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

Detaljert og generalisert protokoll presenteres for syntesen og etterfølgende rensing av fire palladium- N- heterocykliske karbinkomplekser fra benzimidazoliumsalter. Kompleksene ble testet for katalytisk aktivitet i arylation og Suzuki-Miyaura-reaksjoner. For hver reaksjon som ble undersøkt, katalyserte minst ett av de fire kompleksene vellykket reaksjonen.

Abstract

Detaljert og generalisert protokoll presenteres for syntesen og etterfølgende rensing av fire palladium- N- heterocykliske karbinkomplekser fra benzimidazoliumsalter. Detaljert og generalisert protokoll er også presentert for testing av den katalytiske aktiviteten til slike komplekser i arylation og Suzuki-Miyaura kryss-koblingsreaksjoner. Representative resultater vises for den katalytiske aktiviteten til de fire kompleksene i arylasjon og Suzuki-Miyaura-type reaksjoner. For hver av de undersøkte reaksjonene katalyserte minst en av de fire kompleksene vellykket reaksjonen, kvalifiserer dem som lovende kandidater for katalysering av mange karbon-karbonbindingsdannende reaksjoner. Protokollene som presenteres er generelle nok til å være tilpasset syntesen, rensingen og katalytisk aktivitetstesting av nye palladium- N- heterocykliske karbinkomplekser.

Introduction

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

N- heterocykliske karbener (NHC) har tiltrukket seg mye oppmerksomhet, særlig for deres evne til å katalysere forskjellige viktige reaksjoner som metatesere, dannelse av furan, polymerisering, hydrosilylering, hydrogenering, arylation, Suzuki-Miyaura-kryss-kopling og Mizoroki-Heck-kryss-kopling 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 . NHCer kan kobles med metaller; Slike metall-NHC-komplekser har blitt omfattende brukt i overgangsmetallkatalyserte reaksjoner som tilknyttede ligander og organokatalysatorer 12 , 13 , 14 , 15 , 16 . Generelt er de ekstraordinært stabile mot luft, fuktighet og varme som følge av de høye dissocieringsenergier av metall-karbon-koordinasjonsbindinger 17 .

Her er protokollene for den tidligere viste syntesen og rensingen av fire benzimidazoliumsalter (forbindelser 1 - 4 ) og deres palladium NHC-komplekser (henholdsvis forbindelser 5 - 8 ) detaljerte 18 . Saltene og kompleksene ble tidligere karakterisert ved å anvende forskjellige teknikker 18 . Siden lignende forbindelser anvendes for katalysering av arylation og Suzuki-Miyaura-kryss-koblingsreaksjoner 9 , 10 , 11 , er protokollene for å teste den katalytiske aktiviteten til kompleksene i arylation og Suzuki-Miyaura-reaksjoner enLso detaljert. Viktig er at protokollene for syntetisering, rensing og testing av katalytisk aktivitet av kompleksene presenteres generelt nok til å tillate enkel 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

Forsiktig: Mange flyktige løsningsmidler brukes som en del av protokollene som er beskrevet nedenfor, så utfør alle eksperimenter i en arbeidsdeksel. Bruk egnet personlig verneutstyr gjennom hele konseptet, og ta kontakt med HMS-databladet for hvert reagens før bruk. Her har det blitt gitt kort informasjon om de farlige reagensene og trinnene.

1. Syntese og rensing av benzimidazoliumsalter (forbindelser 1-4)

  1. Klem et 100 ml Schlenk-rør oppreist og sett en omrøringsstang, 1 mmol benzimidazol, 1 mmol kaliumhydroksyd og 60 ml etylalkohol som oppløsningsmiddelet i den.
    Forsiktig: Kaliumhydroksid kan være skadelig. Unngå å puste støvet og hold det vekk fra vann.
    Forsiktig: Etylalkohol er flyktig og brannfarlig. Hold det vekk fra åpen ild eller antennekilder.
    Merk: Natriumhydroksid kan brukes hvis kaliumhydroksid ikke er tilgjengelig. Ta kontakt medE MSDS av natriumhydroksyd før du fortsetter med denne foreslåtte modifikasjonen.
  2. Plasser Schlenk-røret i et oljebad for jevn og sikker oppvarming av reaksjonsblandingen under omrøringstrinnene som kommer. Fest røret til en kondensator for å forhindre løsemiddeldampning under omrøring. Pass på at glassdelene er tilstrekkelig smurt og godt montert.
  3. Rør reaksjonsblandingen ved 25 ° C i 1 time for å muliggjøre fullstendig oppløsning av alle faste stoffene så vel som bryte av nitrogen-hydrogenbindingen i benzimidazolmolekyler.
    Merk: Bruk av kondensator for dette omrøringen er ikke nødvendig, men siden kondensatoren må brukes til tilbakeløp i trinn 1.5 nedenfor, kan det være hensiktsmessig å konfigurere kondensatoren ved dette trinnet og bruke det for begge trinn. Ellers kan dette trinnet utføres ved å forsegle Schlenk-røret med en smurt stopper.
  4. Etter 1 time løsner du Schlenk-røret fra kondensatoren og sakte tilsetter 1 mmol av den valgte aRylhalogenid til blandingen.
    Forsiktig: Arylhalogenider er irriterende og kan være skadelige. Rådfør deg med de relevante sikkerhetsdatabladene før du fortsetter.
  5. Fest Schlenk-røret til kondensatoren og reflux blandingen ved 78 ° C (nær etylalkoholens kokepunkt) i 6 timer for å la reaksjonen komme til fullførelse. La blandingen kjøle ned til 25 ° C etter at tilbakeløp er ferdig.
  6. Løsne Schlenk-røret fra kondensatoren og bruk litt papirhåndklær til å tørke fettet av rørets munn. Deretter filtreres reaksjonsblandingen ved hjelp av en trakt og filterpapir for å fjerne kaliumkloridutfellingen som dannet under reaksjonen. Samle filtratet i et beger.
  7. Overfør filtratet, som inneholder N- alkylbenzimidazolproduktet, til et rent Schlenk-rør. Tørr røret med en smurt stopper og fjern etylalkoholløsningsmidlet i filtratet med vakuum.
    Merk: For alle trinnene i protokollen involvererBruk vakuum med moderat styrke, samt liten og kontinuerlig risting av røret festet til vakuum.
  8. Når alt løsningsmidlet er fjernet, unseal Schlenk-røret og tilsett 5 ml dietyleter for å vaske N- alkylbenzimidazol-produktet igjen. Rist forsiktig røret for å vaske.
    1. Etter at vasken er ferdig, bruk noen papirhåndklær til å tørke fettet av rørets munn og dekantere eteren i et beger. Gjenta dette vaskepunktet noen ganger, tilsett 5 ml dietyleter og dekanter det hver gang.
      Forsiktig: Dietyleter er flyktig og brannfarlig. Hold det vekk fra åpen ild eller antennekilder.
      Merk: For alle vaske trinnene i protokollen, kan et annet løsemiddel brukes hvis det: 1) ikke reagerer med stoffet vaskes, 2) oppløses ikke stoffet vaskes, og 3) fordampes lett.
  9. Etter sluttvasken, tett Schlenk-røret med enSmurt stopper og tørk det vasket N- alkylbenzimidazolproduktet med vakuum. Etter tørking, bruk noen papirhåndklær til å tørke fettet av rørets munn og deretter overføre produktet til et lite hetteglass for bruk i neste reaksjon.
    Merk: Protokollen kan pause her og gjenopptas på et senere tidspunkt.
  10. Klem et rent Schlenk-rør oppreist og fjern luften inne i det ved å rense det med argongass. Innfør gassen fra rørets sidearm og hold rørets munn forseglet under denne prosessen. Argon er tyngre enn luft, så det vil utløse luften ved å fylle røret fra bunnen opp. Fortsett å rense røret med argon mens du tilsetter reagensene i neste trinn.
  11. Tilsett langsomt en omrøringsstang, 1 mmol N- alkylbenzimidazol, 1 mmol av det valgte alkylhalogenid og 4 ml vannfritt N , N- dimetylformamid (DMF) som oppløsningsmiddel til Schlenk-røret. Når alle reagensene er tilsatt, lukk forsiktig rørets munnMed en smurt stopper, forsegl deretter sidearmen ved å dreie stoppeklokken og slå av argongassen.
    Forsiktig: Alkylhalogenider er irriterende og kan være skadelige. Rådfør deg med det aktuelle sikkerhetsdatabladet før du fortsetter.
    Forsiktig: DMF er brannfarlig. Hold det vekk fra åpen ild eller antennekilder.
  12. Plasser det forseglede Schlenk-røret i et oljebad og rør reaksjonsblandingen ved 80 ° C i 24 timer for å la reaksjonen nå fullførelse.
    Merk: Denne reaksjonen må utføres i en inert atmosfære, slik at ovennevnte rensingstrinn som involverer argon, må følges nøye.
  13. Etter 24 timer fjerner du en del av DMF-løsningsmidlet i blandingen med vakuum; Ca 1-2 minutter med støvsuging skal være tilstrekkelig.
    Merk: Fjern alt DMF-løsningsmiddelet fra den fettlignende blandingen, hvis dette er ønskelig, men dette er ikke nødvendig.
  14. Unseal Schlenk-røret og tilsett 15 ml dietyleter. Rør miXtyre til benzimidazoliumsaltproduktet utfelles ut.
    Merk: Petroleumseter kan brukes dersom dietyleter ikke er tilgjengelig. Rådfør deg med MSDS for petroleumeter før du fortsetter med denne foreslåtte modifikasjonen.
  15. Etter utfelling skjer, fjern dietyleteren ved hjelp av en egnet filtreringsmetode.
    MERK: Vi har brukt et spesielt glassrør med en sidearm, et internt filter og to åpne ender som Schlenk-rør kan festes til; Siden sidearmen på dette røret og de på Schlenk-rørene kan festes til vakuum, gir dette filtreringsrøret enorm mulighet for: 1) filtrering etter utfellingstrinnet, samt vaskingstrinnene som kommer, og 2) tørking etter vaskingen trinn.
    1. Hvis du bruker noe lignende, fest det fylte Schlenk-røret til den ene enden av filtreringsrøret og et tomt Schlenk-rør til den andre enden. Fest deretter det tomme Schlenk-røret til vakuum, og forsiktig og gradvis omvendt apparatet slik atDietyleteren passerer gjennom filteret til dette tomme Schlenk-rør. Hvis imidlertid et slikt rør ikke kan bli funnet, bruk andre metoder som filtrering med en trakt og filterpapir.
  16. Vask saltproduktet med 15 ml dietyleter og fjern dietyleteren ved hjelp av samme filtreringsmetode som benyttes i trinn 1.15. Gjenta dette vaske-trinnet noen ganger, ved å bruke 15 ml dietyleter og filtrer det hver gang.
  17. Etter det endelige vaske-trinnet tørk det vasket saltproduktet (tørk det inne i filterrøret med vakuum) og oppsaml det deretter for ytterligere rensing gjennom omkrystallisering.
    Merk: Protokollen kan pause her og gjenopptas på et senere tidspunkt.
  18. Tilsett saltet og en etylalkohol-dietyleterblanding (12 ml: 4 ml) til et rent Schlenk-rør. Varm blandingen med en varmepistol til saltet oppløses helt.
  19. Etterpå, forsegl røret med en smurt stopper og klem den i en nesten horisontal stilling. La tHan salt til omkrystallisering ved romtemperatur.
  20. Når saltet er omkrystallisert, bruk noen papirhåndklær til å tørke fettet av røret i munnen, og filtrer deretter blandingen med en trakt og filterpapir for å skille saltkrystallene.
  21. Vask saltkrystallene, mens de fortsatt er på filterpapiret i trakten, med 15 ml dietyleter. Gjenta dette vaske trinnet noen ganger.
  22. Etter det endelige vasketrinnet, la krystallene tørke i luft på filterpapiret. Samle det rensede saltet for karakterisering og syntese av palladium NHC-komplekset.
    Merk: Protokollen kan pause her og gjenopptas på et senere tidspunkt.
  23. Karakteriser saltet som tidligere rapportert 18 .

2. Syntese og rensing av palladium NHC-komplekser (forbindelser 5-8)

  1. Klem et 75 ml Schlenk-rør oppreist og tilsett en omrørerbar, 1 mmol av det valgte benzimidazoliumsaltet, 1 mmol pallAdiumklorid, 5 mmol kaliumkarbonat som base og 3 ml 3-klorpyridin i den.
    Forsiktig: Palladiumklorid er giftig og kan være irriterende.
    Forsiktig: Kaliumkarbonat kan være skadelig. Unngå å puste støvet og hold det vekk fra vann.
    Forsiktig: 3-klorpyridin er ekstremt skadelig. Det er giftig og etsende. Unngå hudkontakt og pust av røykene.
  2. Tørr røret med en smurt stopper og legg den inn i et oljebad. Rør reaksjonsblandingen ved 80 ° C i 16 timer for å tillate syntese av palladium NHC-komplekset å fullføre.
  3. Etter 16 timer, la blandingen avkjøles til romtemperatur og unseal røret. Tilsett 10 ml diklormetan til blandingen for å forbedre effektiviteten til filtreringen beskrevet i trinnene 2.4 og 2.5 nedenfor; Dette er valgfritt og kan hoppes over hvis ønskelig.
    Forsiktig: Diklormetan er giftig, en irriterende aOg et mistenkt kreftfremkallende middel. Unngå hudkontakt og pust av røykene.
  4. Monter følgende filtreringsapparat for å fjerne uomsatt palladiumklorid og benzimidazoliumsalt fra reaksjonsblandingen: Bruk et glassfilterrør uten trykk.
    1. Først legger du til fire spatler i filteret (f.eks. Celite) i røret for å lage et filtermiddellag over filteret som befinner seg midt i røret. Deretter tilsettes fire spatler av silikagel over filtermiddellaget. Til slutt klemmer du en liten bomullsvann over silikagelaget slik at filtermidlet og silikagelene festes på plass mellom filteret og bomullsvatten.
  5. Filtrer reaksjonsblandingen gjennom puten av filtermiddel og silikagel som følger: Fest Schlenk-røret som inneholder reaksjonsblandingen til glassfiltreringsrøret slik at Schlenk-røret vender mot enden av filtreringsrøret med bomullsvatten. Fest deretter et tomt Schlenk-rør til den andre enden avFiltreringsrør.
    1. Koble det tomme Schlenk-røret til vakuum, og forsiktig og gradvis inverter apparatet slik at reaksjonsblandingen blir filtrert gjennom (i rekkefølge) bomull, silika, filtermiddel og filterlag. Det uomsatte palladiumklorid- og benzimidazoliumsaltet vil bli beholdt i lagene mens filtratet som inneholder palladium NHC-komplekset kommer inn i det tomme Schlenk-rør.
      Merk: Hvis diklormetan blir tilsatt til reaksjonsblandingen (trinn 2.3), kan det medføre noe trykk inne i filtreringsrøret, og dette kan føre til at væske siver ut fra forbindelsesdelen mellom det fylte Schlenk-røret og filtreringsrøret ved inversjon. For å forhindre dette er det viktig å koble det tomme Schlenk-rør til vakuum før inversjon av apparatet (som beskrevet ovenfor) slik at reaksjonsblandingen ved inversjon ikke har nok tid til å sive ut fra den ovennevnte forbindelsesdel.
  6. Løsne Schlenk-røretInneholder filtratet fra filterapparatet ovenfor og forsegler det med en smurt stopper. Fjern løsningsmidlet i filtratet med vakuum.
  7. Når alt løsningsmidlet er fjernet, unseler Schlenk-røret og tilsett 5 ml dietyleter for å vaske palladium NHC-kompleksproduktet igjen. Rist forsiktig røret for å vaske. Etter at vasken er ferdig, bruk noen papirhåndklær til å tørke fettet av rørets munn og dekantere eteren i et beger. Gjenta dette vaskepunktet noen ganger, tilsett 5 ml dietyleter og dekanter det hver gang.
  8. Etter det endelige vaske-trinnet, tett Schlenk-røret med en smurt stopper og tørk det vaskede palladium NHC-kompleksproduktet med vakuum. Etter tørking, bruk noen papirhåndklær til å tørke fettet av rørets munn og deretter samle produktet for ytterligere rensing gjennom omkrystallisering.
    Merk: Protokollen kan pause her og gjenopptas på et senere tidspunkt.
  9. For omkrystallisering, finn enEgnet oppløsningsmiddel for det spesifikke palladium NHC-komplekset (dvs. det at komplekset ikke lett oppløses ved romtemperatur, men gjør det ved oppvarming) og følger de samme trinnene som er beskrevet ovenfor for saltene (trinnene 1.18 til 1.22). Etterpå samle det rensede komplekset for karakterisering.
    Merk: Protokollen kan pause her og gjenopptas på et senere tidspunkt.
  10. Karakteriser komplekset som tidligere rapportert 18 .

3. Katalytisk aktivitet av kompleksene (5-8) i arylasjonsreaksjoner

  1. Utfør alle katalytiske reaksjoner under luft i en avtrekksdeksel.
  2. Bruk de kjøpte reagensene uten ytterligere rensing for karbon-karbon-bindingsdannende reaksjoner.
  3. Klem et 25 ml Schlenk-rør oppreist og tilsett en omrøringsstang, 2 mmol 2- n- butyltiofen eller 2- n- butylfuran og 1 mmol av det valgte arylbromidet i den.
    Forsiktig: 2- n- butylfuran og2- n- butyltiofen er begge akutt giftige. Unngå hudkontakt og pust av røykene.
  4. Deretter tilsettes 1 mmol kaliumacetat, 0,01 mmol av det valgte palladium NHC-komplekset og 2 ml N , N- dimetylacetamid (DMA) i røret.
    Forsiktig: DMA er giftig. Unngå hudkontakt og pust av røykene.
  5. Tørr røret med en smurt stopper og legg den inn i et oljebad. Rør reaksjonsblandingen til forskjellige tider og ved forskjellige temperaturer for å finne tid og temperaturforhold som fører til maksimal produktutbytte for den gitte reaksjon.
    Merk: Reaksjonens fremgang kan følges av tynnlagskromatografi (TLC), men hvis bare sammenligning av effekten av forskjellige reaksjonsbetingelser for utbytte (inkludert palladium NHC-komplekset som anvendes for katalyse), er det ikke nødvendig å løpe reaksjonen til fullførelse. I disse tilfellene, kjør reaksjonen i en konstant tid mindre enn tiden som krevesFor ferdigstillelse og variere reaksjonstilstanden som er testet. Når reaksjonen har gått etter den ønskede tiden, stopper du det ved å fjerne løsningsmidlet fra reaksjonsblandingen som beskrevet i neste trinn.
    1. For å følge fremdriften av reaksjonen med TLC, sammenligne bevegelsen av reaksjonsblandingen gjennom en TLC plate med de av reaktantene; Hvis blandingen fremdeles produserer flekkene til reaktantene, betyr det at reaksjonen ikke har gått til slutt ennå. For å få et utvalg av reaksjonsblandingen etter en gitt tid, unseal Schlenk-røret mens reaksjonen fortsatt kjører og bruk et kapillærrør for raskt å oppnå en dråpe for TLC-testen. For å lede blandingen og reaktantene gjennom TLC-platen, finn et passende løsningsmiddel (mobil fase) for det spesielle tilfellet.
  6. Når reaksjonen er fullført eller har gått i ønsket tid, fjern løsningsmidlet i reaksjonsblandingen med vakuum.
  7. Unseal Schlenk-røret og tilsett en heksan-dietyleter mIxtur (10 ml: 2 ml) inn i den. Denne løsningsmiddelblandingen vil være mobilfasen for flash kolonnekromatografi i trinn 3,8 og 3,9 nedenfor. Rist blandingen kraftig for å sikre at produktet løses i mobilfasen og ikke etterlates i røret.
    Forsiktig: Hexane er flyktig og brannfarlig. Unngå å puste røykene og hold den unna åpen ild eller antennekilder.
  8. Monter en flashkromatografikolonne som følger for å rense produktet: Bruk et glassdråper. Først legger du inn en liten bomullstråd i droppen og skyver den inn til den hviler fast akkurat der glasskammeret begynner å tynne ut. Legg deretter silikagel på toppen av bomullsvatten slik at to tredjedeler av droppens tykke del er fylt.
  9. Klem silikagelkolonnen oppreist og bruk en glassdråper for gradvis å overføre reaksjonsblandingen inn i den. Bland blandingen gjennom kolonnen og oppsaml eluenten som inneholder det rensede produktet i et rent beger eller en prøverør.
    Merk: Protokollen kan pause her og gjenopptas på et senere tidspunkt.
  10. Overfør eluenten til et rent rør som kan festes til vakuum og forsegle røret med en smurt stopper. Fjern løsningsmidlet i eluenten med vakuum.
    Merk: Protokollen kan pause her og gjenopptas på et senere tidspunkt.
  11. Når alt løsningsmidlet er fjernet, unseal røret og tilsett 1,5 ml diklormetan. Rist forsiktig røret for å oppløse produktet og derved tillate dets analyse med GC eller GC / MS. Beregn utbyttet ved bruk av GC eller GC / MS 19 , 20 , 21 , 22 , 23 .
    Merk: Kloroform kan brukes dersom diklormetan ikke er tilgjengelig. Rådfør deg med HMS-databladet for kloroform før du fortsetter med denne foreslåtte modifikasjonen.

4. Katalytisk aktivitet av koMplexer (5-8) i Suzuki-Miyaura kryss-koblingsreaksjoner

  1. Utfør alle katalytiske reaksjoner i henhold til de tidligere rapporterte protokollene 18 , 24 .
  2. Klem et 25 mL Schlenk-rør oppreist og tilsett en omrøringsstang, 1,5 mmol fenylboronsyre eller det valgte borsyrederivatet, 1 mmol av det valgte arylklorid og 2 mmol natrium tert-butoksid som en base i den.
    Forsiktig: Fenylboronsyre og dets derivater er irriterende og kan være giftige. Unngå hudkontakt. Rådfør deg med de relevante sikkerhetsdatabladene før du fortsetter.
    Forsiktig: Arylklorider er skadelige og kan, avhengig av spesifikk kjemikalie, være giftig og brannfarlig. Rådfør deg med de relevante sikkerhetsdatabladene før du fortsetter.
    Forsiktig: Natrium tert-butoksyd er et brennbart fast stoff. Det er svært reaktivt med vann og kaustisk når det er i løsningen. Hold det vekk fra åpen ild eller antennekilder og unngå hudkontakt. <Merk: Kaliumhydroksyd, natriumhydroksyd, kaliumkarbonat, natriumkarbonat, kaliumacetat, natriumacetat eller kalium tert-butoksid kan brukes hvis natrium tert-butoksid ikke er tilgjengelig. Rådfør deg med sikkerhetsdatabladene for disse basene før du fortsetter med disse foreslåtte endringene.
  3. Tilsett 0,01 mmol av det valgte palladium NHC-komplekset til røret.
  4. Tilsett en DMF-vannblanding (2 mL: 2 mL) i røret.
    Merk: Hvis nødvendig, bruk et høyere forhold til DMF til vann eller bruk DMF alene.
  5. Tørr røret med en smurt stopper og legg den inn i et oljebad. Rør reaksjonsblandingen til forskjellige tider og ved forskjellige temperaturer for å finne tid og temperaturforhold som fører til maksimal produktutbytte for den gitte reaksjon.
    Merk: Reaksjonens fremgang kan følges av TLC, men hvis bare sammenligning av effekten av forskjellige reaksjonsbetingelser på utbytte (inkludert palladium NHC-komplekset som brukes til kattAlysis), så kjører reaksjonen til ferdigstillelse ikke nødvendig. I disse tilfellene, kjør reaksjonen i en konstant mengde tid mindre enn tiden som er nødvendig for å fullføre og variere reaksjonsbetingelsen som er testet. Når reaksjonen har løpt for ønsket tid, stopper du det og fortsetter til neste trinn. For å følge fremdriften av reaksjonen med TLC, se trinn 3.5.1 for noen detaljer.
  6. Når reaksjonen er fullført eller har gått i ønsket mengde tid, la blandingen avkjøles til romtemperatur. Unseal Schlenk-røret og tilsett en heksan-etylacetatblanding (5 ml: 1 ml) til reaksjonsblandingen. Tørr røret forsiktig og rist den nye blandingen kraftig i noen minutter for å tillate migrering av det syntetiserte produktet til heksan-etylacetatfasen.
    Forsiktig: Etylacetat er flyktig og brannfarlig og kan forårsake alvorlig øyeskader. Unngå å puste røykene og hold den unna åpen ild eller antennekilder.
  7. Klem SchLenkrøret oppreist og la blandingen sette seg i to forskjellige faser i løpet av noen få minutter.
  8. Bruk en glassdråper for å forsiktig trekke ut den øverste organiske fasen og overføre den til et rent beger som inneholder 1 g vannfritt magnesiumsulfat. Magnesiumsulfatpulveret vil bidra til å fjerne eventuelt resterende vann fra den ekstraherte organiske fasen.
  9. Gjenta trinn 4.6 til 4.8 minst én gang for å maksimere ekstraksjon av det syntetiserte produktet.
  10. Følg trinnene 3.8 og 3.9 for å rense produktet med flash kolonnekromatografi. Heksan-etylacetatblandingen som er tilstede i den ekstraherte organiske fase, vil fungere som den mobile fase for dette rensingstrinn. Samle elueringsmiddelet som inneholder det rensede produktet i et rent beger eller reagensrør.
    Merk: Protokollen kan pause her og gjenopptas på et senere tidspunkt.
  11. Analyser produktet og beregne utbyttet ved bruk av 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

Benzimidazoliumsalter ( 1 - 4 ) ( Figur 1 ) ble syntetisert i vannfri DMF under anvendelse av N- alkylbenzimidazoler og forskjellige alkylhalogenider, deretter renset og karakterisert som rapportert før 18 , 24 . De var hvite eller kremfarvede faste stoffer og hadde utbytter i området fra 62% til 97%. Palladium-NHC-komplekser (5 - 8) (figur 2) ble deretter syntetisert fra saltene, renset og karakterisert, også som rapportert før 18, 24. De var gule eller kremfargede faste stoffer og hadde lavere utbytter enn saltene, som varierte fra 25% til 60%. De fire palladiumkompleksene ble testet for katalytisk aktivitet i arylation og Suzuki-Miyaura kryss-koplingsreaksjoner.

n- butyltiofen og 4-bromacetofenon (Tabell 1, oppføring 1) ble gitt som et eksempel for å fremheve de dårlige resultater oppnådd i arylreaksjoner i fravær av en passende katalysator; Denne spesielle reaksjon ga bare 1% utbytte etter 1 time ved 110 ° C, i fravær av et katalyserende kompleks. For reaksjonen av 2- n- butylfuran med 4-bromacetofenon førte kompleksene 5-8 til utbytter på henholdsvis 14, 49, 83 og 89% etter 1 time ved 110 ° C (tabell 1, oppføringer 2-5). Oppføringene 6-8 i tabell 1 viser reaksjonen mellom 2- n- butylfuran og brombenzen i nærvær av kompleks 7; Ganske gode utbytter på 71, 84 og 98% ble oppnådd etter 21 timer ved henholdsvis 80, 90 og 110 ° C. De resterende 2 oppføringene i tabell 1 (oppføringer 9 og 10) viser reaksjonen av 2- n- butyltiofen med brombensyreNe og 4-bromanisol, henholdsvis. Den første av disse reaksjonene ble katalysert av kompleks 8, hvilket ga et utbytte på 97% som skulle oppnås etter 1 time ved 110 ° C (tabell 1, oppføring 9). Den andre reaksjon ble katalysert av kompleks 5 for å gi et utbytte på 79% etter 1 time ved 130 ° C (tabell 1, oppføring 10).

Den katalytiske effekten av kompleksene på de studerte Suzuki-Miyaura-reaksjonene mellom borsyrederivater og arylklorider var variabel (tabell 2). Her var målet å sammenligne ytelsen av de fire kompleksene i katalyse av disse reaksjonene, så for hver av de reaksjoner som ble studert, ble de andre reaksjonsbetingelsene holdt konstant: en 2 ml: 2 ml DMF-vannblanding ble anvendt som løsningsmiddel , Natrium tert-butoksid ble brukt som base, reaksjonene ble kjørt i 2 timer og reaksjonstemperaturen ble holdt ved 80 ° C. Under disse forhold resulterte kompleksene 5-8 i konverteringer på 67, 55, 77 og 25% og utbytter på 56, 51,59 og 9% for reaksjonen av 2,5-dimetoksyfenylboronsyre med 4-metoksy-l-klorbenzen (tabell 2, oppføringer 1-4). For reaksjonen av 4-tert-butylfenylboronsyre med 4-klortoluen under disse betingelser viste alle fire kompleksene 5-8 seg å være gode katalysatorer, hvilket resulterte i omdannelser på 99, 99, 98 og 100% og utbytter på 92, 95 , 93 og 99,9%, henholdsvis (Tabell 2, oppføringer 5-8). Til slutt resulterte kompleksene 5-8 for omsetningen av tianaften-2-borsyre med 1-klor-4-nitrobenzen under disse forholdene i omdannelser av 5, 9, 55 og 30%, og utbytter på 3, 1, 35 og 14% (tabell 2, oppføringer 9-12).

Figur 1
Figur 1 : Syntese av benzimidazoliumsalter.
Skjematisk av reaksjonene mellom 1-alkylbenzimidazol og forskjellige alkylhalogenider for å danne benzimidazoliumsalter <Sterk> 1-4. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2
Figur 2 : Syntese av palladium NHC-kompleksene.
Skjematisk av reaksjonene mellom benzimidazoliumsalter 1-4 , palladiumklorid, kaliumkarbonat og 3-klorpyridin for å danne palladium NHC-komplekser 5-8 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tabell 1
Tabell 1: Katalyserte arylasjonsreaksjoner - representativ resuDet er.
Arylation av heteroarylderivater med forskjellige arylbromider i nærvær av de syntetiserte palladium-NHC-kompleksene. Reaksjonsbetingelser: 2- n- butyltiofen eller 2- n- butylfuran (2 mmol), arylbromid (4-bromacetofenon, 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. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne tabellen.

Tabell 2
Tabell 2: Katalyserte Suzuki-Miyaura-reaksjoner - Representative resultater.
Suzuki-Miyaura kryss-koblingsreaksjoner av borsyrederivater med arylklorider i nærvær av de syntetiserte palladium NHC-kompleksene. Reaksjonsbetingelser: boroN-syre-derivat (1,5 mmol), arylklorid (1 mmol), natrium tert-butoksid (2 mmol), palladium NHC-kompleks ( 5-8 ) (0,01 mmol), DMF-vann (2 ml: 2 ml), 80 ° C, 2 timer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne tabellen.

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

Protokollene for syntese og rensing av fire benzimidazoliumsalter og deretter deres palladium NHC-komplekser ble bevisst presentert i ytterste detalj for å hjelpe unge forskere eller de nye til feltet å mestere dem. Med samme mål i tankene ble protokollene for testing av katalytisk aktivitet av de fire kompleksene i arylation og Suzuki-Miyaura-reaksjoner også presentert i ytterste detalj. Videre har vi forsøkt å presentere protokollene så generelt som mulig, slik at andre lett kan tilpasse dem til syntese, rensing og testing av den katalytiske aktiviteten til mange andre / nye palladium NHC-komplekser.

Om nødvendig er protokollene åpne for noen modifikasjoner. Forslag til mulige modifikasjoner er gitt i protokolldelen i de relevante trinnene. Noen av disse forslagene handler om utelatelse av visse protokollsteg fremhevet som valgfritt, mens andre handler om exchaNging utstyret eller reagensene som brukes i visse trinn av protokollene. Med hensyn til modifisering av reagensene er det i prinsippet mulig å erstatte noen av reagensene som brukes i protokollene med andre, men vi har begrenset våre forslag i denne forbindelse til bare de eksemplene som vi har verifisert eksperimentelt eller ved kortvarig oppmåling Av litteraturen.

Når det gjelder den katalytiske aktivitet av de syntetiserte kompleksene, kan deres verdi for katalysasjonen av arylasjonsreaksjoner ses gjennom de representative resultatene i tabell 1. For katalysering av reaksjonen mellom 2- n- butylfuran og 4-bromacetofenon var kompleks 6 en god kandidat Mens kompleksene 7 og 8 virket spesielt godt (Tabell 1, oppføringer 2-5). Kompleks 7 var en utmerket katalysator for reaksjonen mellom 2- n- butylfuran og brombenzen (tabell 1, oppføringer 6-8); Den positive effekten av økt temperatur på utbytte for denne reaksjonen viser at hvis reaksjonen erKatalysert av et passende kompleks, modifisere andre reaksjonsbetingelser som temperatur kan bidra til å maksimere utbyttet. For reaksjonen av 2- n- butyltiofen med bromobensen, var kompleks 8 en utmerket katalysator (tabell 1, oppføring 9), mens for reaksjonen mellom 2- n- butyltiofen og 4-bromanisol, utførte kompleks 5 ganske godt som en katalysator ( Tabell 1, oppføring 10). Samlet sett ble hver av de studerte arylasjonsreaksjonene katalysert godt av minst ett av de fire kompleksene som ble syntetisert. Ytterligere arbeid kan utføres for å potensielt øke utbyttverdiene for disse reaksjonene ved å modifisere reaksjonsbetingelser som tid og temperatur.

For katalysering av Suzuki-Miyaura-reaksjonene mellom borsyrederivater og arylklorider viste de syntetiserte kompleksene variabel ytelse under reaksjonsbetingelsene anvendt i denne studien (tabell 2). Kompleksene 5-7 viste seg å være gode kandidater, mens komplekse 8 ikke fungerte bra for katalyse avReaksjon mellom 2,5-dimetoksyfenylboronsyre og 4-metoksy-l-klorbenzen (tabell 2, oppføringer 1-4). Alle fire kompleksene var gode katalysatorer for reaksjonen mellom 4-tert-butylfenylboronsyre og 4-klortoluen (tabell 2, oppføringer 5-8). For reaksjonen av tianaften-2-boronsyre med 1-klor-4-nitrobenzen fungerte kompleksene 5 og 6 ikke godt som katalysatorer, mens kompleksene 7 og 8 viste noe løfte (tabell 2, inngang 9-12). Samlet sett, i likhet med resultatene for arylasjonsreaksjonene, ble hver av de studerte Suzuki-Miyaura-reaksjonene katalysert godt av minst ett av de fire kompleksene som ble syntetisert. For de tilfellene der det valgte komplekset fungerte bra ved katalysering av den gitte reaksjon, kan ytterligere arbeid gjøres for å potensielt øke omdannelses- og utbytteværdier ved forskjellige reaksjonsbetingelser som tid, temperatur, oppløsningsmiddelblanding og basen som anvendes.

Sammendrag kan de fire palladium NHC-kompleksene enkelt syntetiseres ved å følgeDetaljerte protokoller gitt og vist seg å være lovende kandidater for katalysering av mange karbon-karbon-bindingsdannende reaksjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi anerkjenner den økonomiske støtten ved ph.d.-fakultetet (University of Sydney), Erciyes University Research Fund og TUBITAK (1059B141400496). Vi takker Tim Harland (The University of Sydney) for å 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; -Heterocykliske karbenkomplekser: Syntese fra benzimidazoliumsalter og katalytisk aktivitet i karbon-karbon-bindingsdannende reaksjoner
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