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Chemistry

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

Summary

Des protocoles détaillés et généralisés sont présentés pour la synthèse et la purification subséquente de quatre complexes de carbène N- hétérocyclique au palladium à partir de sels de benzimidazolium. Les complexes ont été testés pour l'activité catalytique dans l'arylation et les réactions de Suzuki-Miyaura. Pour chaque réaction étudiée, au moins un des quatre complexes a catalysé avec succès la réaction.

Abstract

Des protocoles détaillés et généralisés sont présentés pour la synthèse et la purification subséquente de quatre complexes de carbène N- hétérocyclique au palladium à partir de sels de benzimidazolium. Des protocoles détaillés et généralisés sont également présentés pour tester l'activité catalytique de tels complexes dans l'arylation et les réactions de couplage croisé de Suzuki-Miyaura. Des résultats représentatifs sont montrés pour l'activité catalytique des quatre complexes dans l'arylation et les réactions de type Suzuki-Miyaura. Pour chacune des réactions étudiées, au moins un des quatre complexes a réussi à catalyser la réaction, les qualifiant de candidats prometteurs pour la catalyse de nombreuses réactions de formation de liaison carbone-carbone. Les protocoles présentés sont assez généraux pour être adaptés pour la synthèse, la purification et l'essai d'activité catalytique de nouveaux complexes de carbène N- heterocycliques au palladium.

Introduction

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Les carbènes N- hétérocycliques (NHC) ont attiré beaucoup d'attention, en particulier pour leur capacité à catalyser diverses réactions importantes telles que la métathèse, la création de furane, la polymérisation, l'hydrosilylation, l'hydrogénation, l'arylation, le couplage croisé Suzuki-Miyaura et le couplage croisé Mizoroki-Heck 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 . Les NHC peuvent être couplés avec des métaux; De tels complexes métal-NHC ont été largement utilisés dans les réactions catalysées par des métaux de transition comme ligands auxiliaires et organocatalyseurs 12 , 13 , 14 , 15 , 16 . Généralement, ils sont extraordinairement stables contre l'air, l'humidité et la chaleur en conséquence des énergies de dissociation élevées des liaisons de coordination métal-carbone 17 .

Ici, les protocoles pour la synthèse et la purification de quatre sels de benzimidazolium (composés 1 à 4 ) précédemment représentés et leurs complexes de NHC palladium (composés 5 à 8 respectivement) sont détaillés 18 . Les sels et les complexes ont été précédemment caractérisés en utilisant diverses techniques 18 . Étant donné que des composés similaires sont utilisés pour la catalyse de l'arylation et des réactions de couplage croisé Suzuki-Miyaura 9 , 10 , 11 , les protocoles pour tester l'activité catalytique des complexes dans l'arylation et les réactions Suzuki-Miyaura sontLso détaillé. Il est important de noter que les protocoles de synthèse, de purification et de test de l'activité catalytique des complexes sont suffisamment généraux pour permettre une adaptation facile aux nouveaux complexes NHC palladium.

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Protocol

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Attention: De nombreux solvants volatils sont utilisés dans le cadre des protocoles détaillés ci-dessous, afin d'effectuer toutes les expériences dans une hotte de travail. Portez un équipement de protection individuelle approprié tout au long de la procédure et consultez la fiche signalétique de chaque réactif avant utilisation; Dans le présent document, de brèves informations ont été fournies sur les réactifs et les étapes dangereux.

1. Synthèse et purification des sels de benzimidazolium (composés 1-4)

  1. Serrer un tube Schlenk de 100 ml en position verticale et mettre une barre d'agitateur, 1 mmol de benzimidazole, 1 mmol d'hydroxyde de potassium et 60 ml d'alcool éthylique en tant que solvant.
    Attention: l' hydroxyde de potassium peut être nocif. Évitez de respirer sa poussière et de l'éloigner de l'eau.
    Attention: l' alcool éthylique est volatil et inflammable. Gardez-le loin des flammes nues ou des sources d'inflammation.
    Note: L'hydroxyde de sodium peut être utilisé si l'hydroxyde de potassium n'est pas disponible. Consultez leE MSDS d'hydroxyde de sodium avant de procéder à cette modification suggérée.
  2. Placer le tube Schlenk dans un bain d'huile pour un chauffage régulier et régulier du mélange réactionnel pendant les étapes d'agitation à venir. Fixez le tube à un condenseur pour éviter l'évaporation du solvant pendant l'agitation. Assurez-vous que les pièces en verre sont suffisamment graissées et bien ajustées.
  3. Agiter le mélange réactionnel à 25 ° C pendant 1 h pour permettre une dissolution complète de tous les solides ainsi que la rupture de la liaison azote-hydrogène dans les molécules de benzimidazole.
    Remarque: L' utilisation d'un condenseur pour cette étape d'agitation n'est pas essentielle, mais comme un condenseur doit être utilisé pour refléter à l'étape 1.5 ci-dessous, il est conseillé de configurer le condenseur à cette étape et de l'utiliser pour les deux étapes. Sinon, cette étape peut être effectuée en scellant le tube Schlenk avec un bouchon graissé.
  4. Après 1 h, détachez le tube de Schlenk du condenseur et ajoutez lentement 1 mmole de l'éluRyl au mélange.
    Attention: Les halogénures d'aryle sont irritants et peuvent être nocifs. Consultez les fiches signalétiques pertinentes avant de procéder.
  5. Rebrancher le tube Schlenk au condenseur et refléter le mélange à 78 ° C (près du point d'ébullition de l'alcool éthylique) pendant 6 h pour permettre l'achèvement de la réaction. Laisser refroidir le mélange à 25 ° C après le reflux est terminé.
  6. Détachez le tube Schlenk du condenseur et utilisez des serviettes en papier pour nettoyer la graisse de la bouche du tube. Ensuite, filtrer le mélange réactionnel en utilisant un entonnoir et du papier filtre pour éliminer le précipité de chlorure de potassium formé pendant la réaction. Recueillir le filtrat dans un bécher.
  7. Transférer le filtrat, qui contient le produit N- alkylbenzimidazole, à un tube Schlenk propre. Sceller le tube avec un bouchon graissé et retirer le solvant alcool éthylique dans le filtrat sous vide.
    Remarque: pour toutes les étapes de l'invocEn aspirant, utilisez un vide de résistance modérée ainsi qu'un tremblement léger et continu du tube attaché au vide.
  8. Une fois que tout le solvant a été éliminé, retirer le tube Schlenk et ajouter 5 ml d'éther diéthylique pour laver le produit N- alkylbenzimidazole laissé derrière. Secouez doucement le tube pour effectuer le lavage.
    1. Une fois le lavage terminé, utilisez des serviettes en papier pour essuyer la graisse de la bouche du tube et décanter l'éther dans un bécher. Répétez cette étape de lavage quelques fois, en ajoutant 5 ml d'éther diéthylique et en le décantant à chaque fois.
      Attention: l' éther diéthylique est volatil et inflammable. Gardez-le loin des flammes nues ou des sources d'inflammation.
      Remarque: Pour toutes les étapes de lavage dans le protocole, un autre solvant peut être utilisé si: 1) ne réagit pas avec la substance en cours de lavage, 2) ne dissout pas la substance en cours de lavage et 3) s'évapore facilement.
  9. Après la dernière étape de lavage, sceller le tube Schlenk avec unBouchon graissé et sécher le produit N- alkylbenzimidazole lavé avec un vide. Après le séchage, utilisez des serviettes en papier pour nettoyer la graisse de la bouche du tube puis transférer le produit dans un petit flacon pour une utilisation dans la réaction suivante.
    Remarque: Le protocole peut être mis en pause ici et repris ultérieurement.
  10. Serrer un tube Schlenk propre en position verticale et expulser l'air à l'intérieur en le purgant avec de l'argon gazeux. Introduire le gaz de l'armoire latérale du tube et garder la bouche du tube non scellée pendant ce processus. L'argon est plus lourd que l'air, de sorte qu'il va expulser l'air en remplissant le tube de bas en haut. Continuez à purger le tube avec de l'argon tout en ajoutant les réactifs à l'étape suivante.
  11. Ajouter lentement une barre d'agitation, 1 mmol du N- alkylbenzimidazole, 1 mmol de l'halogénure d'alkyle choisi et 4 ml de N , N -diméthylformamide anhydre (DMF) comme solvant sur le tube de Schlenk. Une fois que tous les réactifs sont ajoutés, sceller rapidement la bouche du tubeAvec un bouchon graissé, puis sceller son arceau en tournant le robinet d'arrêt, puis éteignez le gaz argon.
    Attention: les halogénures d'alkyle sont irritants et peuvent être nocifs. Consultez la fiche de données de sécurité pertinente avant de procéder.
    Attention: le DMF est inflammable. Gardez-le loin des flammes nues ou des sources d'inflammation.
  12. Placez le tube Schlenk scellé dans un bain d'huile et remuez le mélange réactionnel à 80 ° C pendant 24 h pour que la réaction atteigne l'achèvement.
    Remarque: Cette réaction doit être effectuée dans une atmosphère inerte, de sorte que les étapes de purge précitées impliquant l'argon doivent être soigneusement suivies.
  13. Après 24 h, retirer une partie du solvant DMF dans le mélange avec un vide; Environ 1-2 minutes d'aspiration devraient être suffisantes.
    Remarque: Si vous le souhaitez, retirez tout le solvant de DMF du mélange de graisse, mais cela n'est pas nécessaire.
  14. Déposer le tube Schlenk et ajouter 15 ml d'éther diéthylique. Remuer le miXture jusqu'à ce que le sel de benzimidazolium précipite.
    Note: L'éther de pétrole peut être utilisé si l'éther diéthylique n'est pas disponible. Consultez la MSDS de l'éther de pétrole avant de procéder à cette modification suggérée.
  15. Après la précipitation, éliminer l'éther diéthylique en utilisant un procédé de filtrage approprié.
    REMARQUE: Nous avons utilisé un tube en verre spécial avec une arme latérale, un filtre interne et deux extrémités ouvertes auxquelles les tubes Schlenk peuvent être fixés; Puisque le bras latéral sur ce tube et ceux des tubes Schlenk peuvent être fixés au vide, ce tube filtrant offre une commodité immense pour: 1) filtrer après l'étape de précipitation ainsi que les étapes de lavage à venir, et 2) sécher après le lavage pas.
    1. Si vous utilisez quelque chose de similaire, attachez le tube Schlenk rempli à une extrémité du tube filtrant et un tube Schlenk vide à l'autre extrémité. Ensuite, attacher le tube Schlenk vide à l'aspirateur, et inverser avec soin et progressivement l'appareil afin queL'éther diéthylique traverse le filtre sur ce tube Schlenk vide. Si, cependant, un tel tube ne peut être trouvé, utilisez d'autres méthodes telles que la filtration avec un entonnoir et du papier filtre.
  16. Laver le produit salé avec 15 ml d'éther diéthylique et éliminer l'éther diéthylique en utilisant le même procédé de filtration utilisé à l'étape 1.15. Répétez cette étape de lavage quelques fois, en utilisant 15 ml d'éther diéthylique et en la filtrant à chaque fois.
  17. Après l'étape finale de lavage, sécher le produit salé lavé (ici sécher à l'intérieur du tube filtrant sous vide) puis le recueillir pour une purification ultérieure par recristallisation.
    Remarque: Le protocole peut être mis en pause ici et repris ultérieurement.
  18. Ajouter le sel et un mélange d'alcool éthylique-éther diéthylique (12 mL: 4 mL) à un tube Schlenk propre. Chauffer le mélange à l'aide d'un pistolet à chaleur jusqu'à ce que le sel se dissout complètement.
  19. Ensuite, sceller le tube avec un bouchon graissé et le serrer dans une position presque horizontale. Laisser tIl a salé pour recristalliser à température ambiante.
  20. Une fois que le sel est recristallisé, utilisez des serviettes en papier pour nettoyer la graisse de la bouche du tube puis filtrez le mélange en utilisant un entonnoir et du papier filtre pour séparer les cristaux de sel.
  21. Laver les cristaux de sel, alors qu'ils sont encore sur le papier filtre dans l'entonnoir, avec 15 ml d'éther diéthylique. Répétez cette étape de lavage quelques fois.
  22. Après la dernière étape de lavage, laisser sécher les cristaux dans l'air sur le papier filtre. Recueillir le sel purifié pour la caractérisation et la synthèse du complexe NHC palladium.
    Remarque: Le protocole peut être mis en pause ici et repris ultérieurement.
  23. Caractériser le sel comme indiqué précédemment 18 .

2. Synthèse et purification des complexes de palladium NHC (composés 5-8)

  1. Serrer un tube Schlenk de 75 ml en position verticale et ajouter une barre d'agitation, 1 mmol du sel de benzimidazolium choisi, 1 mmole de pallLe chlorure d'adium, 5 mmoles de carbonate de potassium à titre de base et 3 ml de 3-chloropyridine.
    Attention: Le chlorure de palladium est toxique et peut être irritant.
    Attention: le carbonate de potassium peut être nocif. Évitez de respirer sa poussière et de l'éloigner de l'eau.
    Attention: la 3-chloropyridine est extrêmement nocive. C'est toxique et corrosif. Éviter le contact avec la peau et respirer ses fumées.
  2. Sceller le tube avec un bouchon graissé et le placer dans un bain d'huile. Mélanger le mélange réactionnel à 80 ° C pendant 16 h pour permettre la synthèse du complexe NHC du palladium.
  3. Après 16 h, laisser refroidir le mélange jusqu'à la température ambiante et retirer le tube. Ajouter 10 ml de dichlorométhane au mélange pour améliorer l'efficacité du filtrage décrit dans les étapes 2.4 et 2.5 ci-dessous; Ceci est optionnel et peut être ignoré si désiré.
    Attention: le dichlorométhane est toxique, un irritantEt un cancérogène suspecté. Éviter le contact avec la peau et respirer ses fumées.
  4. Assembler l'appareil de filtrage suivant pour éliminer le chlorure de palladium n'ayant pas réagi et le sel de benzimidazolium du mélange réactionnel: Utiliser un tube filtrant en verre sans robinet.
    1. Tout d'abord, ajouter quatre spatules de l'agent filtrant (par exemple, Celite) dans le tube pour former une couche d'agent filtrant au-dessus du filtre qui se trouve au milieu du tube. Ensuite, ajouter quatre spatules de gel de silice au-dessus de la couche d'agent filtrant. Enfin, serrer un petit coton en coton au-dessus de la couche de gel de silice de sorte que l'agent filtrant et les couches de silice soient fixés entre le filtre et le coton.
  5. Filtrer le mélange réactionnel à travers le tampon de l'agent filtrant et du gel de silice comme suit: Fixez le tube Schlenk contenant le mélange réactionnel au tube filtrant en verre de telle sorte que le tube Schlenk soit en vis-à-vis de l'extrémité du tube filtrant avec la fibre de coton. Ensuite, attachez un tube Schlenk vide à l'autre extrémité de laTube filtrant.
    1. Raccorder le tube Schlenk vide à l'aspirateur et inverser soigneusement et progressivement l'appareil afin que le mélange réactionnel soit filtré (dans l'ordre) du coton, de la silice, de l'agent filtrant et des couches filtrantes. Le chlorure de palladium n'ayant pas réagi et le sel de benzimidazolium seront retenus dans les couches tandis que le filtrat contenant le complexe NHC palladium entrera dans le tube Schlenk vide.
      Remarque: Si le mélange réactionnel est ajouté au dichlorométhane (étape 2.3), il peut apporter une certaine pression à l'intérieur du tube filtrant, ce qui peut entraîner l'apparition d'un liquide à partir de la partie de liaison entre le tube Schlenk rempli et le tube filtrant lors de l'inversion. Pour éviter cela, il est important de connecter le tube Schlenk vide au vide avant l'inversion de l'appareil (comme décrit ci-dessus) de sorte que lors de l'inversion, le mélange réactionnel n'a pas assez de temps pour filtrer à partir de la partie de connexion précitée.
  6. Détacher le tube de SchlenkContenant le filtrat de l'appareil de filtrage ci-dessus et le sceller avec un bouchon graissé. Retirer le solvant dans le filtrat sous vide.
  7. Une fois que tout le solvant est enlevé, désexciter le tube de Schlenk et ajouter 5 ml d'éther diéthylique pour laver le produit complexe de NHC de palladium laissé derrière. Secouez doucement le tube pour effectuer le lavage. Une fois le lavage terminé, utilisez des serviettes en papier pour essuyer la graisse de la bouche du tube et décanter l'éther dans un bécher. Répétez cette étape de lavage quelques fois, en ajoutant 5 ml d'éther diéthylique et en le décantant à chaque fois.
  8. Après l'étape finale de lavage, sceller le tube Schlenk avec un bouchon graissé et sécher le produit complexe complexe NHC palladium avec un vide. Après séchage, utilisez des serviettes en papier pour nettoyer la graisse de la bouche du tube, puis collectez le produit pour une purification supplémentaire par recristallisation.
    Remarque: Le protocole peut être mis en pause ici et repris ultérieurement.
  9. Pour la recristallisation, trouvez unUn solvant approprié pour le complexe spécifique de NHC palladium (c'est-à-dire que le complexe ne se dissolve pas facilement à température ambiante, mais le fait lors du chauffage) et suit les mêmes étapes détaillées ci-dessus pour les sels (étapes 1.18 à 1.22). Ensuite, collectez le complexe purifié pour la caractérisation.
    Remarque: Le protocole peut être mis en pause ici et repris ultérieurement.
  10. Caractériser le complexe comme indiqué précédemment 18 .

3. Activité catalytique des complexes (5-8) dans les réactions d'arylation

  1. Effectuer toutes les réactions catalytiques sous l'air dans une hotte aspirante.
  2. Utiliser les réactifs achetés sans autre purification pour les réactions de formation de liaison carbone-carbone.
  3. Fixer un tube Schlenk de 25 ml en position verticale et ajouter une barre d'agitation, 2 mmol de 2- n- butylthiophène ou 2- n- butylfurane et 1 mmol du bromure d'aryle choisi.
    Attention: 2- n- butylfurane etLe 2- n- butylthiophène est à la fois toxique. Éviter le contact avec la peau et respirer leurs fumées.
  4. Ensuite, ajouter 1 mmol d'acétate de potassium, 0,01 mmole du complexe NHC palladium choisi et 2 ml de N , N- diméthylacétamide (DMA) dans le tube.
    Attention: le DMA est toxique. Éviter le contact avec la peau et respirer ses fumées.
  5. Sceller le tube avec un bouchon graissé et le placer dans un bain d'huile. Agiter le mélange réactionnel pendant diverses températures et à diverses températures pour trouver les conditions de temps et de température conduisant à un rendement maximal du produit pour la réaction donnée.
    Note: La progression de la réaction peut être suivie d'une Chromatographie en couche mince (TLC), mais en comparant seulement l'effet de différentes conditions de réaction sur le rendement (y compris le complexe NHC du palladium utilisé pour la catalyse), il n'est pas nécessaire de faire fonctionner la réaction à son terme. Dans ces cas, exécutez la réaction pendant un temps de temps constant inférieur au temps requisPour l'achèvement et la variation de la condition de réaction testée. Une fois que la réaction a duré la durée souhaitée, arrêtez-la en éliminant le solvant du mélange réactionnel comme décrit dans l'étape suivante.
    1. Pour suivre l'évolution de la réaction avec la TLC, comparer le mouvement du mélange réactionnel à travers une plaque à CCM avec celles des réactifs; Si le mélange produit toujours les taches pour les réactifs, cela signifie que la réaction n'est pas encore terminée. Pour obtenir un échantillon du mélange réactionnel après un temps donné, dévisser le tube Schlenk pendant que la réaction est toujours en cours d'exécution et utiliser un tube capillaire pour obtenir rapidement une goutte pour le test TLC. Pour faire fonctionner le mélange et les réactifs à travers la plaque à TLC, trouver un solvant approprié (phase mobile) pour le cas spécifique.
  6. Une fois que la réaction est terminée ou a couru pendant la durée souhaitée, éliminer le solvant dans le mélange réactionnel sous vide.
  7. Déposer le tube Schlenk et ajouter un hexane-éther diéthylique mIxture (10 mL: 2 mL). Ce mélange de solvants sera la phase mobile pour la Chromatographie éclair sur colonne aux étapes 3,8 et 3,9 ci-dessous. Secouez vigoureusement le mélange pour s'assurer que le produit se dissout dans la phase mobile et qu'il ne soit pas laissé derrière dans le tube.
    Attention: L'hexane est volatil et inflammable. Évitez de respirer ses fumées et de les éloigner des flammes nues ou des sources d'inflammation.
  8. Assembler une colonne de chromatographie éclair comme suit pour purifier le produit: utiliser un compte-gouttes en verre. Tout d'abord, insérez une petite baguette de coton dans le compte-gouttes et enfoncez-la jusqu'à ce qu'elle repose fermement juste là où la chambre de verre commence à se dilater. Ensuite, ajouter du gel de silice sur le coton, de sorte que les deux tiers de la partie épaisse du compte-gouttes soient remplis.
  9. Serrer la colonne de gel de silice verticalement et utiliser un compte-gouttes en verre pour transférer progressivement le mélange réactionnel. Eluir le mélange à travers la colonne et collecter l'éluant contenant le produit purifié dans un bécher ou un éprouvette propretube.
    Remarque: Le protocole peut être mis en pause ici et repris ultérieurement.
  10. Transférer l'éluant à un tube propre qui peut être attaché à l'aspirateur et sceller le tube avec un bouchon graissé. Retirer le solvant dans l'éluant avec un vide.
    Remarque: Le protocole peut être mis en pause ici et repris ultérieurement.
  11. Une fois que tout le solvant a été éliminé, désexciter le tube et ajouter 1,5 ml de dichlorométhane. Agiter doucement le tube pour dissoudre le produit et ainsi permettre son analyse avec GC ou GC / MS. Calculer le rendement en utilisant GC ou GC / MS 19 , 20 , 21 , 22 , 23 .
    Note: Le chloroforme peut être utilisé si le dichlorométhane n'est pas disponible. Consultez la FS du chloroforme avant de procéder à cette modification suggérée.

4. Activité catalytique de la coMplexes (5-8) dans les réactions de couplage croisé Suzuki-Miyaura

  1. Effectuer toutes les réactions catalytiques selon les protocoles précédemment signalés 18 , 24 .
  2. Serrer un tube Schlenk de 25 ml en position verticale et ajouter une barre d'agitation, 1,5 mmol d'acide phénylboronique ou le dérivé d'acide boronique choisi, 1 millimole du chlorure d'aryle choisi et 2 mmol de tert-butoxyde de sodium en tant que base.
    Attention: l' acide phénylboronique et ses dérivés sont irritants et peuvent être toxiques. Évitez le contact avec la peau. Consultez les fiches signalétiques pertinentes avant de procéder.
    Attention: les chlorures d'aryle sont nocifs et, en fonction du produit chimique spécifique, peuvent être toxiques et inflammables. Consultez les fiches signalétiques pertinentes avant de procéder.
    Attention: le tert-butylate de sodium est un solide inflammable. Il est très réactif avec l'eau et caustique lorsqu'il est en solution. Gardez-le loin des flammes nues ou des sources d'inflammation et évitez le contact avec la peau. <Br /> Remarque: L'hydroxyde de potassium, l'hydroxyde de sodium, le carbonate de potassium, le carbonate de sodium, l'acétate de potassium, l'acétate de sodium ou le tert-butoxyde de potassium peuvent être utilisés si le tert-butylate de sodium n'est pas disponible. Consultez les fiches signalétiques de ces bases avant de procéder à ces modifications suggérées.
  3. Ajouter 0,01 mmol du complexe NHC palladium choisi dans le tube.
  4. Ajouter un mélange DMF-eau (2 mL: 2 mL) dans le tube.
    Remarque: si nécessaire, utilisez un ratio plus élevé de DMF à l'eau ou utilisez le DMF seul.
  5. Sceller le tube avec un bouchon graissé et le placer dans un bain d'huile. Agiter le mélange réactionnel pendant diverses températures et à diverses températures pour trouver les conditions de temps et de température conduisant à un rendement maximal du produit pour la réaction donnée.
    Note: La progression de la réaction peut être suivie d'une TLC, mais seulement en comparant l'effet de différentes conditions de réaction sur le rendement (y compris le complexe NHC palladium utilisé pour le chatAnalysez), alors la réaction jusqu'à la fin n'est pas nécessaire. Dans ces cas, exécutez la réaction pendant un temps de temps constant inférieur au temps nécessaire à l'achèvement et modifiez l'état de réaction testé. Une fois que la réaction a duré la durée souhaitée, arrête-la et passe à l'étape suivante. Pour suivre l'évolution de la réaction avec TLC, veuillez consulter l'étape 3.5.1 pour plus de détails.
  6. Une fois la réaction terminée ou la durée souhaitée, laisser refroidir le mélange jusqu'à la température ambiante. Déposer le tube Schlenk et ajouter un mélange hexane-acétate d'éthyle (5 mL: 1 mL) au mélange réactionnel. Ré-sceller le tube et agiter vigoureusement le nouveau mélange pendant quelques minutes pour permettre la migration du produit synthétisé vers la phase hexane-acétate d'éthyle.
    Attention: l' acétate d'éthyle est volatil et inflammable et peut causer des lésions oculaires graves. Évitez de respirer ses fumées et de les éloigner des flammes nues ou des sources d'inflammation.
  7. Serrer le SchLe tube de lentille verticalement et laissez le mélange s'installer dans deux phases distinctes au cours de quelques minutes.
  8. Utilisez un compte-gouttes en verre pour extraire soigneusement la phase organique supérieure et la transférer dans un bêcher propre contenant 1 g de sulfate de magnésium anhydre. La poudre de sulfate de magnésium aidera à éliminer toute eau résiduelle de la phase organique extraite.
  9. Répétez les étapes 4.6 à 4.8 au moins une fois pour maximiser l'extraction du produit synthétisé.
  10. Suivez les étapes 3,8 et 3,9 pour purifier le produit avec une Chromatographie éclair sur colonne. Le mélange hexane-acétate d'éthyle présent dans la phase organique extraite servira de phase mobile pour cette étape de purification. Recueillir l'éluant contenant le produit purifié dans un bécher propre ou un tube à essai.
    Remarque: Le protocole peut être mis en pause ici et repris ultérieurement.
  11. Analyser le produit et calculer le rendement en utilisant GC ou GC / MS 19 , 20 ,21 , 22 , 23 .

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Representative Results

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Les sels de benzimidazolium ( 1 à 4 ) ( figure 1 ) ont été synthétisés dans du DMF anhydre en utilisant des N- alkylbenzimidazoles et divers halogénures d'alkyle, puis purifiés et caractérisés comme indiqué avant 18 , 24 . Ils étaient des matières solides blanches ou colorées et avaient des rendements allant de 62% à 97%. On a ensuite synthétisé les complexes NHC du palladium ( 5 à 8 ) ( Figure 2 ) à partir des sels, purifiés et caractérisés, également comme indiqué avant 18 , 24 . Ils étaient des matières solides jaunes ou colorées et avaient des rendements plus faibles que les sels, allant de 25% à 60%. Les quatre complexes de palladium ont été testés pour l'activité catalytique dans l'arylation et les réactions de couplage croisé Suzuki-Miyaura.

n- butylthiophène et la 4-bromoacétophénone (tableau 1, entrée 1) a été donnée à titre d'exemple pour mettre en évidence les résultats médiocres obtenus dans les réactions d'arylation en l'absence d'un catalyseur approprié; Cette réaction particulière n'a donné qu'un rendement de 1% après 1 heure à 110 ° C, en l'absence d'un complexe catalyseur. Pour la réaction du 2- n- butylfurane avec la 4-bromoacétophénone, les complexes 5-8 ont conduit à des rendements de 14, 49, 83 et 89% respectivement, après 1 h à 110 ° C (tableau 1, entrées 2-5). Les entrées 6-8 dans le tableau 1 montrent la réaction entre le 2- n- butylfurane et le bromobenzène en présence du complexe 7; Des rendements assez bons de 71, 84 et 98% ont été obtenus après 21 h à 80, 90 et 110 ° C, respectivement. Les 2 entrées restantes du tableau 1 (entrées 9 et 10) montrent la réaction du 2- n- butylthiophène avec du bromobèzeNe et 4-bromoanisole, respectivement. La première de ces réactions a été catalysée par le complexe 8, qui a permis de réaliser un rendement de 97% après 1 h à 110 ° C (tableau 1, entrée 9). La deuxième réaction a été catalysée par le complexe 5 pour donner un rendement de 79% après 1 h à 130 ° C (tableau 1, entrée 10).

L'effet catalytique des complexes sur les réactions étudiées de Suzuki-Miyaura entre les dérivés d'acide boronique et les chlorures d'aryle était variable (tableau 2). Ici, l'objectif était de comparer la performance des quatre complexes en catalyse de ces réactions, de sorte que pour chacune des réactions étudiées, les autres conditions de réaction étaient maintenues constantes: on a utilisé comme solvant 2 mL: 2 mL de DMF-eau , Le tert-butylate de sodium a été utilisé comme base, les réactions ont été conduites pendant 2 h et la température de réaction a été maintenue à 80 ° C. Dans ces conditions, les complexes 5-8 ont résulté respectivement en conversions de 67, 55, 77 et 25%, et des rendements de 56, 51,59 et 9% pour la réaction de l'acide 2,5-diméthoxyphénylboronique avec le 4-méthoxy-1-chlorobenzène (tableau 2, entrées 1 à 4). Pour la réaction de l'acide 4-tert-butylphénylboronique avec du 4-chlorotoluène dans ces conditions, les quatre complexes 5-8 se sont révélés être d'excellents catalyseurs, conduisant à des conversions de 99, 99, 98 et 100%, et des rendements de 92, 95 , 93 et ​​99,9%, respectivement (tableau 2, entrées 5-8). Enfin, pour la réaction de l'acide thianaphthène-2-boronique avec du 1-chloro-4-nitrobenzène dans ces conditions, les complexes 5-8 ont résulté respectivement en conversions de 5, 9, 55 et 30%, et des rendements de 3, 1, 35 et 14% (tableau 2, entrées 9-12).

Figure 1
Figure 1 : Synthèse des sels de benzimidazolium.
Schéma des réactions entre le 1-alkylbenzimidazole et divers halogénures d'alkyle pour former des sels de benzimidazolium <Forte> 1-4. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Synthèse des complexes de palladium NHC.
Schéma des réactions entre les sels de benzimidazolium 1-4 , le chlorure de palladium, le carbonate de potassium et la 3-chloropyridine pour former des complexes de NHC de palladium 5-8 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Tableau 1
Tableau 1: Réactions d'arylation catalysée - Résultat représentatifc'est.
Arylation de dérivés d'hétéroaryle avec divers bromures d'aryle en présence des complexes de NHC palladium synthétisés. Conditions de réaction: 2- n- butylthiophène ou 2- n- butylfurane (2 mmol), le bromure d'aryle (4-bromoacétophénone, bromobenzène ou 4-bromoanisole) (1 mmol), le complexe de NHC palladium ( 5-8 ) (0,01 mmol) Acétate de potassium (1 mmol), DMA (2 ml), 80-130 ° C, 1-21 h. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce tableau.

Tableau 2
Tableau 2: réactions Catalyzed Suzuki-Miyaura - résultats représentatifs.
Réactions de couplage croisé Suzuki-Miyaura de dérivés d'acide boronique avec des chlorures d'aryle en présence des complexes NHC palladium synthétisés. Conditions de réaction: boro(1,5 mmol), du chlorure d'aryle (1 mmol), du tert-butoxyde de sodium (2 mmol), du complexe de NHC palladium ( 5-8 ) (0,01 mmol), du DMF-eau (2 ml: 2 ml), 80 ° C, 2 h. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce tableau.

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Discussion

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Les protocoles pour la synthèse et la purification de quatre sels de benzimidazolium et par la suite leurs complexes de NHC palladium ont été présentés délibérément dans le plus grand détail pour aider les jeunes scientifiques ou les nouveaux à maîtriser. Compte tenu de ce même objectif, les protocoles pour tester l'activité catalytique des quatre complexes dans l'arylation et les réactions de Suzuki-Miyaura ont également été présentés dans le plus grand détail. En outre, nous avons tenté de présenter les protocoles de la manière la plus générale possible pour permettre à d'autres de les adapter facilement pour la synthèse, la purification et le test de l'activité catalytique de nombreux autres complexes NHC palladium.

Si nécessaire, les protocoles sont ouverts à certaines modifications. Des suggestions pour des modifications possibles ont été apportées dans la section Protocole aux étapes pertinentes. Certaines de ces suggestions portent sur l'omission de certaines étapes du protocole mises en évidence en option, alors que d'autres concernent exchaL'équipement ou les réactifs utilisés dans certaines étapes des protocoles. En ce qui concerne la modification des réactifs, il est possible, en principe, de remplacer certains des réactifs utilisés dans les protocoles par d'autres, mais nous avons limité nos suggestions à cet égard uniquement aux exemples que nous avons vérifiés expérimentalement ou par un sondage rapide De la littérature.

En ce qui concerne l'activité catalytique des complexes synthétisés, leur valeur pour la catalyse des réactions d'arylation peut être observée à travers les résultats représentatifs du tableau 1. Pour la catalyse de la réaction entre le 2- n- butylfurane et la 4-bromoacétophénone, le complexe 6 était un bon candidat Tandis que les complexes 7 et 8 se sont particulièrement bien comportés (tableau 1, entrées 2-5). Le complexe 7 était un excellent catalyseur pour la réaction entre le 2- n- butylfurane et le bromobenzène (tableau 1, annexes 6-8); L'effet positif de l'augmentation de la température sur le rendement pour cette réaction montre que si la réaction estCatalysée par un complexe approprié, modifier d'autres conditions de réaction telles que la température peut aider à maximiser le rendement. Pour la réaction du 2- n- butylthiophène avec du bromobenzène, le complexe 8 était un excellent catalyseur (tableau 1, entrée 9), tandis que pour la réaction entre le 2- n- butylthiophène et le 4-bromoanisole, le complexe 5 se comportait assez bien comme catalyseur ( Tableau 1, entrée 10). Dans l'ensemble, chacune des réactions d'arylation étudiées a été bien catalysée par au moins l'un des quatre complexes synthétisés. Un travail supplémentaire peut être fait pour augmenter potentiellement les valeurs de rendement de ces réactions en modifiant les conditions de réaction telles que le temps et la température.

Pour la catalyse des réactions de Suzuki-Miyaura entre les dérivés de l'acide boronique et les chlorures d'aryle, les complexes synthétisés ont montré une performance variable dans les conditions de réaction utilisées dans cette étude (tableau 2). Les complexes 5-7 se sont avérés être de bons candidats, alors que le complexe 8 n'a pas bien fonctionné pour la catalyse de laRéaction entre l'acide 2,5-diméthoxyphénylboronique et le 4-méthoxy-1-chlorobenzène (tableau 2, entrées 1 à 4). Les quatre complexes étaient d'excellents catalyseurs pour la réaction entre l'acide 4-tert-butylphénylboronique et le 4-chlorotoluène (tableau 2, entrées 5-8). Pour la réaction de l'acide thianaphthène-2-boronique avec le 1-chloro-4-nitrobenzène, les complexes 5 et 6 n'ont pas bien fonctionné en tant que catalyseurs, alors que les complexes 7 et 8 ont montré une certaine promesse (tableau 2, entrées 9 à 12). Dans l'ensemble, tout comme les résultats pour les réactions d'arylation, chacune des réactions Suzuki-Miyaura étudiées a été bien catalysée par au moins l'un des quatre complexes synthétisés. Pour les cas où le complexe choisi a bien performé pour catalyser la réaction donnée, des travaux supplémentaires peuvent être réalisés pour augmenter potentiellement la conversion et les valeurs de rendement en modifiant les conditions de réaction comme le temps, la température, la composition des solvants et la base utilisée.

En résumé, les quatre complexes NHC palladium peuvent être facilement synthétisés en suivant laDes protocoles détaillés ont donné et se sont avérés des candidats prometteurs pour la catalyse de nombreuses réactions de formation de liaison carbone-carbone.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Acknowledgments

Nous reconnaissons le soutien financier de la Faculté de pharmacie (Université de Sydney), du Fonds de recherche de l'Université Erciyes et de TUBITAK (1059B141400496). Nous remercions Tim Harland (The University of Sydney) d'avoir édité la vidéo.

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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Palladium<em&gt; N</em&gt; - Complexes de carbène hétérocyclique: synthèse des sels de benzimidazolium et activité catalytique dans les réactions de formation de liaison carbone-carbone
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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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