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Chemistry

Palladio doi: 10.3791/54932 Published: July 30, 2017

Summary

Sono stati presentati protocolli dettagliati e generalizzati per la sintesi e la successiva depurazione di quattro complessi di palladio N- heterocyclic carbene da sali benzimidazolium. I complessi sono stati testati per l'attività catalitica nell'arilazione e nelle reazioni di Suzuki-Miyaura. Per ogni reazione studiata, almeno uno dei quattro complessi catalizzò con successo la reazione.

Abstract

Sono stati presentati protocolli dettagliati e generalizzati per la sintesi e la successiva depurazione di quattro complessi di palladio N- heterocyclic carbene da sali benzimidazolium. Sono inoltre presentati protocolli dettagliati e generalizzati per verificare l'attività catalitica di tali complessi nell'arilazione e nelle reazioni di accoppiamento con Suzuki-Miyaura. I risultati rappresentativi sono mostrati per l'attività catalitica dei quattro complessi nell'arilazione e nelle reazioni di tipo Suzuki-Miyaura. Per ciascuna delle reazioni indagate, almeno uno dei quattro complessi catalizzò con successo la reazione, qualificandoli come promettenti candidati per la catalisi di molte reazioni di carbonio-legame di carbonio. I protocolli presentati sono abbastanza generali da adattarsi per la sintesi, la purificazione e l'attività catalitica dei nuovi complessi di palladio N- heterococlico di carene.

Introduction

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I carbenes N -heterociclici (NHCs) hanno attirato molta attenzione, in particolare per la loro capacità di catalizzare diverse reazioni importanti come la metatesi, la creazione di furano, la polimerizzazione, l'idrosililazione, l'idrogenazione, l'aratura, il giunto a croce Suzuki-Miyaura e l'accoppiamento a croce Mizoroki-Heck 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 . I NHCs possono essere accoppiati con metalli; Tali complessi di metallo-NHC sono stati ampiamente utilizzati nelle reazioni catalitiche in fase di transizione come legami ausiliari e organocatalizzatori 12 , 13 , 14 , 15 , 16 . Generalmente, sono straordinariamente stabili contro l'aria, l'umidità e il calore come conseguenza delle energie di dissociazione elevate delle legame di coordinamento del metallo-carbonio 17 .

Qui, i protocolli per la sintesi precedentemente mostrato e purificazione di quattro sali (composti benzimidazolio 1 - 4) e loro complessi di palladio NHC (composti 5 - 8, rispettivamente) sono dettagliate 18. I sali ei complessi sono stati precedentemente caratterizzati utilizzando varie tecniche 18 . Poiché si utilizzano composti analoghi per la catalisi dell'arilazione e delle reazioni di accoppiamento Suzuki-Miyaura 9 , 10 , 11 , i protocolli per la prova dell'attività catalitica dei complessi in arilazione e nelle reazioni Suzuki-Miyaura sono unLso dettagliata. Importante, i protocolli per la sintesi, la purificazione e la prova dell'attività catalitica dei complessi sono presentati abbastanza generali per consentire un facile adattamento ai nuovi complessi NHC di palladio.

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Protocol

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Attenzione: Molti solventi volatili vengono utilizzati come parte dei protocolli descritti di seguito, in modo da svolgere tutti gli esperimenti in un cappa di lavoro. Indossare adeguati dispositivi di protezione individuale e consultare la scheda di sicurezza di ciascun reagente prima dell'uso; In questo caso sono state fornite informazioni brevi sui reagenti e sui passaggi pericolosi.

1. Sintesi e purificazione dei sali di benzimidazolium (composti 1-4)

  1. Montare un tubo Schlenk da 100 ml in verticale e inserire in esso un bar di stiratura, 1 mmol di benzimidazolo, 1 mmol di idrossido di potassio e 60 mL di alcool etilico.
    Attenzione: L'idrossido di potassio può essere dannoso. Evitare di respirare la polvere e di tenerla lontana dall'acqua.
    Attenzione: L'alcool etilico è volatile e infiammabile. Tenere lontano da fiamme libere o da sorgenti di accensione.
    Nota: L'idrossido di sodio può essere utilizzato se l'idrossido di potassio non è disponibile. Consultare thE MSDS di idrossido di sodio prima di procedere con questa modifica suggerita.
  2. Mettere il tubo Schlenk in un bagno d'olio per un riscaldamento uniforme e sicuro della miscela di reazione durante le fasi di agitazione da venire. Fissare il tubo ad un condensatore per evitare l'evaporazione del solvente durante l'agitazione. Assicurarsi che le parti di montaggio in vetro siano sufficientemente ingrassate e ben attrezzate.
  3. Mescolare la miscela di reazione a 25 ° C per 1 h per consentire la completa dissoluzione di tutti i solidi così come la rottura del legame di azoto-idrogeno nelle molecole di benzimidazolo.
    Nota: Utilizzare un condensatore per questo passo di agitazione non è essenziale, ma dal momento che un condensatore deve essere utilizzato per il reflusso nel punto 1.5 in basso, può essere conveniente impostare il condensatore a questo punto e utilizzarlo per entrambi i passaggi. In caso contrario, questo passaggio può essere effettuato sigillando il tubo Schlenk con un tappo lubrificato.
  4. Dopo 1 h, scollegare il tubo Schlenk dal condensatore e aggiungere lentamente 1 mmol di aAlogenuro al composto.
    Attenzione: gli alogenuri di arry sono irritanti e possono essere nocivi. Prima di procedere consultare le relative schede MSDS.
  5. Ricollegare il tubo Schlenk al condensatore e rifluxare la miscela a 78 ° C (vicino al punto di ebollizione dell'alcool etilico) per 6 ore per consentire la reazione alla fine. Lasciare raffreddare la miscela a 25 ° C dopo che il reflusso è terminato.
  6. Staccare il tubo Schlenk dal condensatore e utilizzare alcuni tovaglioli per pulire il grasso dalla bocca del tubo. Quindi, filtrare la miscela di reazione utilizzando un imbuto e carta filtrante per rimuovere il precipitato di cloruro di potassio che si è formato durante la reazione. Raccogli il filtrato in un bicchiere.
  7. Trasferire il filtrato, che contiene il prodotto N- alchilbenzimidazolo, in un tubo Schlenk pulito. Sigillare il tubo con un tappo grasso e rimuovere il solvente di alcool etilico nel filtrato con vuoto.
    Nota: per tutti i passaggi del protocollo involvUsando un vuoto di moderata resistenza, nonché una leggera e continua scossa del tubo collegato al vuoto.
  8. Una volta rimossa tutto il solvente, disperdere il tubo di Schlenk e aggiungere 5 ml di etere dietilico per lavare il prodotto N- alchilbenzimidazolo lasciato indietro. Scuotere delicatamente il tubo per eseguire il lavaggio.
    1. Dopo il lavaggio, utilizzare alcuni asciugamani per pulire il grasso dalla bocca del tubo e decantare l'etere in un bicchiere. Ripetere questo passaggio di lavaggio poche volte, aggiungendo 5 ml di etere dietilico e decantarlo ogni volta.
      Attenzione: l' etere dietilico è volatile e infiammabile. Tenere lontano da fiamme libere o da sorgenti di accensione.
      Nota: Per tutti i passaggi di lavaggio del protocollo, è possibile utilizzare un altro solvente se: 1) non reagisce con la sostanza da lavare, 2) non scioglie la sostanza da lavare, e 3) facilmente evaporata.
  9. Dopo la fase di lavaggio finale, sigillare il tubo Schlenk con unaCongelare il tappo e asciugare il prodotto N- alchilbenzimidazolo lavato con vuoto. Dopo essiccazione, utilizzare alcuni asciugamani per pulire il grasso dalla bocca del tubo e trasferire il prodotto in un piccolo flaconcino da utilizzare nella prossima reazione.
    Nota: il protocollo può essere interrotto qui e ripreso in un secondo momento.
  10. Fissare un tubo Schlenk pulito in posizione verticale ed espellere l'aria dentro di esso purificandola con gas di argon. Introdurre il gas dalla bocca laterale del tubo e mantenere la bocca del tubo non sigillata durante questo processo. L'argon è più pesante dell'aria così espellere l'aria riempendo il tubo dal basso verso l'alto. Continuare a spurgare il tubo con argon aggiungendo i reagenti nel passo successivo.
  11. Aggiungete lentamente un bar agitatore, 1 mmol di N- alchilbenzimidazolo, 1 mmol alchil alogenuro scelto e 4 mL di N , N- dimetilformammide anidra (DMF) come solvente al tubo Schlenk. Una volta aggiunti tutti i reagenti, sigillare rapidamente la bocca del tuboCon un tappo ad ingrassaggio, quindi sigillare il suo anello laterale girando il rubinetto e quindi spegnere il gas di argon.
    Attenzione: Gli alogenuri dell'alchilico sono irritanti e possono essere dannosi. Prima di procedere consultare la relativa scheda di sicurezza.
    Attenzione: il DMF è infiammabile. Tenere lontano da fiamme libere o da sorgenti di accensione.
  12. Posizionare il tubo Schlenk sigillato in un bagno d'olio e mescolare la miscela di reazione a 80 ° C per 24 ore per consentire la reazione a raggiungere il completamento.
    Nota: questa reazione deve essere effettuata in un'atmosfera inerte, in modo da seguire attentamente le suddette fasi di purificazione che prevedono argon.
  13. Dopo 24 h, rimuovere una parte del solvente DMF nella miscela con il vuoto; Dovrebbe essere sufficiente circa 1-2 minuti di aspirazione.
    Nota: se voluto, rimuovere tutto il solvente DMF dalla miscela di grasso, ma questo non è necessario.
  14. Unseal il tubo Schlenk e aggiungere 15 ml di etere dietilico. Mescolare il miFino a quando il prodotto salino benzimidazolico precipita.
    Nota: l' etere di petrolio può essere utilizzato se l'etere dietetico non è disponibile. Consultare la scheda di sicurezza dell'etere di petrolio prima di procedere con questa modifica proposta.
  15. Dopo la precipitazione, rimuovere l'etere dietilico usando un metodo di filtraggio appropriato.
    NOTA: abbiamo utilizzato un tubo di vetro speciale con un armadio, un filtro interno e due estremità aperte a cui possono essere collegate le tubature Schlenk; Poiché l'armatura laterale su questo tubo e quelle sui tubi Schlenk può essere collegata a vuoto, questo tubo filtrante offre una grande praticità per: 1) filtrare dopo la fase di precipitazione oltre che i passaggi di lavaggio da venire e 2) essiccare dopo il lavaggio passi.
    1. Se si utilizza qualcosa di simile, collegare il tubo Schlenk riempito ad una estremità del tubo filtrante e un tubo Schlenk vuoto all'altra estremità. Quindi fissare il vuoto Schlenk tubo per il vuoto e, con attenzione e gradualmente invertire l'apparecchio in modo cheL'etere dietilico passa attraverso il filtro a questo vuoto tubo Schlenk. Se però non si riesce a trovare un tale tubo, utilizzare altri metodi come filtrazione con imbuto e carta filtrante.
  16. Lavare il prodotto salino con 15 ml di etere dietilico e rimuovere l'etere dietilico utilizzando lo stesso metodo di filtrazione utilizzato nel punto 1.15. Ripetere questo passaggio di lavaggio poche volte, utilizzando 15 ml di etere dietilico e filtrarlo ogni volta.
  17. Dopo la fase finale di lavaggio, asciugare il prodotto salino lavato (qui secco nel tubo filtrante con vuoto) e quindi raccogliere per ulteriore purificazione mediante ricristallizzazione.
    Nota: il protocollo può essere interrotto qui e ripreso in un secondo momento.
  18. Aggiungere un sale e una miscela di etere etilico-dietil-etere (12 ml: 4 ml) ad un tubo Schlenk pulito. Scaldare la miscela usando una pistola di calore finché il sale non si dissolve completamente.
  19. Successivamente, sigillare il tubo con un tappo grasso e fissarlo in posizione quasi orizzontale. Lasciare tSi sale per ricristallizzare a temperatura ambiente.
  20. Una volta ricostituito il sale, utilizzare alcuni tovaglioli di carta per asciugare il grasso dalla bocca del tubo e quindi filtrare la miscela utilizzando un imbuto e carta filtrante per separare i cristalli di sale.
  21. Lavare i cristalli di sale, mentre sono ancora sulla carta filtrante nell'imbuto, con 15 ml di etere dietilico. Ripetere questo passaggio di lavaggio alcune volte.
  22. Dopo la fase di lavaggio finale, lasciare che i cristalli si asciugano nell'aria sulla carta filtrante. Raccogliere il sale purificato per la caratterizzazione e la sintesi del complesso NHC palladio.
    Nota: il protocollo può essere interrotto qui e ripreso in un secondo momento.
  23. Caratterizzare il sale come riportato in precedenza 18 .

2. Sintesi e purificazione di complessi NHC palladio (composti 5-8)

  1. Fissare un tubo Schlenk da 75 ml in verticale e aggiungere un bar di stiratura, 1 mmol di sale benzimidazolium scelto, 1 mmol di pallCloruro di adio, 5 mmol di carbonato di potassio come base e 3 ml di 3-cloropiridina.
    Attenzione: Il cloruro di palladio è tossico e può essere irritante.
    Attenzione: il carbonato di potassio può essere dannoso. Evitare di respirare la polvere e di tenerla lontana dall'acqua.
    Attenzione: la 3-cloropiridina è estremamente dannosa. È tossico e corrosivo. Evitare il contatto con la pelle e respirare i fumi.
  2. Sigillare il tubo con un tappo greato e collocarlo in un bagno d'olio. Mescolare la miscela di reazione a 80 ° C per 16 ore per consentire la sintesi del complesso NHC di palladio per raggiungere il completamento.
  3. Dopo 16 h, lasciare raffreddare la miscela a temperatura ambiente e smontare il tubo. Aggiungere 10 mL di diclorometano alla miscela per migliorare l'efficienza del filtraggio descritto nei punti 2.4 e 2.5 di seguito; Questo è facoltativo e può essere saltato se lo si desidera.
    Attenzione: il Dichloromethane è tossico, irritante aNd un ​​sospetto cancerogeno. Evitare il contatto con la pelle e respirare i fumi.
  4. Assemblare la seguente apparecchiatura filtrante per rimuovere il cloruro di palladio non reagito e il sale benzimidazolium dalla miscela di reazione: utilizzare un tubo filtrante in vetro senza rubinetto.
    1. Innanzitutto aggiungere quattro spatole dell'agente filtrante (ad es., Celite) nel tubo per creare uno strato di agenti filtranti sopra il filtro che si trova al centro del tubo. Quindi aggiungere quattro spatole di gel di silice sopra lo strato dell'agente filtrante. Infine, spremere un piccolo batuffolo di cotone sopra lo strato di gel di silice, in modo che gli agenti filtranti e gli strati di silice siano fissati in posizione tra il filtro e il cotone.
  5. Filtrare la miscela di reazione attraverso il tampone dell'agente filtrante e il gel di silice come segue: Fissare il tubo Schlenk contenente la miscela di reazione al tubo di filtrazione vetro, in modo tale che il tubo Schlenk affronta l'estremità del tubo filtrante con il tampone di cotone. Quindi, collegare un tubo Schlenk vuoto all'altra estremità delTubo filtrante.
    1. Collegare il tubo Schlenk vuoto a vuoto e, con attenzione e gradualmente invertire l'apparecchio, la miscela di reazione viene filtrata attraverso (in ordine) il cotone, la silice, gli agenti filtranti e gli strati filtranti. Il cloruro di palladio non reagito e il sale di benzimidazolium saranno conservati negli strati mentre il filtrato contenente il complesso NHC di palladio entrerà nel tubo Schlenk vuoto.
      Nota: Se la miscela di reazione viene aggiunta al diclorometano (fase 2.3), può contribuire una certa pressione all'interno del tubo filtrante e questo può provocare il liquido di fuoriuscita dalla parte di collegamento tra il tubo Schlenk riempito e il tubo filtrante dopo inversione. Per evitare ciò, è importante collegare il tubo vuoto Schlenk a vuoto prima dell'inversione dell'apparecchio (come descritto in precedenza) in modo che, a seguito dell'inversione, la miscela di reazione non abbia abbastanza tempo per uscire dalla suddetta parte di collegamento.
  6. Staccare il tubo SchlenkContenente il filtrato dall'apparecchiatura filtrante sopra e sigillarlo con un tappo lubrificato. Togliere il solvente nel filtrato con vuoto.
  7. Una volta rimosso tutto il solvente, disperdere il tubo Schlenk e aggiungere 5 ml di etere dietilico per lavare il prodotto complesso di NHC palladio lasciato indietro. Scuotere delicatamente il tubo per eseguire il lavaggio. Dopo il lavaggio, utilizzare alcuni asciugamani per pulire il grasso dalla bocca del tubo e decantare l'etere in un bicchiere. Ripetere questo passaggio di lavaggio poche volte, aggiungendo 5 ml di etere dietilico e decantarlo ogni volta.
  8. Dopo la fase finale di lavaggio, sigillare il tubo Schlenk con un tappo lubrificato e asciugare il prodotto complesso lavato NHC palladio con vuoto. Dopo essiccazione, utilizzare alcuni asciugamani per pulire il grasso dalla bocca del tubo e raccogliere il prodotto per ulteriore purificazione mediante ricristallizzazione.
    Nota: il protocollo può essere interrotto qui e ripreso in un secondo momento.
  9. Per la ricristallizzazione, trovare unIl solvente appropriato per il complesso specifico NHC di palladio (cioè che il complesso non si scioglie facilmente a temperatura ambiente ma lo fa a riscaldamento) e segue le stesse fasi sopra descritte per i sali (passaggi 1.18 a 1.22). Successivamente, raccogliere il complesso purificato per la caratterizzazione.
    Nota: il protocollo può essere interrotto qui e ripreso in un secondo momento.
  10. Caratterizzare il complesso come riportato in precedenza 18 .

3. Attività catalitica dei complessi (5-8) nelle reazioni arilatrici

  1. Effettuare tutte le reazioni catalitiche sotto l'aria in un cappa di fumo.
  2. Utilizzare i reagenti acquistati senza ulteriori purificazione per le reazioni di formazione di legame di carbonio-carbonio.
  3. Fissare un tubo Schlenk da 25 ml in verticale e aggiungere un bar di stiratura, 2 mmoli di 2- n- butiltiofene o 2- n- butilfurano e 1 mmolo di bromuro di arile scelto.
    Attenzione: 2- n- butilfurano e2- n- butiltiofene sono entrambi acuti tossici. Evitare il contatto con la pelle e respirare i fumi.
  4. Quindi aggiungere 1 mmol di acetato di potassio, 0,01 mmol di complesso NHC palladio scelto e 2 mi di N , N- dimetilacetamide (DMA) nel tubo.
    Attenzione: la DMA è tossica. Evitare il contatto con la pelle e respirare i fumi.
  5. Sigillare il tubo con un tappo greato e collocarlo in un bagno d'olio. Mescolare la miscela di reazione per vari tempi e a varie temperature per trovare le condizioni di tempo e di temperatura che portano alla resa massima del prodotto per la reazione data.
    Nota: Il progresso della reazione può essere seguito da una cromatografia a strato sottile (TLC), ma se solo confrontando l'effetto delle diverse condizioni di reazione sul rendimento (compreso il complesso NHC palladio utilizzato per la catalisi), non è necessario eseguire la reazione al completamento. In questi casi, eseguire la reazione per una quantità costante di tempo inferiore al tempo richiestoPer completare e variare la condizione di reazione condotta. Una volta che la reazione è stata eseguita per la quantità di tempo desiderata, fermarla rimuovendo il solvente dalla miscela di reazione come descritto nella fase successiva.
    1. Per seguire il progresso della reazione con la TLC, confrontare il movimento della miscela di reazione attraverso una lastra di TLC con quelli dei reagenti; Se la miscela produce ancora i punti per i reagenti, ciò significa che la reazione non è ancora finita. Per ottenere un campione della miscela di reazione dopo un certo tempo, smontare il tubo Schlenk mentre la reazione è ancora in funzione e utilizzare un tubo capillare per ottenere rapidamente una goccia per il test TLC. Per eseguire la miscela e reagenti attraverso la lastra TLC, trovare un solvente appropriato (fase mobile) per il caso specifico.
  6. Una volta che la reazione è completa o è stata eseguita per la quantità di tempo desiderata, rimuovere il solvente nella miscela di reazione con il vuoto.
  7. Unseal il tubo Schlenk e aggiungere un etere di esano-dietilico m(10 ml: 2 ml) in esso. Questa miscela di solventi sarà la fase mobile per la cromatografia a colonna a flash nelle fasi 3.8 e 3.9 sotto. Agitare energicamente la miscela per assicurare che il prodotto si scioglie nella fase mobile e non sia lasciato indietro nel tubo.
    Attenzione: L' esano è volatile e infiammabile. Evitare di respirare i fumi e di tenerlo lontano da fiamme libere o da fonti di accensione.
  8. Assemblare una colonna di cromatografia a flash come segue per purificare il prodotto: utilizzare un contagocce di vetro. Innanzitutto, inserire un piccolo fusto di cotone nel cilindro e spingerlo fino a quando non si riposa saldamente proprio dove la camera di vetro inizia a sottili. Quindi, aggiungete il gel di silice sulla cima del cotone in modo che due terzi della sezione spessa del contagocce siano pieni.
  9. Mantenere la colonna del gel di silice in posizione verticale e utilizzare un contagocce di vetro per trasferire gradualmente la miscela di reazione in esso. Eluire la miscela attraverso la colonna e raccogliere l'eluente contenente il prodotto purificato in un bicchiere o un test pulitotubo.
    Nota: il protocollo può essere interrotto qui e ripreso in un secondo momento.
  10. Trasferire l'eluente in un tubo pulito che può essere attaccato per sigillare e sigillare il tubo con un tappo in grezza. Rimuovere il solvente nell'elemento con il vuoto.
    Nota: il protocollo può essere interrotto qui e ripreso in un secondo momento.
  11. Una volta rimossa tutto il solvente, rimuovere il tubo e aggiungere 1,5 ml di diclorometano. Scuotere delicatamente il tubo per sciogliere il prodotto e quindi permettere la sua analisi con GC o GC / MS. Calcola la resa usando GC o GC / MS 19 , 20 , 21 , 22 , 23 .
    Nota: il cloroform può essere utilizzato se il diclorometano non è disponibile. Consultare la scheda di sicurezza di cloroformio prima di procedere con questa modifica proposta.

4. Attività catalitica del coMplexes (5-8) nelle reazioni di accoppiamento di Suzuki-Miyaura

  1. Eseguire tutte le reazioni catalitiche secondo i protocolli precedentemente riportati 18 , 24 .
  2. Montare un tubo Schlenk da 25 ml in verticale e aggiungere in essa una barra di agitazione, 1,5 mmol di acido fenilboronico o derivato di acido boronico scelto, 1 mmol di cloruro di arile scelto e 2 mmol di tert-butossido di sodio.
    Attenzione: L'acido fenilboronico ei suoi derivati ​​sono irritanti e possono essere tossici. Evitare il contatto con la pelle. Prima di procedere consultare le relative schede MSDS.
    Attenzione: I cloruri di aril sono dannosi e, a seconda della specifica sostanza chimica, possono essere tossici e infiammabili. Prima di procedere consultare le relative schede MSDS.
    Attenzione: Il tert-butossido di sodio è un solido infiammabile. È altamente reattivo con acqua e caustica in soluzione. Tenere lontano da fiamme libere o da fonti di accensione e evitare il contatto con la pelleNota: l' idrossido di potassio, l'idrossido di sodio, il carbonato di potassio, il carbonato di sodio, l'acetato di potassio, l'acetato di sodio o il tert-butossido di potassio possono essere utilizzati se tert-butossido di sodio non è disponibile. Consultare le schede MSDS di queste basi prima di procedere con queste modifiche suggerite.
  3. Aggiungere 0,01 mmol di complesso NHC palladio scelto al tubo.
  4. Aggiungere una miscela di acqua DMF (2 mL: 2 mL) nel tubo.
    Nota: Se necessario, utilizzare un rapporto più elevato di DMF per l'acqua o usare DMF da solo.
  5. Sigillare il tubo con un tappo greato e collocarlo in un bagno d'olio. Mescolare la miscela di reazione per vari tempi e a varie temperature per trovare le condizioni di tempo e di temperatura che portano alla resa massima del prodotto per la reazione data.
    Nota: Il progresso della reazione può essere seguito da TLC ma se solo confrontare l'effetto delle diverse condizioni di reazione sulla resa (compreso il complesso NHC palladio utilizzato per il gattoAlysis), quindi non è necessario eseguire la reazione al completamento. In questi casi, eseguire la reazione per una quantità costante di tempo inferiore al tempo necessario per il completamento e variare la condizione di reazione testata. Una volta che la reazione è corretta per la quantità di tempo desiderata, interromperla e procedere alla fase successiva. Per seguire il progresso della reazione con la TLC, vedere alcuni dettagli per il passaggio 3.5.1.
  6. Una volta che la reazione è completa o è stata eseguita per la quantità di tempo desiderata, lasciare raffreddare la miscela alla temperatura ambiente. Unseal il tubo Schlenk e aggiungere una miscela di esano-etilico acetato (5 mL: 1 mL) alla miscela di reazione. Reinserire il tubo e scuotere la nuova miscela vigorosamente per alcuni minuti per consentire la migrazione del prodotto sintetizzato alla fase di esano-etil acetato.
    Attenzione: L'acetato di etile è volatile e infiammabile e può causare gravi danni agli occhi. Evitare di respirare i fumi e di tenerlo lontano da fiamme libere o da fonti di accensione.
  7. Morsetti la SchTubo lenk e lasciare che la miscela si stabilisca in due fasi distinte nel corso di pochi minuti.
  8. Usare un contagocce di vetro per estrarre con cautela la fase organica superiore e trasferirla in un bicchiere pulito contenente 1 g di solfato di magnesio anidro. La polvere di solfato di magnesio contribuirà a rimuovere qualsiasi residua acqua dalla fase organica estratta.
  9. Ripetere almeno i passaggi da 4.6 a 4.8 per massimizzare l'estrazione del prodotto sintetizzato.
  10. Seguire i punti 3.8 e 3.9 per purificare il prodotto con cromatografia a colonna a flash. La miscela di esano-etil acetato presente nella fase organica estratta servirà come fase mobile per questa fase di purificazione. Raccogliere l'eluente contenente il prodotto purificato in un bicchiere o un tubo di prova pulito.
    Nota: il protocollo può essere interrotto qui e ripreso in un secondo momento.
  11. Analizzare il prodotto e calcolare il rendimento utilizzando GC o GC / MS 19 , 20 ,21 , 22 , 23 .

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Representative Results

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Sali benzimidazolio (1 - 4) (Figura 1) sono stati sintetizzati in DMF anidra utilizzando N -alkylbenzimidazoles e vari alogenuri alchilici, poi purificato e caratterizzato come riportato prima 18, 24. Erano solidi bianchi o color crema e avevano rese che vanno dal 62 al 97%. Complessi di palladio NHC (5 - 8) (Figura 2) sono stati quindi sintetizzati dai sali, purificati e caratterizzati, come riportato prima 18, 24. Erano solidi gialli o color crema e avevano rese inferiori ai sali, che vanno dal 25% al ​​60%. I quattro complessi di palladio sono stati testati per attività catalitica in arile e reazioni di accoppiamento Suzuki-Miyaura.

n- butiltiofene e 4-bromoacetofenone (Tabella 1, voce 1) è stata fornita come esempio per evidenziare i poveri risultati ottenuti nelle reazioni arilatrici in assenza di un appropriato catalizzatore; Questa particolare reazione ha dato solo una resa dell'1% dopo 1 h a 110 ° C, in assenza di un complesso catalizzatore. Per la reazione di 2- n- butilfurano con 4-bromoacetofenone, i complessi 5-8 hanno portato rispettivamente a 14, 49, 83 e 89%, dopo 1 h a 110 ° C (Tabella 1, nota 2-5). Le voci 6-8 nella tabella 1 mostrano la reazione tra 2- n- butilfurano e bromobenzene in presenza del complesso 7; Ottimi rendimenti di 71, 84 e 98% sono stati ottenuti dopo 21 h a 80, 90 e 110 ° C, rispettivamente. Le restanti 2 voci della tabella 1 (voci 9 e 10) mostrano la reazione di 2- n- butiltiofene con bromobenzeNe e 4-bromoanisolo, rispettivamente. La prima di queste reazioni è stata catalizzata dal complesso 8, che ha permesso di ottenere una resa del 97% dopo 1 ora a 110 ° C (Tabella 1, punto 9). La seconda reazione è stata catalizzata dal complesso 5 per dare una resa del 79% dopo 1 h a 130 ° C (Tabella 1, voce 10).

L'effetto catalitico dei complessi sulle reazioni Suzuki-Miyaura studiate tra i derivati ​​dell'acido boronico e il cloruro di arile era variabile (Tabella 2). Qui, l'obiettivo era quello di confrontare le prestazioni dei quattro complessi in catalisi di queste reazioni, pertanto, per ciascuna delle reazioni studiate, le altre condizioni di reazione sono state mantenute costanti: una soluzione da 2 mL: 2 mL di DMF-acqua è stata utilizzata come solvente , Il tert-butossido di sodio è stato usato come base, le reazioni sono state eseguite per 2 ore e la temperatura di reazione è stata mantenuta a 80 ° C. In queste condizioni, i complessi 5-8 rispettivamente hanno portato a conversioni di 67, 55, 77 e 25%, e rendimenti di 56, 51,59 e 9% per la reazione dell'acido 2,5-dimetossifenilboronico con 4-metossi-l-clorobenzene (Tabella 2, punti 1-4). Per la reazione dell'acido 4-tert-butilfenilboronico con 4-clorotuolo in queste condizioni, tutti e quattro i complessi 5-8 si sono rivelati eccellenti catalizzatori, con conseguente conversioni di 99, 99, 98 e 100% e rese di 92, 95 , 93 e 99,9%, rispettivamente (Tabella 2, nota 5-8). Infine, per la reazione di acido tiasfenetico-2-boronico con 1-cloro-4-nitrobenzene in queste condizioni, i complessi rispettivamente 5-8 hanno prodotto conversioni di 5, 9, 55 e 30% e resi di 3, 35 e 14% (tabella 2, voci 9-12).

Figura 1
Figura 1 : Sintesi dei sali di benzimidazolium.
Schema delle reazioni tra 1-alchilbenzimidazolo e vari alogenuri alchilici per formare sali benzimidazolium <Forte> 1-4. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2 : Sintesi dei complessi NHC di palladio.
Schema delle reazioni tra i sali benzimidazolium 1-4 , cloruro di palladio, carbonato di potassio e 3-cloropiridina per formare complessi di palladio NHC 5-8 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella 1
Tabella 1: Reazioni di arilazione catalitica - rappresentante resuè.
Arylazione di derivati ​​heteroarilici con vari bromuri arilici in presenza dei complessi NHC palladio sintetizzato. Condizioni di reazione: 2- n- butiltiofene o 2- n- butilfurano (2 mmol), bromuro di arile (4-bromoacetofenone, bromobenzene o 4-bromoanisolo) (1 mmol), complesso palladio NHC ( 5-8 ) (0,01 mmol) Acetato di potassio (1 mmol), DMA (2 mL), 80-130 ° C, 1-21 h. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa tabella.

Tavolo 2
Tabella 2: Reazioni catalizzate di Suzuki-Miyaura - risultati rappresentativi.
Suzuki-Miyaura reazioni di accoppiamento di derivati ​​dell'acido boronico con cloruri di arile in presenza dei complessi NHC di palladio sintetizzati. Condizioni di reazione: boro(2,5 mmol), cloruro di aril (1 mmol), tert-butossido di sodio (2 mmol), complesso NHC palladio ( 5-8 ) (0,01 mmol), acqua DMF (2 mL: 2 mL) C, 2 h. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa tabella.

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Discussion

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I protocolli per la sintesi e la purificazione di quattro sali di benzimidazolium e successivamente i loro complessi NHC di palladio sono stati deliberatamente presentati nei minimi particolari per aiutare i giovani scienziati o quelli nuovi a dominare il campo. Con questo stesso obiettivo, sono stati presentati nei dettagli i protocolli per la prova dell'attività catalitica dei quattro complessi nell'arilazione e nelle reazioni Suzuki-Miyaura. Inoltre, abbiamo cercato di presentare i protocolli in forma più generale possibile per consentire ad altri di adattarli facilmente alla sintesi, alla purificazione e alla prova dell'attività catalitica di molti altri / nuovi complessi NHC palladio.

Se necessario, i protocolli sono aperti ad alcune modifiche. Suggerimenti per eventuali modifiche sono state fornite nella sezione Protocollo in base alle fasi corrispondenti. Alcuni di questi suggerimenti riguardano l'omissione di determinati passaggi di protocollo evidenziati come facoltativi, mentre altri sono relativi all'exchaL'apparecchiatura oi reagenti utilizzati in determinati passi dei protocolli. Per quanto riguarda la modifica dei reagenti, è possibile, in linea di principio, sostituire alcuni dei reagenti utilizzati nei protocolli con altri, ma abbiamo limitato i nostri suggerimenti a questo proposito solo a quegli esempi che abbiamo verificato sperimentalmente o attraverso brevi indagini Della letteratura.

Per quanto riguarda l'attività catalitica dei complessi sintetizzati, il loro valore per la catalisi delle reazioni arilatrici può essere visto attraverso i risultati rappresentativi della Tabella 1. Per la catalizzazione della reazione tra 2- n- butilfurano e 4-bromoacetofenone, il complesso 6 era un buon candidato Mentre i complessi 7 e 8 sono stati eseguiti particolarmente bene (tabella 1, voci 2-5). Il complesso 7 era un ottimo catalizzatore per la reazione tra 2- n- butilfurano e bromobenzene (Tabella 1, nota 6-8); L'effetto positivo di una maggiore temperatura sul rendimento per questa reazione mostra che se la reazione èCatalizzata da un complesso appropriato, modificando altre condizioni di reazione come la temperatura può contribuire a massimizzare la resa. Per la reazione di 2- n- butiltiofene con bromobenzene, il complesso 8 era un ottimo catalizzatore (Tabella 1, punto 9), mentre per la reazione tra 2- n- butiltiofene e 4-bromoanisolo, il complesso 5 è stato eseguito abbastanza bene come un catalizzatore Tabella 1, voce 10). Nel complesso, ognuna delle reazioni di arilazione studiate è stata ben catalizzata da almeno uno dei quattro complessi sintetizzati. Ulteriori attività possono essere fatte per aumentare potenzialmente i valori di resa per queste reazioni modificando le condizioni di reazione come il tempo e la temperatura.

Per la catalisi delle reazioni Suzuki-Miyaura tra i derivati ​​dell'acido boronico ei cloruri arilici, i complessi sintetizzati hanno mostrato prestazioni variabili nelle condizioni di reazione utilizzate in questo studio (Tabella 2). I complessi 5-7 si sono rivelati buoni candidati, mentre il complesso 8 non ha funzionato bene per la catalisi delReazione fra acido 2,5-dimetossifenilboronico e 4-metossi-l-clorobenzene (Tabella 2, punti 1-4). Tutti e quattro i complessi erano eccellenti catalizzatori per la reazione tra acido 4-terfenilfenilboronico e 4-clorotoluene (Tabella 2, nota 5-8). Per la reazione dell'acido tianaphtene-2-boronico con 1-cloro-4-nitrobenzene, i complessi 5 e 6 non hanno funzionato bene come catalizzatori, mentre i complessi 7 e 8 hanno mostrato qualche promessa (Tabella 2, punti 9-12). Nel complesso, proprio come i risultati delle reazioni di arilazione, ognuna delle reazioni Suzuki-Miyaura studiate è stata ben catalizzata da almeno uno dei quattro complessi sintetizzati. Per i casi in cui il complesso scelto è andato bene a catalizzare la reazione dato, è possibile eseguire ulteriori operazioni per aumentare potenzialmente i valori di conversione e resa variando le condizioni di reazione come il tempo, la temperatura, la composizione del solvente e la base utilizzata.

In sintesi, i quattro complessi di NHC palladio possono essere facilmente sintetizzati seguendo ilI protocolli dettagliati forniti e si sono rivelati promettenti candidati per la catalizzazione di molte reazioni di carbonio-legame di carbonio.

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Disclosures

Gli autori non hanno niente da rivelare.

Acknowledgments

Riconosciamo il sostegno finanziario della Facoltà di Farmacia (Università di Sydney), di Erciyes University Research Fund e di TUBITAK (1059B141400496). Ringraziamo Tim Harland (The University of Sydney) per la modifica del video.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1-chloro-4-nitrobenzene Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
2,5-dimethoxyphenylboronic acid Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
2-n-butylfuran Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
2-n-butylthiophene Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
3-chloropyridine Merck (Darmstadt, Germany)
4-bromoacetophenone Merck (Darmstadt, Germany)
4-bromoanisole Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
4-chlorotoluene Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
4-methoxy-1-chlorobenzene Merck (Darmstadt, Germany)
4-tert-butylphenylboronic acid Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
Benzimidazole Merck (Darmstadt, Germany)
Bromobenzene Merck (Darmstadt, Germany)
Celite Merck (Darmstadt, Germany)
Dichloromethane Merck (Darmstadt, Germany)
Diethyl ether Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
Ethyl acetate Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
Ethyl alcohol Merck (Darmstadt, Germany)
Hexane Merck (Darmstadt, Germany)
Magnesium sulfate Scharlau (Barcelona, Spain)
N,N-dimethylacetamide Merck (Darmstadt, Germany)
N,N-dimethylformamide Merck (Darmstadt, Germany)
Palladium chloride Merck (Darmstadt, Germany)
Phenylboronic acid Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)
Potassium acetate Merck (Darmstadt, Germany)
Potassium carbonate Scharlau (Barcelona, Spain)
Potassium hydroxide Merck (Darmstadt, Germany)
Silica gel Merck (Darmstadt, Germany)
Sodium tert-butoxide Merck (Darmstadt, Germany)
Thianaphthene-2-boronic acid Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)

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References

  1. Akkoc, S., Gok, Y. Synthesis and characterization of 1-phenyl-3-alkylbenzimidazol-2-ylidene salts and their catalytic activities in the Heck and Suzuki cross-coupling reactions. J. Coord. Chem. 66, (8), 1396-1404 (2013).
  2. Aktas, A., Akkoc, S., Gok, Y. Palladium catalyzed Mizoroki-Heck and Suzuki-Miyaura reactions using naphthalenomethyl-substituted imidazolidin-2-ylidene ligands in aqueous media. J. Coord. Chem. 66, (16), 2901-2909 (2013).
  3. Cetinkaya, B., Alici, B., Ozdemir, I., Bruneau, C., Dixneuf, P. H. 2-imidazoline and 1,4,5,6-tetrahydropyrimidine-ruthenium(II) complexes and catalytic synthesis of furan. J. Organomet. Chem. 575, (2), 187-192 (1999).
  4. Chouthaiwale, P. V., Rawat, V., Sudalai, A. Pd-catalyzed selective hydrosilylation of aryl ketones and aldehydes. Tetrahedron Lett. 53, (2), 148-150 (2012).
  5. Herrmann, W. A. N-heterocyclic carbenes: A new concept in organometallic catalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 41, (8), 1290-1309 (2002).
  6. Jensen, T. R., Schaller, C. P., Hillmyer, M. A., Tolman, W. B. Zinc N-heterocyclic carbene complexes and their polymerization of D,L-lactide. J. Organomet. Chem. 690, (24-25), 5881-5891 (2005).
  7. Lai, Y. B., Lee, C. S., Lin, W. J., Naziruddin, A. R., Hwang, W. S. Bis-chelate N-heterocyclic tetracarbene Ru(II) complexes: Synthesis, structure, and catalytic activity toward transfer hydrogenation of ketones. Polyhedron. 53, 243-248 (2013).
  8. Savka, R. D., Plenio, H. A hexahydro-s-indacene based NHC ligand for olefin metathesis catalysts. J. Organomet. Chem. 710, 68-74 (2012).
  9. Yigit, M., Yigit, B., Gok, Y. Synthesis of novel palladium(II) N-heterocyclic carbene complexes and their catalytic activities in the direct C5 arylation reactions. Inorg. Chim. Acta. 453, 23-28 (2016).
  10. Yasar, S., Sahin, C., Arslan, M., Ozdemir, I. Synthesis, characterization and the Suzuki-Miyaura coupling reactions of N-heterocyclic carbene-Pd(II)-pyridine (PEPPSI) complexes. J. Organomet. Chem. 776, 107-112 (2015).
  11. Ozdemir, I., et al. N-Heterocyclic carbenes: Useful ligands for the palladium-catalysed direct C5 arylation of heteroaromatics with aryl bromides or electron-deficient aryl chlorides. Eur. J. Inorg. Chem. 12, (12), 1798-1805 (2010).
  12. Clavier, H., Nolan, S. P. N-heterocyclic carbene and phosphine ruthenium indenylidene precatalysts: A comparative study in Olefin metathesis. Chem. Eur. J. 13, (28), 8029-8036 (2007).
  13. Johnson, J. S. Catalyzed reactions of acyl anion equivalents. Angew. Chem. Int. Ed. 43, (11), 1326-1328 (2004).
  14. Marion, N., Diez-Gonzalez, S., Nolan, S. P. N-heterocyclic carbenes as organocatalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 46, (17), 2988-3000 (2007).
  15. Perry, M. C., Burgess, K. Chiral N-heterocyclic carbene-transition metal complexes in asymmetric catalysis. Tetrahedron: Asymmetry. 14, (8), 951-961 (2003).
  16. Zeitler, K. Extending mechanistic routes in heterazolium catalysis-promising concepts for versatile synthetic methods. Angew. Chem. Int. Ed. 44, (46), 7506-7510 (2005).
  17. Schwarz, J., et al. N-Heterocyclic carbenes, part 25 - Polymer-supported carbene complexes of palladium: Well-defined, air-stable, recyclable catalysts for the Heck reaction. Chem. Eur. J. 6, (10), 1773-1780 (2000).
  18. Akkoc, S., Gok, Y., Ilhan, I. O., Kayser, V. N-Methylphthalimide-substituted benzimidazolium salts and PEPPSI Pd-NHC complexes: synthesis, characterization and catalytic activity in carbon-carbon bond-forming reactions. Beilstein J. Org. Chem. 12, 81-88 (2016).
  19. Karaca, E. O., et al. Palladium complexes with tetrahydropyrimidin-2-ylidene ligands: Catalytic activity for the direct arylation of furan, thiophene, and thiazole derivatives. Organometallics. 34, (11), 2487-2493 (2015).
  20. Ozdemir, I., et al. N-Heterocyclic carbene-palladium catalysts for the direct arylation of pyrrole derivatives with aryl chlorides. Beilstein J. Org. Chem. 9, 303-312 (2013).
  21. Senocak, A., et al. Synthesis, crystal structures, magnetic properties and Suzuki and Heck coupling catalytic activities of new coordination polymers containing tetracyanopalladate(II) anions. Polyhedron. 49, (1), 50-60 (2013).
  22. Akkoc, S., Gok, Y. Dichlorido(3-chloropyridine-N) 1,3-dialkylbenzimidazol-2-ylidene palladium(II) complexes: Synthesis, characterization and catalytic activity in the arylation reaction. Inorg. Chim. Acta. 429, 34-38 (2015).
  23. Akkoc, S., Gok, Y. Catalytic activities in direct arylation of novel palladium N-heterocyclic carbene complexes. Appl. Organomet. Chem. 28, (12), 854-860 (2014).
  24. Akkoc, S., Gok, Y., Ilhan, I. O., Kayser, V. In situ Generation of Efficient Palladium N-heterocyclic Carbene Catalysts Using Benzimidazolium Salts for the Suzuki-Miyaura Cross-coupling Reaction. Curr. Org. Synth. 13, (5), 761-766 (2016).
Palladio<em&gt; N</em&gt; Complessi di Carbene eterocicliche: Sintesi dei sali di benzimidazolium e attività catalitica in reazioni di formazione di legame di carbonio-carbonio
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Sahin, Z., Akkoς, S., İlhan, İ. Ö., Kayser, V. Palladium N-Heterocyclic Carbene Complexes: Synthesis from Benzimidazolium Salts and Catalytic Activity in Carbon-carbon Bond-forming Reactions. J. Vis. Exp. (125), e54932, doi:10.3791/54932 (2017).More

Sahin, Z., Akkoς, S., İlhan, İ. Ö., Kayser, V. Palladium N-Heterocyclic Carbene Complexes: Synthesis from Benzimidazolium Salts and Catalytic Activity in Carbon-carbon Bond-forming Reactions. J. Vis. Exp. (125), e54932, doi:10.3791/54932 (2017).

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