ved fremstilling av ynones under utviklede betingelser. Derivater av phenylacetylene trifluoroborate peiling elektrondonerende substituenter som gis tilsvarende ynone produkter i god til gode avlinger mens alifatiske derivater av alkynyltrifluoroborate salter viste seg å være litt mindre reaktive affording beskjedent utbytte. Figur 1: Fremstilling av 1a fra Ynone fenylacetylen trifluoroborate S1 og benzoylklorid Reaksjonsskjema som illustrerer betingelsene for fremstilling av ynone 1a, inkludert dannelsen av det reaktive mellomprodukt dichloroborane.. Figur 2:. Representant 1H NMR spekter av ynone 1a Kjemiske skift og relative integrasjonene karakteristiske protoner er merket. <p class = "jove_content" fo: keep-together.within-side = "always"> Fig. 3: Representative 13C NMR-spektrum av ynone 1a Kjemiske skift av karakteristiske karbonatomer er merket. Fig. 4: Representative HRMS spektrum av ynone 1a oppnås via atmosfærisk trykk kjemisk ionisering Den målte m / z verdien for [M + H] + ion er rapportert. Figur 5: Reaksjonene av phenylacetylenetrifluoroborate salt S1 med acylklorider Strukturer og avkastning for produkter produsert ved å variere identitet.av acylkloridet utgangsmateriale, er illustrert. Reaksjonene ble kjørt med 1 ekv av acylklorid, 1,5 ekv kalium phenylacetylenetrifluoroborate S1, og 1,5 ekv bortriklorid. Fig. 6: Reaksjoner av forskjellige alkynyltrifluoroborates med acylklorider Strukturer og utbytter for produkter fremstilt ved å variere identiteten til alkynyltrifluoroborate utgangsmateriale, er illustrert. Reaksjonene ble kjørt med 1 ekv av acyl-klorid, 2,5 ekv kalium organotrifluoroborate salt og 2,5 ekv bortriklorid. Entry Lewis-syren Lewis syre (tilsv) Vilkår Yield (%) 1 b </ Sup> SiO 2 16.5 CH 2Cl 2 0 2 SiCl 4 1 CH 2Cl 2- spor 3 BF3-OEt2 1 CH 2-Cl 2 spor 4 b FeCl3 1 CH 2Cl 2 24 5 c AICI3 1 CH 2Cl 2 62 6 d AICI3 1 CH 2-Cl 2 66 7 e AICI3 1 CH 2 Cl 2 60 8 AICI3 </sub> 1 THF spor 9 AICI3 1 toluen spor 10 AICI3 2 ClCH 2 CH 2Cl 33 11 AICI3 1 DMSO spor 12 AICI3 2 acetonitril spor 13 AICI3 · 6 H 2 O 1 CH 2 Cl 2 0 14 b BCl 3 1.5 CH 2 Cl 2 67 15 BBr3 1 CH 2 Cl 2 20 <strong> Tabell. 1: Optimization of betingelser for fremstilling av ynone 1a et Utbytte av produkt 1a ved variasjon av reaksjonsbetingelsene og Lewis-syre-katalysator. A Reaksjonene ble kjørt med 1 ekv benzoylklorid og 1 ekv kalium phenylacetylenetrifluoroborate S1. S1 b 1,5 ekv. C vannfri betingelser. D Reaksjonen ble utført i ikke-tørket glassvarer under luft. E vannfrie betingelser + 1 ul vann.

Discussion

Tabell 1 illustrerer trinnene som tas for å optimalisere betingelsene for reaksjonen av fenylacetylen trifluoroborate med benzoylklorid for å danne det tilsvarende ynone produktet. Initialt ble katalysatorer som er kjent for å omdanne organotrifluoroborates til organodifluoroboranes testet. Dessverre silikagel, ³⁵ silisiumtetraklorid, ³⁶ og bortrifluorid ^31,32 ikke fremme dannelsen av den ønskede ynone (Tabell 1, oppføringer 1-3). Anvendelsen av klorerte Lewis-syrekatalysatorer viste seg å være mer vellykkede. Et lavt utbytte av det ønskede ynone 1a ble oppnådd i nærvær av en jern (III) klorid-katalysator (tabell 1, oppføring 4). Deretter ble aluminium (III) klorid undersøkt som et resultat av den veletablerte evne til å fremme oxocarbenium ion dannelse i Friedel-Crafts-acyleringer. ^{37 til 39} Det ønskede produkt ble erholdt i 62% utbytte ved en aluminium (III) klorid-katalysator var employed.

Ytterligere optimalisering avslørte at luft og fuktighet har liten virkning på utbyttet av reaksjonen (tabell 1, oppføringer 5-7). Som et resultat, ble det påfølgende reaksjonene utføres i ikke-tørket glass i nærvær av luft. Forsøk for å optimalisere oppløsningsmiddel avslørte at diklormethan (DCM) er spesielt godt egnet til reaksjonen (tabell 1, oppføringer 8 til 12). Inkonsistenser i resultatene av reaksjoner katalysert av aluminium (III) klorid støtet til undersøkelse av alternative katalysatorer. Kommersielt tilgjengelig aluminium (III) klorid-heksahydrat var fullstendig inaktive under de reaksjonsbetingelser (tabell 1, oppføring 13). Dette er en god indikator på at dannelsen av aluminium (III) klorid-hydrat hemmer reaksjonen. Bortriklorid ble funnet å produsere tilsvarende avlinger med bedre konsistens (tabell 1, inngang 14).

Ved samvirke mellom kalium alkynyltrifluoroborate med bortriklorid, er en mer reaktiv organodichloroborane arter dannet. ⁴⁰ Dette første trinnet er kritisk for reaksjonen med acylkloridet og dannelsen av ynone å fortsette. Siden organotrifluoroborate salter er ikke oppløselig i DCM, skjer reaksjonen som en heterogen blanding. Etter tilsetning av bortriklorid, løsningen ble ultralydbehandlet for å lette dannelsen av de reaktive dichloroborane arter ved å øke overflatearealet av trifluoroborate salt tilgjengelig for å reagere. Anvendelse av ultralydbølger til reaksjonsblandingen fører til mekaniske effekter gjennom generering av kavitasjon bobler. Under ultralydbehandling, kollaps av kavitasjon bobler i væske resulterer i lokaliserte områder med høye temperaturer og trykk. ⁴¹ Sjokkbølger blir produsert som skaper mikroskopiske turbulens resulterer i en økning i kinetisk energi av de faste trifluoroborate salter. Økningen i energi av systemet under ultralyd promotes fragmentering av trifluoroborate salt resulterende økte overflateareal tilgjengelig for å samhandle med bortriklorid. Ultralydbehandling av reaksjonsblandingen før tilsetning av acylkloridet utgangsmaterialet sikrer effektiv dannelse av de reaktive alkynyldichloroborane arter uten behov for flere tvinger tilstander eller lengre reaksjonstider.

Figur 2 illustrerer resultatene oppnådd når fenylacetylen trifluoroborate omsatt med en rekke acylklorider etter de optimale reaksjonsbetingelser. Nøytral aromatiske (1b, 1c) og alifatiske (1j-l) acylklorider innrede de tilsvarende ynones i syntetisk nyttige avkastning. De acylklorider bærer elektron donere grupper (1d-g) gir gode avlinger mens elektron uttak grupper resultere i relativt beskjedne gir (1t, 1i, 1m). Interestingly, når den elektrontiltrekkende gruppe er lokalisert i orto-stilling (1i, 59%), en betydelig økning utbytte observert i forhold til den som er analog para substituert acylklorid (1 H, 30%). Den steriske interaksjoner av substituenten i orto- posisjonen kan tvinge karbonyl funksjonelle gruppe ut av planet, for derved å utligne elektron-tiltrekkende karakter av den aromatiske ring. Det er verdt å merke seg at 4-brombutyrylklorid omsatt, hvilket ga det ønskede produkt 1m utbytte på 39%. Så vidt vi vet, er dette den første protokoll for syntese av ynones å tolerere et alkylbromid funksjonell gruppe. Av og til, når acylklorid utgangsmaterialet er nøytral eller elektronmangelfull, alifatiske urenheter vises på proton-NMR. Dette kan nødvendiggjøre en pentan vaske for ytterligere å rense produkt. Mens det er mulig, er det ikke økonomisk å utføre vaske pentan under den første rensetrinn sInce pentan er kostbart i forhold til heksan. Fullføre den sekundære rensing separat på en mindre skala slik som en Pasteur pipette kolonne reduserer mengden av pentan som kreves.

Figur 3 illustrerer effekten av identiteten til den alkynyltrifluoroborate salt på utbyttet av reaksjonen. Generelt er derivater av fenylacetylen trifluoroborate salt bærende elektron-donerende substituenter på den aromatiske ringen omsettes med aromatiske og alifatiske acylklorider for å frembringe de ønskede ynones i gode til utmerkede utbytter (2A-C, 3A-C). Alifatiske alkynyltrifluoroborate alter seg å være mindre reaktiv substrater. Beskjedent utbytte er oppnådd når hexynyl- og cyclopentylethynyltrifluoroborate salter ble reagert med elektron-rik benzoylklorid derivater (4a, 5a).

Som konklusjon, en ny fremgangsmåte for fremstilling of ynones fra acylklorider og kalium alkynyltrifluoroborate salter har blitt utviklet. De utbytter som oppnås for syntese av ynones ved denne metode varierer fra moderat til godt avhengig av arten av acylkloridet og trifluoroborate utgangsmaterialer. Generelt er de utgangsmaterialer som bærer elektrondonerende substituenter gjennomgå reaksjon lettere enn utgangsmaterialer som bærer nøytrale og elektrontiltrekkende funksjonelle grupper. Verdien av denne tilnærmingen ligger i den operative enkelhet og funksjonell gruppe toleranse av fremgangsmåten. Denne enkle, én-pot reaksjonen forløper hurtig ved omgivelsestemperatur i nærvær av bor-triklorid uten at utelukkelse av luft og fuktighet. Denne praktiske metoden kan benyttes i utarbeidelsen av ynones i beskjeden til gode avlinger fra en rekke acylklorider og alkynyltrifluoroborate salter.

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Sonicator	VGT	1860QT	Ultrasonic cleaner. Similar sonication devices may be used.
Dichloromethane	Sigma	270997	Anhydrous
Boron trichloride solution	Sigma	178934	1M solution in DCM
Acyl chloride	Sigma	Various	Acyl chlorides from other suppliers such as Alfa Aesar may be used. Caution – refer to MSDS for safety information.
Potassium alkynyltrifluoroborate salt	N/A	N/A	Synthesized23 from terminal alkyne
Ethyl acetate	ACP	E-2000	ACS grade
Hexanes	ACP	H-3500	ACS grade
Pentane	Sigma	236705	Anhydrous
Magnesium sulfate	Sigma	M7506
Filter paper	Whatman	1093 126	Student grade. This speceific variety is not necessary.
Silica Gel 60	EMD	1.11567.9026	Particle size 0.040-0.063