Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

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

Summary

Detaljerede og generaliserede protokoller præsenteres for syntesen og efterfølgende oprensning af fire palladium- N- heterocykliske carbenkomplekser fra benzimidazoliumsalte. Komplekserne blev testet for katalytisk aktivitet i arylation og Suzuki-Miyaura reaktioner. For hver undersøgt reaktion katalyserede mindst et af de fire komplekser reaktionen succesfuldt.

Abstract

Detaljerede og generaliserede protokoller præsenteres for syntesen og efterfølgende oprensning af fire palladium- N- heterocykliske carbenkomplekser fra benzimidazoliumsalte. Detaljerede og generaliserede protokoller præsenteres også for at teste den katalytiske aktivitet af sådanne komplekser i arylation og Suzuki-Miyaura krydskoblingsreaktioner. Repræsentative resultater er vist for den katalytiske aktivitet af de fire komplekser i arylation og Suzuki-Miyaura type reaktioner. For hver af de undersøgte reaktioner katalyserede mindst et af de fire komplekser reaktionen succesfuldt og kvalificerede dem som lovende kandidater til katalysering af mange carbon-carbonbindingsdannende reaktioner. De præsenterede protokoller er generelle nok til at blive tilpasset til syntesen, rensningen og katalytisk aktivitetstest af nye palladium- N- heterocycliske carbenkomplekser.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

N- heterocykliske carbener (NHC'er) har tiltrukket meget opmærksomhed, især for deres evne til at katalysere forskellige vigtige reaktioner, såsom metates, dannelse af furan, polymerisering, hydrosilylering, hydrogenering, arylation, Suzuki-Miyaura-krydskobling og Mizoroki-Heck-krydskobling 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 . NHC'er kan kobles med metaller; Sådanne metal-NHC-komplekser er blevet udbredt anvendt i overgangsmetallkatalyserede reaktioner som hjælpeligander og organokatalysatorer 12 , 13 , 14 , 15 , 16 . Generelt er de ekstraordinært stabile mod luft, fugt og varme som følge af de høje dissocieringsenergier af metal-carbon-koordinationsbindinger 17 .

Her, protokollerne for den tidligere viste syntese og oprensning af fire benzimidazolium salte (forbindelser 1 - 4) og deres palladium NHC komplekser (forbindelser 5 - 8, henholdsvis) er detaljerede 18. Saltene og komplekserne blev tidligere karakteriseret under anvendelse af forskellige teknikker 18 . Da lignende forbindelser anvendes til katalysering af arylation og Suzuki-Miyaura-krydskoblingsreaktioner 9 , 10 , 11 , er protokollerne til testning af den katalytiske aktivitet af komplekserne i arylation og Suzuki-Miyaura-reaktioner enLso detaljeret. Det er vigtigt, at protokollerne til syntetisering, rensning og afprøvning af kompleksernes katalytiske aktivitet præsenteres generelt nok til at tillade nem tilpasning til nye palladium NHC-komplekser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Forsigtig: Mange flygtige opløsningsmidler anvendes som led i de nedenfor beskrevne protokoller, så udfør alle eksperimenter i en arbejdsstøv. Brug passende personlige værnemidler overalt og konsulter sikkerhedsdatabladet for hvert reagens inden brug Heri er der blevet givet kort information om de farlige reagenser og trin.

1. Syntese og oprensning af benzimidazoliumsalte (forbindelser 1-4)

  1. Klem et 100 ml Schlenk-rør opret og sæt en omrøringsstang, 1 mmol benzimidazol, 1 mmol kaliumhydroxid og 60 ml ethylalkohol som opløsningsmidlet i det.
    Forsigtig: Kaliumhydroxid kan være skadeligt. Undgå at trække vejret og holde det væk fra vand.
    Forsigtig: Ethylalkohol er flygtig og brandfarlig. Hold det væk fra åben ild eller antændelseskilder.
    Bemærk: Natriumhydroxid kan anvendes, hvis kaliumhydroxid ikke er til rådighed. Konsulter thE MSDS af natriumhydroxid, inden man fortsætter med denne foreslåede modifikation.
  2. Placer Schlenk-røret i et oliebad til jævn og sikker opvarmning af reaktionsblandingen under omrøringstrin, der kommer. Fastgør røret til en kondensator for at forhindre opløsningsmiddelinddampning under omrøring. Sørg for, at de glasfittings er tilstrækkeligt smurt og godt monteret.
  3. Omrør reaktionsblandingen ved 25 ° C i 1 time for at tillade fuldstændig opløsning af alle de faste stoffer såvel som brydningen af ​​nitrogen-hydrogenbindingen i benzimidazolmolekyler.
    Bemærk: Brug af kondensator til dette omrøringstrin er ikke afgørende, men da en kondensator skal anvendes til tilbagesvaling i trin 1.5 nedenfor, kan det være hensigtsmæssigt at indstille kondensatoren ved dette trin og bruge det til begge trin. Ellers kan dette trin udføres ved at forsegle Schlenk-slangen med en smurt stopper.
  4. Efter 1 time afmonteres Schlenk-røret fra kondensatoren og tilsættes langsomt 1 mmol af den valgte aRylhalogenid til blandingen.
    Forsigtig: Arylhalogenider er irriterende og kan være skadelige. Kontakt de relevante sikkerhedsdatablade, inden du fortsætter.
  5. Sæt Schlenk-røret igen på kondensatoren og reflux blandingen ved 78 ° C (tæt på ethylalkoholens kogepunkt) i 6 timer for at lade reaktionen nå færdiggørelsen. Lad blandingen afkøle til 25 ° C efter tilbagesvaling er afsluttet.
  6. Løsn Schlenk-røret fra kondensatoren og brug nogle papirhåndklæder til at tørre fedtet ud af røret. Derefter filtreres reaktionsblandingen under anvendelse af en tragt og filterpapir for at fjerne det kaliumchloridfældning, der dannes under reaktionen. Saml filtratet i et bægerglas.
  7. Overfør filtratet, som indeholder N- alkylbenzimidazolproduktet, til et rent Schlenk-rør. Tæt røret med en smurt stopper og fjern ethylalkoholopløsningsmidlet i filtratet med vakuum.
    Bemærk: For alle trin i protokollen involvererBrug et vakuum med moderat styrke samt let og kontinuerlig rystning af røret, der er fastgjort til vakuum.
  8. Når alt opløsningsmidlet er fjernet, afvaskes Schlenk-røret og tilsættes 5 ml diethylether for at vaske N- alkylbenzimidazolproduktet tilbage. Ryst forsigtigt røret for at udføre vask.
    1. Når vask er færdig, brug nogle papirhåndklæder til at tørre fedtet ud af rørets mund og dekantere etheren i et bæger. Gentag dette vaske trin et par gange, tilsættes 5 ml diethylether og dekanterer det hver gang.
      Forsigtig: Diethylether er flygtig og brandfarlig. Hold det væk fra åben ild eller antændelseskilder.
      Bemærk: For alle vaske trin i protokollen kan et andet opløsningsmiddel anvendes, hvis det: 1) ikke reagerer med stoffet, der vaskes, 2) opløses ikke stoffet, der vaskes, og 3) fordampes let.
  9. Efter det endelige vaskestryk forsegles Schlenk-røret med aSmurt stopper og tør det vaskede N- alkylbenzimidazolprodukt med vakuum. Efter tørring skal du bruge nogle papirhåndklæder til at tørre fedtet ud af rørets mund og derefter overføre produktet til et lille hætteglas til brug i den næste reaktion.
    Bemærk: Protokollen kan pauses her og genoptages på et senere tidspunkt.
  10. Klem et rent Schlenk-rør oprejst og udluft luften inde i det ved at rense det med argongas. Indfør gassen fra rørets sidearm og hold rørets mund forseglet under denne proces. Argon er tungere end luft, så det vil udvise luften ved at fylde røret fra bunden opad. Fortsæt rensning af røret med argon, mens reagenserne tilsættes i næste trin.
  11. Tilsæt langsomt en omrørerstang, 1 mmol N- alkylbenzimidazol, 1 mmol af det valgte alkylhalogenid og 4 ml vandfrit N , N- dimethylformamid (DMF) som opløsningsmidlet til Schlenk-røret. Når alle reagenser er tilsat, skal du forsegle rørets mund hurtigtMed en smurt stopper og derefter forsegle sin sidearm ved at dreje stopknappen og derefter slukke for argongassen.
    Forsigtig: Alkylhalogenider er irriterende og kan være skadelige. Kontakt det relevante sikkerhedsdatablad, inden du fortsætter.
    Forsigtig: DMF er brandfarlig. Hold det væk fra åben ild eller antændelseskilder.
  12. Anbring det forseglede Schlenk-rør i et oliebad og rør reaktionsblandingen ved 80 ° C i 24 timer for at gøre det muligt for reaktionen at nå frem til færdiggørelsen.
    Bemærk: Denne reaktion skal udføres i en inert atmosfære, så de ovennævnte rensningstrin, der involverer argon, skal følges nøje.
  13. Efter 24 timer fjernes en del af DMF-opløsningsmidlet i blandingen med vakuum; Ca. 1-2 min. Støvsugning skal være tilstrækkelig.
    Bemærk: Fjern alt DMF-opløsningsmidlet fra den fedtlignende blanding, hvis det ønskes, men det er ikke nødvendigt.
  14. Unseal Schlenk-røret og tilsæt 15 ml diethylether. Rør miXture indtil benzimidazoliumsaltproduktet udfældes.
    Bemærk: Petroleumsether kan anvendes, hvis diethylether ikke er tilgængelig. Konsulter MSDS af petroleumsether, før du fortsætter med denne foreslåede modifikation.
  15. Efter udfældning sker fjernelsen af ​​diethyletheren ved anvendelse af en passende filtreringsmetode.
    BEMÆRK: Vi har brugt et specielt glasrør med en sidearm, et internt filter og to åbne ender, som Schlenk rør kan fastgøres til; Siden sidearmen på dette rør og dem på Schlenk-rørene kan fastgøres til vakuum, giver dette filtreringsrør enorm bekvemmelighed for: 1) filtrering efter udfældningstrinnet såvel som vaskningstrinnene, der skal komme, og 2) tørring efter vaskningen trin.
    1. Hvis du bruger noget lignende, skal du føje det fyldte Schlenk-rør i den ene ende af filtreringsrøret og et tomt Schlenk-rør til den anden ende. Derefter fastgøres det tomme Schlenk-rør til at vakuum, og forsigtigt og gradvist inverter apparatet såledesDiethyletheren passerer gennem filteret til dette tomme Schlenk-rør. Hvis der dog ikke findes et sådant rør, skal der anvendes andre metoder som filtrering med en tragt og filterpapir.
  16. Vask saltproduktet med 15 ml diethylether og fjern diethyletheren ved anvendelse af samme filtreringsfremgangsmåde, der anvendes i trin 1.15. Gentag dette vaske trin et par gange ved at bruge 15 ml diethylether og filtrere det hver gang.
  17. Efter det endelige vaskestørr, tør det vaskede saltprodukt (her tørre inde i filterrøret med vakuum) og opsaml det derefter til yderligere oprensning ved omkrystallisation.
    Bemærk: Protokollen kan pauses her og genoptages på et senere tidspunkt.
  18. Tilsæt saltet og en ethylalkohol-diethyletherblanding (12 ml: 4 ml) til et rent Schlenk-rør. Varm blandingen ved hjælp af en varmepistol indtil saltet opløses helt.
  19. Derefter forsegles røret med en smurt stopper og klemmer den i en næsten vandret position. Forlad tHan salt til omkrystallisering ved stuetemperatur.
  20. Når saltet er omkrystalliseret, skal du bruge nogle papirhåndklæder til at tørre fedtet ud af rørets mund og derefter filtrere blandingen med en tragt og filterpapir for at adskille saltkrystallerne.
  21. Vask saltkrystallerne, mens de stadig er på filterpapiret i tragten, med 15 ml diethylether. Gentag dette vaske trin et par gange.
  22. Efter det endelige vaske trin, lad krystallerne tørre i luft på filterpapiret. Saml det rensede salt til karakterisering og syntesen af ​​palladium NHC-komplekset.
    Bemærk: Protokollen kan pauses her og genoptages på et senere tidspunkt.
  23. Karakteriser saltet som rapporteret tidligere 18 .

2. Syntese og oprensning af palladium NHC-komplekser (forbindelser 5-8)

  1. Klem et 75 ml Schlenk-rør oprejst og tilsæt en omrørerstang, 1 mmol af det valgte benzimidazoliumsalt, 1 mmol pallAdiumchlorid, 5 mmol kaliumcarbonat som base og 3 ml 3-chlorpyridin i den.
    Forsigtig: Palladiumchlorid er giftigt og kan være irriterende.
    Forsigtig: Kaliumcarbonat kan være skadeligt. Undgå at trække vejret og holde det væk fra vand.
    Forsigtig: 3-chloropyridin er ekstremt skadelig. Det er giftigt og ætsende. Undgå kontakt med huden og ånde dampen.
  2. Tæt røret med en smurt stopper og læg den i et oliebad. Omrør reaktionsblandingen ved 80 ° C i 16 timer for at tillade syntesen af ​​palladium NHC-komplekset at opnå fuldførelse.
  3. Efter 16 timer skal blandingen afkøles til stuetemperatur og aflukke røret. Tilsæt 10 ml dichlormethan til blandingen for at forbedre effektiviteten af ​​filtreringen beskrevet i trin 2.4 og 2.5 nedenfor; Dette er valgfrit og kan springes over hvis det ønskes.
    Forsigtig: Dichlormethan er giftig, en irriterende aOg et mistænkt kræftfremkaldende stof. Undgå kontakt med huden og ånde dampen.
  4. Saml følgende filtreringsapparat for at fjerne det uomsatte palladiumchlorid og benzimidazoliumsaltet fra reaktionsblandingen: Brug et glasfilterrør uden tryk.
    1. Først skal du tilføje fire spatler af filteragenten (f.eks. Celite) i røret for at lave et filtermiddellag over filteret, som er i midten af ​​røret. Derefter tilsættes fire spatler af silicagel over filteragenslaget. Til sidst klemmer du en lille bomuldsvåd over silicagellaget, således at filtermidlet og silicagelene fastgøres på plads mellem filteret og bomuldsvatten.
  5. Filtrer reaktionsblandingen gennem puden af ​​filtermiddel og silicagel som følger: Fastgør Schlenk-røret, der indeholder reaktionsblandingen, til glasfiltreringsrøret, således at Schlenk-røret vender mod filterrørets ende med bomuldsvatten. Sæt derefter et tomt Schlenk-rør i den anden ende afFiltreringsrør.
    1. Tilslut det tomme Schlenk-rør til at vakuum, og omhyggeligt og gradvist inverter apparatet, så reaktionsblandingen filtreres gennem (i rækkefølge) bomuld, siliciumoxid, filtermiddel og filterlag. Det ureagerede palladiumchlorid og benzimidazoliumsaltet vil blive bibeholdt i lagene, mens filtratet, som indeholder palladium NHC-komplekset, kommer ind i det tomme Schlenk-rør.
      Bemærk: Hvis der tilsættes dichlormethan til reaktionsblandingen (trin 2.3), kan det medføre noget tryk inde i filterrøret, og dette kan medføre, at væske siver ud fra forbindelsesdelen mellem det fyldte Schlenk-rør og filtreringsrøret ved inversion. For at forhindre dette er det vigtigt at forbinde det tomme Schlenk-rør til at vakuum inden omvendt indretning af apparatet (som beskrevet ovenfor), således at reaktionsblandingen ved inversion ikke har tilstrækkelig tid til at sive ud fra den ovennævnte forbindelsesdel.
  6. Løsn Schlenk-røretIndeholdende filtratet fra filtreringsapparatet ovenfor og forsegle det med en smurt stopper. Fjern opløsningsmidlet i filtratet med vakuum.
  7. Når alt opløsningsmidlet er fjernet, afvaskes Schlenk-røret og tilsættes 5 ml diethylether for at vaske palladium NHC-kompleksproduktet tilbage. Ryst forsigtigt røret for at udføre vask. Når vask er færdig, brug nogle papirhåndklæder til at tørre fedtet ud af rørets mund og dekantere etheren i et bæger. Gentag dette vaske trin et par gange, tilsættes 5 ml diethylether og dekanterer det hver gang.
  8. Efter det endelige vaskestryk forsegles Schlenk-røret med en smurt stopper og tør det vaskede palladium NHC-kompleksprodukt med vakuum. Efter tørring skal du bruge nogle papirhåndklæder til at tørre fedtet ud af rørets mund og derefter indsamle produktet til yderligere oprensning ved omkrystallisation.
    Bemærk: Protokollen kan pauses her og genoptages på et senere tidspunkt.
  9. Til omkrystallisation, find enPassende opløsningsmiddel til det specifikke palladium NHC-kompleks (dvs. det, at komplekset ikke let opløses ved stuetemperatur, men gør det ved opvarmning) og følg de samme trin som beskrevet ovenfor for saltene (trin 1.18 til 1.22). Derefter indsamles det rensede kompleks for karakterisering.
    Bemærk: Protokollen kan pauses her og genoptages på et senere tidspunkt.
  10. Karakteriser komplekset som tidligere rapporteret 18 .

3. Kompleksernes katalytiske aktivitet (5-8) i arylationsreaktioner

  1. Udfør alle katalytiske reaktioner under luft i en dampplade.
  2. Brug de købte reagenser uden yderligere oprensning til carbon-carbonbindingsdannende reaktioner.
  3. Klemme en 25 ml Schlenk-rør oprejst og tilføje en omrører bar, 2 mmol af 2-n-buty eller 2-n -butylfuran og 1 mmol af den valgte arylbromid i den.
    Forsigtig: 2- n- butylfuran og2- n- butylthiophen er begge akut toksiske. Undgå kontakt med huden og ånde deres dampe.
  4. Derefter tilsættes 1 mmol kaliumacetat, 0,01 mmol af det valgte palladium NHC-kompleks og 2 ml N , N- dimethylacetamid (DMA) i røret.
    Forsigtig: DMA er toksisk. Undgå kontakt med huden og ånde dampen.
  5. Tæt røret med en smurt stopper og læg den i et oliebad. Omrør reaktionsblandingen til forskellige tidspunkter og ved forskellige temperaturer for at finde tid og temperaturforhold, der fører til maksimalt produktudbytte for den givne reaktion.
    Bemærk: Reaktionsforløbet kan efterfølges af tyndtlagskromatografi (TLC), men hvis kun sammenligning af effekten af ​​forskellige reaktionsbetingelser for udbytte (inklusiv palladium NHC-komplekset anvendt til katalyse), er det ikke nødvendigt at køre reaktionen til færdiggørelse. I disse tilfælde skal reaktionen køre i en konstant mængde tid mindre end den nødvendige tidTil færdiggørelse og variere den testede reaktionstilstand. Når reaktionen har kørt for den ønskede mængde tid, skal du stoppe det ved at fjerne opløsningsmidlet fra reaktionsblandingen som beskrevet i det næste trin.
    1. For at følge reaktionens fremskridt med TLC sammenlignes bevægelsen af ​​reaktionsblandingen gennem en TLC-plade med dem af reaktanterne; Hvis blandingen stadig producerer pletterne for reaktanterne, betyder det, at reaktionen ikke er færdiggjort endnu. For at få en prøve af reaktionsblandingen efter en given tid, afmonterer Schlenk-røret, mens reaktionen stadig kører, og brug et kapillærrør for hurtigt at opnå en dråbe til TLC-testen. For at køre blandingen og reaktanterne gennem TLC-pladen, find et passende opløsningsmiddel (mobil fase) for det specifikke tilfælde.
  6. Når reaktionen er fuldstændig eller har kørt i den ønskede mængde tid, fjernes opløsningsmidlet i reaktionsblandingen med vakuum.
  7. Unseal Schlenk-røret og tilsæt en hexan-diethylether mIxtur (10 ml: 2 ml) ind i den. Denne opløsningsmiddelblanding vil være mobilfasen til flashsøjlekromatografi i trin 3,8 og 3,9 nedenfor. Ryst blandingen kraftigt for at sikre, at produktet opløses i mobilfasen og ikke efterlades i røret.
    Forsigtig: Hexane er flygtig og brandfarlig. Undgå at trække vejrtrækningen op og hold den væk fra åben ild eller antændelseskilder.
  8. Sammensæt en flashkromatografikolonne som følger for at rense produktet: Brug en glasdråber. Først skal du indsætte en lille smule bomuld i droppen og skubbe den ind, indtil den hviler fast lige hvor glaskammeret begynder at tynde ud. Derefter tilsættes silicagel på toppen af ​​bomuldspladen, således at to tredjedele af droppens tykke sektion er fyldt.
  9. Klem silicagelkolonnen oprejst og brug en glasdråber til gradvist at overføre reaktionsblandingen ind i den. Fjern blandingen gennem søjlen og opsaml eluenten indeholdende det oprensede produkt i et rent bæger eller en prøverør.
    Bemærk: Protokollen kan pauses her og genoptages på et senere tidspunkt.
  10. Overfør eluenten til et rent rør, der kan fastgøres til vakuum og forsegle røret med en smurt stopper. Fjern opløsningsmidlet i eluenten med vakuum.
    Bemærk: Protokollen kan pauses her og genoptages på et senere tidspunkt.
  11. Når alt opløsningsmidlet er fjernet, afløb røret og tilsæt 1,5 ml dichlormethan. Ryst forsigtigt røret for at opløse produktet og derved tillade dets analyse med GC eller GC / MS. Beregn udbyttet ved anvendelse af GC eller GC / MS 19 , 20 , 21 , 22 , 23 .
    Bemærk: Kloroform kan anvendes, hvis dichlormethan ikke er tilgængelig. Konsulter MSDS of chloroform inden du fortsætter med denne foreslåede ændring.

4. Katalytisk aktivitet af coMplexer (5-8) i Suzuki-Miyaura krydskoblingsreaktioner

  1. Udfør alle katalytiske reaktioner i overensstemmelse med de tidligere rapporterede protokol 18 , 24 .
  2. Klem et 25 mL Schlenk-rør oprejst og tilsæt en omrøringsstang, 1,5 mmol phenylboronsyre eller det valgte borsyrederivat, 1 mmol af det valgte arylchlorid og 2 mmol natrium tert-butoxid som en base i den.
    Forsigtig: Phenylboronsyre og dets derivater er irriterende og kan være giftige. Undgå kontakt med huden. Kontakt de relevante sikkerhedsdatablade, inden du fortsætter.
    Forsigtig: Arylchlorider er skadelige og kan, afhængigt af det specifikke kemikalie, være giftige og brandfarlige. Kontakt de relevante sikkerhedsdatablade, inden du fortsætter.
    Forsigtig: Natrium tert-butoxid er et brandfarligt faststof. Det er meget reaktivt med vand og kaustik, når det er i opløsning. Hold det væk fra åben ild eller antændelseskilder og undgå hudkontakt. <Note: Kaliumhydroxid, natriumhydroxid, kaliumcarbonat, natriumcarbonat, kaliumacetat, natriumacetat eller kalium-tert-butoxid kan anvendes, hvis natrium tert-butoxid ikke er til rådighed. Konsulter MSDS'erne af disse baser, inden du fortsætter med disse foreslåede ændringer.
  3. Tilsæt 0,01 mmol af det valgte palladium NHC-kompleks til røret.
  4. Tilsæt en DMF-vandblanding (2 ml: 2 ml) i røret.
    Bemærk: Brug om nødvendigt et højere forhold til DMF til vand eller brug DMF alene.
  5. Tæt røret med en smurt stopper og læg den i et oliebad. Omrør reaktionsblandingen til forskellige tidspunkter og ved forskellige temperaturer for at finde tid og temperaturforhold, der fører til maksimalt produktudbytte for den givne reaktion.
    Bemærk: Reaktionsforløbet kan efterfølges af TLC, men hvis man kun sammenligner effekten af ​​forskellige reaktionsbetingelser på udbytte (inklusiv palladium NHC-komplekset, der anvendes til katAlysis), så kører reaktionen til færdiggørelse ikke nødvendig. I disse tilfælde skal reaktionen køre i en konstant mængde tid mindre end den tid, der kræves til afslutning, og variere den testede reaktionstilstand. Når reaktionen har kørt for den ønskede mængde tid, stop den og fortsæt til næste trin. For at følge reaktionsforløbet med TLC, se trin 3.5.1 for nogle detaljer.
  6. Når reaktionen er fuldstændig eller har kørt i den ønskede mængde tid, lad blandingen afkøle til stuetemperatur. Unseal Schlenk-røret og tilsæt en hexan-ethylacetat-blanding (5 ml: 1 ml) til reaktionsblandingen. Re-forsegle røret og ryst den nye blanding kraftigt i nogle få minutter for at tillade migrering af det syntetiserede produkt til hexan-ethylacetatfasen.
    Forsigtig: Ethylacetat er flygtig og brandfarlig og kan forårsage alvorlig øjenskade. Undgå at trække vejrtrækningen op og hold den væk fra åben ild eller antændelseskilder.
  7. Klip SchLenkrøret oprejst og lad blandingen aflejres i to forskellige faser i løbet af få minutter.
  8. Brug en glasdråber til omhyggeligt at ekstrahere den øverste organiske fase og overfør den til et rent bæger, der indeholder 1 g vandfrit magnesiumsulfat. Magnesiumsulfatpulveret hjælper med at fjerne eventuelt resterende vand fra den ekstraherede organiske fase.
  9. Gentag trin 4.6 til 4.8 mindst en gang for at maksimere ekstraktionen af ​​det syntetiserede produkt.
  10. Følg trin 3.8 og 3.9 for at rense produktet med flash søjlekromatografi. Den hexan-ethylacetatblanding, der er til stede i den ekstraherede organiske fase, vil fungere som den mobile fase for dette oprensningstrin. Saml eluenten indeholdende det rensede produkt i et rent bæger eller reagensglas.
    Bemærk: Protokollen kan pauses her og genoptages på et senere tidspunkt.
  11. Analyser produktet og beregne udbyttet ved hjælp af GC eller GC / MS 19 , 20 ,21 , 22 , 23 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Benzimidazoliumsalte ( 1 - 4 ) ( Figur 1 ) blev syntetiseret i vandfrit DMF under anvendelse af N- alkylbenzimidazoler og forskellige alkylhalogenider, derefter renset og karakteriseret som rapporteret før 18 , 24 . De var hvide eller cremefarvede faste stoffer og havde udbytter på mellem 62% og 97%. Palladium NHC komplekser (5 - 8) (figur 2) blev derpå syntetiseret fra saltene, rensede og karakteriseret, også som rapporteret før 18, 24. De var gule eller flødefarvede faste stoffer og havde lavere udbytter end saltene, der varierede fra 25% til 60%. De fire palladiumkomplekser blev testet for katalytisk aktivitet i arylation og Suzuki-Miyaura krydskoblingsreaktioner.

n- butylthiophen og 4-bromacetophenon (tabel 1, indgang 1) blev givet som et eksempel for at fremhæve de dårlige resultater opnået i arylationsreaktioner i fravær af en passende katalysator; Denne særlige reaktion gav kun et udbytte på 1% efter 1 time ved 110 ° C i fravær af et katalyserende kompleks. Til reaktionen af ​​2- n- butylfuran med 4-bromacetophenon førte komplekserne 5-8 til udbytter henholdsvis 14, 49, 83 og 89% efter 1 time ved 110 ° C (tabel 1, indføringer 2-5). Indsats 6-8 i tabel 1 viser reaktionen mellem 2- n- butylfuran og brombenzen i nærværelse af kompleks 7; Ganske gode udbytter på 71, 84 og 98% blev opnået efter 21 timer ved henholdsvis 80, 90 og 110 ° C. De resterende 2 poster i tabel 1 (indgang 9 og 10) viser reaktionen af ​​2- n- butylthiophen med brombenzeNe og 4-bromanisol. Den første af disse reaktioner blev katalyseret af kompleks 8, hvilket gav et udbytte på 97%, der skulle opnås efter 1 time ved 110 ° C (tabel 1, indgang 9). Den anden reaktion blev katalyseret af kompleks 5 for at give et udbytte på 79% efter 1 time ved 130 ° C (tabel 1, indgang 10).

Den katalytiske virkning af komplekserne på de studerede Suzuki-Miyaura-reaktioner mellem borsyrederivater og arylchlorider var variabel (tabel 2). Her var målet at sammenligne præstationen af ​​de fire komplekser i katalyse af disse reaktioner, så for hver af de undersøgte reaktioner blev de andre reaktionsbetingelser holdt konstante: en 2 ml: 2 ml DMF-vandblanding blev anvendt som opløsningsmidlet , Natrium tert-butoxid blev anvendt som basen, reaktionerne blev kørt i 2 timer, og reaktionstemperaturen blev holdt ved 80 ° C. Under disse betingelser resulterede komplekserne 5-8 i konverteringer på 67, 55, 77 og 25% og udbytter på 56, 51,59 og 9% til reaktionen af ​​2,5-dimethoxyphenylboronsyre med 4-methoxy-1-chlorbenzen (tabel 2, indgang 1-4). Til reaktionen af ​​4-tert-butylphenylboronsyre med 4-chlorotoluen under disse betingelser viste alle fire komplekser 5-8 sig at være fremragende katalysatorer, hvilket resulterede i omdannelser på 99, 99, 98 og 100% og udbytter på 92,95 , 93 og 99,9% (tabel 2, indgang 5-8). Endelig resulterede komplekserne 5-8 til omdannelse af thianaphthen-2-borsyre med 1-chlor-4-nitrobenzen under disse betingelser og resulterede i omdannelser på 5, 9, 55 og 30% og udbytter på 3, 1, 35 og 14% (tabel 2, post 9-12).

figur 1
Figur 1 : Syntese af benzimidazoliumsalte.
Skematisk af reaktionerne mellem 1-alkylbenzimidazol og forskellige alkylhalogenider til dannelse af benzimidazoliumsalte <Stærk> 1-4. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2
Figur 2 : Syntese af palladium NHC-komplekserne.
Skematisk af reaktionerne mellem benzimidazoliumsalte 1-4 , palladiumchlorid, kaliumcarbonat og 3-chlorpyridin til dannelse af palladium NHC-komplekser 5-8 . Klik her for at se en større version af denne figur.

Tabel 1
Tabel 1: Katalyserede arylation reaktioner - repræsentativ results.
Arylation af heteroarylderivater med forskellige arylbromider i nærvær af de syntetiserede palladium NHC-komplekser. Reaktionsbetingelser: 2- n- butylthiophen eller 2- n- butylfuran (2 mmol), arylbromid (4-bromacetophenon, brombenzen eller 4-bromanisol) (1 mmol) palladium NHC-kompleks ( 5-8 ) (0,01 mmol) Kaliumacetat (1 mmol), DMA (2 ml), 80-130 ° C, 1-21 timer. Klik her for at se en større version af denne tabel.

Tabel 2
Tabel 2: Katalyserede Suzuki-Miyaura reaktioner - repræsentative resultater.
Suzuki-Miyaura krydskoblingsreaktioner af borsyrederivater med arylchlorider i nærværelse af de syntetiserede palladium NHC-komplekser. Reaktionsbetingelser: borN-syrederivat (1,5 mmol), arylchlorid (1 mmol), natrium tert-butoxid (2 mmol), palladium NHC-kompleks ( 5-8 ) (0,01 mmol), DMF-vand (2 ml: 2 ml), 80 ° C, 2 timer. Klik her for at se en større version af denne tabel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Protokollerne til syntese og oprensning af fire benzimidazoliumsalte og efterfølgende deres palladium NHC-komplekser blev bevidst fremlagt for at hjælpe unge videnskabsmænd eller dem, der er nye til området, at mastre dem. Med det samme mål i tankerne blev protokollerne til afprøvning af de katalytiske aktiviteter i de fire komplekser i arylation og Suzuki-Miyaura reaktioner også fremlagt meget detaljeret. Desuden har vi forsøgt at præsentere protokollerne så generelt som muligt for at tillade andre let at tilpasse dem til syntese, rensning og testning af den katalytiske aktivitet af mange andre / nye palladium NHC-komplekser.

Om nødvendigt er protokollerne åbne for nogle ændringer. Forslag til mulige ændringer er givet i protokollens afsnit under de relevante trin. Nogle af disse forslag handler om udeladelse af visse protokolstrin fremhævet som valgfri, mens andre handler om exchaVed hjælp af det udstyr eller reagenser, der anvendes i visse trin i protokollerne. Med hensyn til modificeringen af ​​reagenserne er det i princippet muligt at erstatte nogle af de reagenser, der anvendes i protokollerne med andre, men vi har begrænset vores forslag i den henseende til kun de eksempler, som vi har verificeret eksperimentelt eller ved kortfattet opmåling Af litteraturen.

Hvad angår den katalytiske aktivitet af de syntetiserede komplekser, kan deres værdi for katalysationen af ​​arylationsreaktioner ses gennem de repræsentative resultater i tabel 1. Til katalysering af reaktionen mellem 2- n- butylfuran og 4-bromacetophenon var kompleks 6 en god kandidat Mens komplekserne 7 og 8 udførte særligt godt (tabel 1, indg. 2-5). Kompleks 7 var en glimrende katalysator for reaktionen mellem 2- n- butylfuran og brombenzen (tabel 1, post 6-8); Den positive virkning af forøget temperatur på udbytte for denne reaktion viser, at hvis reaktionen erKatalyseret af et passende kompleks, modificering af andre reaktionsbetingelser såsom temperatur kan hjælpe med at maksimere udbyttet. Til reaktionen af ​​2- n- butylthiophen med brombenzen var kompleks 8 en fremragende katalysator (tabel 1, indgang 9), mens reaktionen mellem 2- n- butylthiophen og 4-bromanisol udførte kompleks 5 ganske godt som en katalysator ( Tabel 1, indgang 10). Samlet set blev hver af de undersøgte aryleringsreaktioner katalyseret godt af mindst et af de fire syntetiserede komplekser. Yderligere arbejde kan udføres for potentielt at øge udbytteværdierne for disse reaktioner ved at modificere reaktionsbetingelser såsom tid og temperatur.

Til katalysering af Suzuki-Miyaura-reaktionerne mellem borsyrederivater og arylchlorider udviste de syntetiserede komplekser variabel ydeevne under reaktionsbetingelserne anvendt i dette studie (tabel 2). Komplekser 5-7 viste sig at være gode kandidater, mens komplekse 8 ikke fungerede godt for katalysering afReaktion mellem 2,5-dimethoxyphenylboronsyre og 4-methoxy-1-chlorbenzen (tabel 2, indgang 1-4). Alle fire komplekser var fremragende katalysatorer til reaktionen mellem 4-tert-butylphenylboronsyre og 4-chlorotoluen (tabel 2, indg. 5-8). Til reaktionen af ​​thianaphthen-2-boronsyre med 1-chlor-4-nitrobenzen fungerede komplekserne 5 og 6 ikke godt som katalysatorer, mens komplekserne 7 og 8 viste noget løfte (tabel 2, indg. 9-12). Samlet set blev ligesom alle resultaterne af arylationsreaktionerne hver af de undersøgte Suzuki-Miyaura-reaktioner katalyseret godt af mindst et af de fire syntetiserede komplekser. For de tilfælde, hvor det valgte kompleks udførte sig godt ved katalysering af den givne reaktion, kan yderligere arbejde udføres for potentielt at øge omdannelses- og udbytteværdier ved forskellige reaktionsbetingelser som tid, temperatur, opløsningsmiddelsammensætning og den anvendte base.

Sammenfattende kan de fire palladium NHC-komplekser let syntetiseres ved at følgeDetaljerede protokoller givet og vist sig at være lovende kandidater til katalyse af mange carbon-carbonbindingsdannende reaktioner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi anerkender den økonomiske støtte fra ph.d.-fakultetet (University of Sydney), Erciyes University Research Fund og TUBITAK (1059B141400496). Vi takker Tim Harland (University of Sydney) for at redigere videoen.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).
palladium<em&gt; N</em&gt; -Heterocycliske carbenkomplekser: Syntese fra benzimidazoliumsalte og katalytisk aktivitet i carbon-carbon-bindingsdannende reaktioner
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter