Metallfritt Syntes av Ynones från acylklorider och Kalium Alkynyltrifluoroborate Salter

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. Syntes av Ynone Använda en analysvåg, väger 0,15 mmol önskade kalium alkynyltrifluoroborate salt (1,5 ekvivalenter) och lägg till en ren flaska försedd med en magnetisk omrörare. Med hjälp av en spruta glaskolv försedd med en nål, till 0,5 ml vattenfri DCM till flaskan för att ge en 0,3 M lösning av trifluoroborate. OBS: Eftersom detta är en ny metod, har reaktionerna utförts för proof of concept. För att minska avfall de har utförts i liten skala. Reaktionen kan skalas för att producera större utbyten såsom krävs. Med hjälp av en glasspruta, tillsätt 0,15 mmol av 1,0 M bortriklorid-lösning (1,5 ekvivalenter, 150 | il) droppvis till reaktionskärlet vid omgivningstemperatur (20 ° C) under omröring. Byt locket. Parkera eller klämma utjämnade reaktionskärlet så att reaktionslösningen är under vattenlinjen i sonicator. Sonikera lösningen för 30 sek vid 20 ° C och en frekvens of 40 kHz. Rör om reaktionslösningen vid rumstemperatur (20 ° C) under ytterligare 20 min. Beroende på naturen av det alkynyltrifluoroborate utgångsmaterialet, iaktta en färgförändring. En färgförändring från vitt till tan eller mörkbrun, röd eller lila är vanligt. Lägg 0,1 mmol av den önskade acylkloriden (1,0 ekvivalent) till flaskan vid rumstemperatur (20 ° C) under omröring. Alternativt, överför innehållet i reaktionskärlet till en kolv laddades med en magnetisk omrörarstav och 0,1 mmol av acylklorid. Byt locket. Rör om reaktionslösningen vid rumstemperatur (20 ° C) under 30 min. OBS: I allmänhet, en ändring till en mycket mörk färg är en indikation på att reaktionen äger rum. Med hjälp av en tunnskiktskromatografi (TLC) 34 övervaka utvecklingen av reaktionen genom att jämföra med lämplig acylklorid standard. OBS: Beroende på arten av utgångsmaterialen, kan reaktionen inte går till fullständighet. The acyl klorid utgångsmaterialet har observerats som en högre kör plats än den slutliga produkten för alla ynones förberedda hittills med denna metod. Förbered acylkloriden standard genom utspädning ungefär 10 mg av acylkloriden utgångsmaterialet med en ml etylacetat i en liten flaska. Med hjälp av en TLC spotter, spot reaktionslösningen och standard på startlinjen på TLC-plattan. En sam-plats med både reaktionslösningen och standarden kan vara lämpligt att fastställa om det fortfarande utgångsmaterial närvarande i reaktionslösningen. Bestäm en lämplig TLC mobil fas genom trial and error. För framställning av produkten 1a, en mobil fas bestående av 01:30 etylacetat: hexaner ger Rf-värden på ungefär 0,5 och 0,8 för ynone produkt och bensoylklorid utgångsmaterial, respektive. Visualisera den utvecklade TLC-plattan under UV-ljus. Använd en penna för att markera några synliga fläckar. 2. Vattenhaltig Upparbetning Släck reaktionen genom att tillsätta en 1 ml kallt vatten (ca 5 ° C) till reaktionskärlet. Med hjälp av en pasteurpipett, överför lösningen till en ren separationstratt. Ytterligare späda ut innehållet i separertratten med 10 ml kallt vatten och extrahera produkten en gång i 15 ml etylacetat. Kassera den vattenhaltiga bottenskiktet och tvätta det organiska skiktet en ytterligare gång med 10 ml vatten och en gång med 10 ml koksaltlösning. Samla det organiska skiktet i en ren Erlenmeyerkolv och torka med magnesiumsulfat. Filtrera lösningen i en ren rundkolv med användning av gravitationsfiltrering. 3. Rening av Ynone Med användning av tunnskiktskromatografi, fastställa en lämplig mobil fas för flashkromatografi rening av produkten. En kvarhållande faktor (Rf) på ca 0,5 är i allmänhet tillräckligt för att separera produkten från eventuellt kvar starting material- och sidoprodukter. OBSERVERA: I fallet med dålig separation, kan ett mindre polärt lösningsmedel system användas så att produkten har ett lägre Rf-värde. Beroende på polariteten av utgångsmaterialen, a hexaner: etylacetat-blandning i intervallet 30: 1 till 5: 1 är i allmänhet lämpliga. Förbered en kolonn innehållande kiseldioxid våt med lämplig mobila fasen. Lägg ett lager av sand till toppen av kolonnen för att undvika störande kiseldioxid vid tillsats av produkten och elueringsmedlet. Indunsta upparbetning lösningen med användning av en rotationsindunstare med badtemperaturen vid 40 ° C och rotationen inställd på 120 varv per minut. Lös upp innehållet i kolven i en 2 ml mobil fas och noggrant ladda lösningen jämnt på kolonnen. Se till att kiseldioxiden är våt men lösnings linjen inte överstiger höjden av kiseldioxiden. Låt några lösningsmedel för att eluera sådana att produkten finns på kiseldioxid. Tillsätt en liten mängd av mobil fas och upprepa. Fyll colUMN med den mobila fasen som bestäms i steg 3,1; i fallet med produkt 1a, en 30: 1 hexaner: etylacetat-blandning som är lämplig. Samla fraktionerna i provrör med användning av flash-kromatografi för att påskynda reningsprocessen. Anslut bara en adapter med slang till ett luftutlopp. Ställ in lufttrycket så att eluenten strömmar genom kolonnen vid en lämplig hastighet. Spot vardera av kolonnfraktionerna på en TLC-platta. Eventuellt, spot acylkloriden standarden som referens. Utveckla TLC använder den mobila fasen bedöms lämpligt i steg 1.8. Markera nummer synliga under UV-ljus, notera att produkten bedöms ha en lägre Rf än acylkloriden standarden. Samla alla fraktioner innehållande synliga fläckar i en stor rundbottnad kolv. Om mer än en fläck med ett lägre Rf än utgångsmaterialet är närvarande, samla dem i separata kolvar. Indunsta lösningsmedlet med användning av en rotationsindunstare och torkning av materialet uppsamlades under högvakuum under två timmar. Om så krävs, utför en pentan tvätt på en liten kolonn, för att ytterligare rena en ynone produkt framställd från en elektron dålig acylklorid utgångsmaterial. I liten skala, kan detta utföras med användning av en Pasteur-pipett som kolonn. Lös produkten i ett minimum av kloroform, DCM, eller dietyleter och last på en silikakolonn våt med pentan. Eluera 1-2 kolumn längder av pentan genom kolonnen och samla upp i avfalls bägare. Eluera den rena ynone produkten från pentan kolonn med användning av dietyleter eller etylacetat. Samla elueringsmedel i en separat kolv, avdunsta, och placera under högt vakuum under minst två timmar. Skaffa ca 10 mg av produkt för karakterisering av NMR-spektroskopi. 4. Karakterisering av Ynone Karakterisera och utvärdera renheten hos den slutliga produkten med användning av ett H och 13 C-NMR-spektroskopi. 34Vanligtvis det kemiska skiftet av karbonylkolatomen visas nära 177 ppm på 13C NMR-spektrum. De två SP kolen i ynone funktionella gruppen representeras av karakteristiska toppar nära 87 och 93 ppm. Använd infraröd spektroskopi 34 för att identifiera den karakteristiska karbonyltopp av ynone produkten. Elektron utlokalisering från den intilliggande trippelbindning orsakar vanligtvis karbonyltopp ska visas mellan 1.600 och 1.650 cm -1, beroende på de elektroniska egenskaperna hos föreningen. Bestäm molekylmassan för produkten och ytterligare validera identiteten med hjälp högupplösande masspektrometri. 34

Representative Results

Initiala ansträngningar fokuseras kring beredningen av ynone 1a från fenylacetylen trifluoroborate S1 och bensoylklorid (Figur 1). Tabell 1 visar optimeringssteg utförs inklusive screening av olika Lewis-syror, lösningsmedel, samt undersökning av effekten av vatten på reaktionen . Därefter har omfattningen av reaktionen undersökts genom att skicka in fenylacetylen trifluoroborate till de optimerade förhållanden i närvaro av en mängd olika acylklorider (Figur 2). Modest att utmärkta utbyten kan erhållas beroende på naturen av acylkloriden substratet. Omfattningen av reaktionen har vidare utvärderats genom framställning av ett flertal ytterligare exempel på alkynyltrifluoroborate salter. Figur 3 illustrerar utvalda exempel på andra alkynyltrifluoroborate salter som kan användas vid framställningen av ynones enligt de utvecklade förhållanden. Derivat av fenylacetylene trifluoroborate lagerelektrondone substituenter gav motsvarande ynone produkterna i god till utmärkt avkastning medan alifatiska derivat av alkynyltrifluoroborate salter visat sig vara något mindre reaktiva som ger blygsamma avkastning. Figur 1: Beredning av Ynone 1a från fenylacetylen trifluoroborate S1 och bensoylklorid Scheme illustrerar villkoren för beredning av ynone 1a inklusive bildandet av reaktiva dichloroborane mellan.. Figur 2:. Representant 1 H-NMR-spektrum för ynone 1a Kemiska skift och relativa integrationer av karakteristiska protoner är märkta. <p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "always"> Figur 3:. Representant 13C NMR-spektrum av ynone 1a Kemiska förskjutningar av karakteristiska kol är märkta. Figur 4:. Representativa HRMS spektrum ynone 1a erhållen via atmosfärs-tryck kemisk jonisering det mätta m / z-värdet för [M + H] + jonen rapporteras. Figur 5: Reaktioner av phenylacetylenetrifluoroborate salt S1 med acylklorider Strukturer och avkastning för produkter som framställts genom att variera identitet.av acylkloriden utgångsmaterial illustreras. Reaktioner kördes med 1 ekvivalent av acylklorid, 1,5 ekv kalium phenylacetylenetrifluoroborate S1, och 1,5 ekvivalenter bortriklorid. Figur 6:. Reaktioner av olika alkynyltrifluoroborates med acylklorider Strukturer och avkastning för produkter som framställts genom att variera identiteten hos alkynyltrifluoroborate utgångsmaterialet illustreras. Reaktioner kördes med 1 ekvivalent av acylklorid, 2,5 ekvivalenter kalium organotrifluoroborate salt och 2,5 ekvivalenter bortriklorid. Entry Lewis-syra Lewis-syra (ekv) Villkor Utbyte (%) 1 b </ Sup> SiO 2 16,5 CH 2 Cl 2 0 2 SiCl4 1 CH 2 Cl 2 spår 3 BF3 OEt 2 1 CH 2 Cl 2 spår 4 b FeCl3 1 CH 2 Cl 2 24 5 c AICI3 1 CH 2 Cl 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 spår 9 AICI3 1 toluen spår 10 AICI3 2 CLCH 2 CH 2 Cl 33 11 AICI3 1 DMSO spår 12 AICI3 2 acetonitril spår 13 AICI3 · 6H 2 O 1 CH 2 Cl 2 0 14 b BCI3 1,5 CH 2 Cl 2 67 15 BBr3 1 CH 2 Cl 2 20 <strong> Tabell 1:. Optimering av villkoren för beredning av ynone 1a a utbyte av produkt 1a vid variation av reaktionsbetingelser och Lewis syrakatalysator. A Reaktioner kördes med 1 ekvivalent bensoylklorid och 1 ekv kalium phenylacetylenetrifluoroborate S1. B 1,5 ekv S1. C Vattenfria förhållanden. D Reaktionen utfördes i icke-torkade glasvaror under luft. E Vattenfria betingelser + 1 | il vatten.

Discussion

Tabell 1 illustrerar de steg som vidtas för att optimera betingelserna för reaktionen för fenylacetylen trifluoroborate med bensoylklorid för att bilda motsvarande ynone produkten. Inledningsvis var katalysatorer kända för att omvandla organotrifluoroborates till organodifluoroboranes testade. Olyckligtvis Kiselgel, ³⁵ kiseltetraklorid, ³⁶ och bortrifluorid ^31,32 inte främja bildandet av det önskade ynone (tabell 1, posterna 1-3). Användningen av klorerade Lewis-syrakatalysatorer har visat sig vara mer framgångsrika. Ett lågt utbyte av den önskade ynone 1a erhölls i närvaro av en järn (III) klorid-katalysator (tabell 1, post 4). Därefter tillsattes aluminium (III) klorid undersökts som ett resultat av dess väletablerade förmåga att främja oxocarbenium jonbildning i Friedel-Crafts acyleringar. ^37-39 Den önskade produkten erhölls i 62% utbyte när ett aluminium (III) klorid-katalysator var employed.

Ytterligare optimering avslöjade att luft och fukt har liten effekt på utbytet av reaktionen (tabell 1, posterna 5-7). Som ett resultat, var efterföljande reaktioner utförs i icke-torkade glasvaror i närvaro av luft. Försök att optimera lösningsmedlet avslöjade att diklormetan (DCM) är särskilt väl lämpad för reaktionen (tabell 1, posterna 8-12). Inkonsekvenser i resultaten av reaktioner katalyserade av aluminium (III) klorid uppmanas utforskandet av alternativa katalysatorer. Kommersiellt tillgängligt aluminium (III) klorid-hexahydrat var fullständigt inaktiv under de reaktionsbetingelser (tabell 1, post 13). Detta är en bra indikator på att bildningen av aluminium (III) klorid-hydrat inhiberar reaktionen. Bortriklorid befanns producera liknande utbyten med bättre konsistens (Tabell 1, post 14).

Vid interaktion av kalium alkynyltrifluoroborate med bortriklorid, är en mer reaktiv organodichloroborane arter bildas. ⁴⁰ Detta inledande steg är kritiskt för reaktionen med acylkloriden och bildandet av ynone att fortsätta. Eftersom organotrifluoroborate salter är inte lösliga i DCM, sker reaktionen som en heterogen blandning. Efter tillsats av bortriklorid, lösningen sonikerades för att underlätta bildningen av de reaktiva dichloroborane arter genom att öka ytarean hos trifluoroborate saltet tillgängliga för reaktion. Tillämpning av ultraljudvågor till reaktionsblandningen orsakar mekaniska effekter genom generering av kavitationsbubblor. Under sonikering, kollaps av kavitationsbubblor i vätske resultaten i lokaliserade områden av höga temperaturer och tryck. ⁴¹ Chockvågor produceras som skapar mikroskopiska turbulens resulterar i en ökning av den kinetiska energin av de fasta trifluoroborate salter. Ökningen i energi av systemet under sonikering promotes fragmentering av den trifluoroborate saltet resulte ökad yta finns att interagera med bortriklorid. Sonikering av reaktionsblandningen före tillsats av acylkloriden utgångsmaterialet säkerställer effektiv bildning av de reaktiva alkynyldichloroborane arter utan behov av fler tvingar villkor eller längre reaktionstider.

Figur 2 illustrerar de resultat som erhölls när fenylacetylen trifluoroborate omsattes med en variation av acylklorider enligt de optimerade reaktionsbetingelserna. Neutral aromatisk (1b, 1c) och alifatiska (1j-l) acylklorider möblera motsvarande ynones i syntetiskt användbara utbyten. Dessa acylklorider bär elektrondonerande grupper (1d-g) ger utmärkt avkastning medan elektrondragande grupper leder till jämförelsevis blygsamma avkastning (1h, 1i, 1m). Interestingly, när elektrondragande grupp är belägen i orto-positionen (1i, 59%), är en betydande utbytesökning observerades i jämförelse med den analoga parasubstituerad acylklorid (1h, 30%). Den steriska interaktionen av substituenten i orto- positionen kan tvinga karbonyl funktionella gruppen ut ur planet, vilket uppväger elektrondragande karaktär av den aromatiska ringen. Det är värt att notera att 4-brombutyrylklorid reagerade till bildning av den önskade produkten 1m i 39% utbyte. Såvitt vi vet är detta det första protokollet för syntes av ynones att tolerera en alkylbromid funktionell grupp. Ibland när acylkloriden utgångsmaterialet är neutral eller elektronfattig, alifatiska föroreningar visas på proton-NMR. Detta kan nödvändiggöra en pentan tvätt i syfte att ytterligare rena produkten. Medan möjligt, är det inte ekonomiskt att utföra pentan tvätta under det första reningssteget sedan pentan är dyrt i jämförelse med hexan. Slutföra sekundära reningen separat mindre skala såsom en pasteurpipett kolonn minskar avsevärt mängden pentan krävs.

Figur 3 illustrerar effekten av identiteten på den alkynyltrifluoroborate salt på utbytet av reaktionen. I allmänhet derivat av fenylacetylen trifluoroborate saltbärande elektrondonerande substituenter på den aromatiska ringen omsätts med aromatiska och alifatiska acylklorider att producera de önskade ynones i goda till utmärkta utbyten (2a-c, 3a-c). Alifatiska alkynyltrifluoroborate salter visat sig vara mindre reaktiva substrat. Modest utbyten har erhållits då hexynyl- och cyclopentylethynyltrifluoroborate salter omsattes med elektronrika bensoyl kloridderivat (4a, 5a).

Sammanfattningsvis, ett nytt förfarande för framställning of ynones från acylklorider och kalium alkynyltrifluoroborate salter har utvecklats. De erhållna för syntes av ynones genom detta förfarande sträcker sig från blygsam till utmärkt beroende på naturen av acylkloriden utbyten och trifluoroborate utgångsmaterial. I allmänhet sådana utgångsmaterial som bär elektrondone substituenter genomgår reaktionen lättare än utgångsmaterial som bär neutrala och elektron återkallande funktionella grupper. Värdet av denna strategi är att man operativa enkelhet och funktionell grupp tolerans av metoden. Denna okomplicerade, enkärlsreaktion förlöper snabbt vid omgivande temperatur i närvaro av bortriklorid utan uteslutande av luft och fukt. Denna bekväm metod kan användas vid framställning av ynones i blygsam till utmärkta utbyten från en mängd olika acylklorider och 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