Summary
Detaljerade och generaliserade protokoll presenteras för syntesen och efterföljande rening av fyra palladium- N- heterocykliska karbinkomplex från bensimidazoliumsalter. Komplexen testades för katalytisk aktivitet vid arylation och Suzuki-Miyaura-reaktioner. För varje analyserad reaktion katalyserade åtminstone ett av de fyra komplexen reaktionen framgångsrikt.
Abstract
Detaljerade och generaliserade protokoll presenteras för syntesen och efterföljande rening av fyra palladium- N- heterocykliska karbinkomplex från bensimidazoliumsalter. Detaljerade och generaliserade protokoll presenteras också för testning av den katalytiska aktiviteten hos sådana komplex i arylation och Suzuki-Miyaura-korskopplingsreaktioner. Representativa resultat visas för den katalytiska aktiviteten hos de fyra komplexen i arylation och Suzuki-Miyaura-typreaktioner. För var och en av de undersökta reaktionerna katalyserade åtminstone ett av de fyra komplexen reaktionen framgångsrikt och kvalificerade dem som lovande kandidater för katalys av många kol-kolbindningsbildande reaktioner. De presenterade protokollen är generella nog att anpassas för syntes, rening och katalytisk aktivitetstestning av nya palladium- N- heterocykliska karbinkomplex.
Introduction
N- heterocykliska karbener (NHC) har väckt stor uppmärksamhet, särskilt för deras förmåga att katalysera olika viktiga reaktioner, såsom metates, skapande av furan, polymerisation, hydrosilylering, hydrogenering, arylation, Suzuki-Miyaura-cross-koppling och Mizoroki-Heck-cross-koppling 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 . NHC kan kopplas med metaller; Sådana metall-NHC-komplex har i stor utsträckning använts i övergångsmetallkatalyserade reaktioner som tillhörande ligander och organokatalysatorer 12 , 13 , 14 , 15 , 16 . I allmänhet är de utomordentligt stabila mot luft, fukt och värme som en konsekvens av de höga dissocieringsenergierna av metall-kol-koordinationsbindningar 17 .
Här, protokollen för den tidigare visade syntes och rening av fyra benzimidazolium alter (föreningar 1 - 4) och deras palladium NHC komplex (föreningar 5 - 8, respektive) är detaljerade 18. Salterna och komplexen karakteriserades tidigare med användning av olika tekniker 18 . Eftersom liknande föreningar används för katalysering av arylation och Suzuki-Miyaura-tvärkopplingsreaktioner 9 , 10 , 11 är protokollen för att testa den katalytiska aktiviteten hos komplexen i arylation och Suzuki-Miyaura-reaktioner enLso detaljerad. Viktigt är att protokollen för att syntetisera, rena och testa komplexets katalytiska aktivitet presenteras generellt nog för att möjliggöra enkel anpassning till nya palladium NHC-komplex.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Varning: Många flyktiga lösningsmedel används som en del av de protokoll som beskrivs nedan, så utför alla experiment i en arbetsfläkt. Använd lämplig personlig skyddsutrustning överallt och konsultera MSDS för varje reagens före användning. Häri har kort information lämnats om de farliga reagenserna och stegen.
1. Syntes och rening av bensimidazoliumsalter (föreningar 1-4)
- Kläm ett 100 ml Schlenk-rör upprätt och sätt en omrörare, 1 mmol bensimidazol, 1 mmol kaliumhydroxid och 60 ml etylalkohol som lösningsmedel in i den.
Varning: Kaliumhydroxid kan vara skadlig. Undvik andning av damm och förvara det från vatten.
Varning: Etylalkohol är flyktigt och brandfarligt. Håll det borta från öppen eld eller antändningskällor.
Obs! Natriumhydroxid kan användas om kaliumhydroxid inte är tillgängligt. Kontakta ThE MSDS av natriumhydroxid innan man fortsätter med denna föreslagna modifiering. - Placera Schlenk-röret i ett oljebad för jämn och säker uppvärmning av reaktionsblandningen under omröringstiden som kommer att komma. Fäst röret i en kondensor för att förhindra lösningsmedelsindunstning under omröring. Se till att glasdetaljerna är tillräckligt smurt och välutrustade.
- Rör reaktionsblandningen vid 25 ° C i 1 h för att tillåta fullständig upplösning av alla fasta ämnen samt brytningen av kväve-vätebindningen i bensimidazolmolekyler.
Obs! Användning av kondensor för detta omröringssteg är inte nödvändigt, men eftersom en kondensor måste användas för återloppskokning i steg 1.5 nedan kan det vara lämpligt att ställa in kondensorn vid detta steg och använda den för båda stegen. I annat fall kan detta steg utföras genom att försegla Schlenk-röret med ett smurt stopp. - Efter 1 h avlägsnas Schlenk-röret från kondensorn och tillsätt långsamt 1 mmol av den valda aRylhalogenid till blandningen.
Varning: Arylhalider är irriterande och kan vara skadliga. Läs relevanta säkerhetsdatablad innan du fortsätter. - Sätt tillbaka Schlenk-röret på kondensorn och återlopp blandningen vid 78 ° C (nära etylalkoholens kokpunkt) under 6 h för att reaktionen ska kunna slutföras. Låt blandningen svalna till 25 ° C efter återloppskokning är färdig.
- Lossa Schlenk-röret från kondensorn och använd några pappershanddukar för att torka fettet från rörets mun. Filtrera sedan reaktionsblandningen med hjälp av en tratt och filterpapper för att avlägsna kaliumkloridfällningen som bildades under reaktionen. Samla filtratet i en bägare.
- Överför filtratet, som innehåller N- alkylbensimidazolprodukten, till ett rent Schlenk-rör. Tät röret med ett smurt stopp och avlägsna etylalkohollösningsmedlet i filtratet med vakuum.
Obs! För alla steg i protokollet involverasAnvända vakuum, använd ett vakuum med måttlig styrka såväl som liten och kontinuerlig skakning av röret fäst vid vakuum. - När allt lösningsmedel har avlägsnats, avlägsnas Schlenk-röret och tillsättes 5 ml dietyleter för att tvätta N- alkylbensimidazolprodukten efterlämnad. Skaka röret försiktigt för att utföra tvätt.
- När tvätten är klar, använd några pappershanddukar för att torka fettet från rörets mun och dekantera etern i en bägare. Upprepa detta tvättsteg några gånger, tillsätt 5 ml dietyleter och dekantera det varje gång.
Varning: Dietyleter är flyktig och brandfarlig. Håll det borta från öppen eld eller antändningskällor.
Obs! För alla tvättsteg i protokollet kan ett annat lösningsmedel användas om det: 1) inte reagerar med att substansen tvättas, 2) inte löser upp ämnet som tvättas och 3) lätt förångas.
- När tvätten är klar, använd några pappershanddukar för att torka fettet från rörets mun och dekantera etern i en bägare. Upprepa detta tvättsteg några gånger, tillsätt 5 ml dietyleter och dekantera det varje gång.
- Efter det slutliga tvättsteget förseglas Schlenk-röret med aSmörjpropp och torka den tvättade N- alkylbensimidazolprodukten med vakuum. Efter torkning, använd några pappershanddukar för att torka fettet från rörets mun och sedan överföra produkten till en liten flaska för användning i nästa reaktion.
Obs! Protokollet kan pausas här och återupptas vid ett senare tillfälle. - Kläm ett rent Schlenk-rör upprätt och skjut ut luften inuti det genom att rengöra det med argongas. Introducera gasen från rörets sidarmör och håll rörets mun osealed under denna process. Argon är tyngre än luft så det kommer att utesluta luften genom att fylla röret från botten uppåt. Fortsätt att rengöra röret med argon medan reagenserna tillsättes i nästa steg.
- Tillsätt långsamt en omrörare, 1 mmol N- alkylbensimidazol, 1 mmol av den valda alkylhalogeniden och 4 ml vattenfri N , N- dimetylformamid (DMF) som lösningsmedel till Schlenk-röret. När alla reagens har tillsatts, förseglar du snabbt rörets munMed ett smurt stopp, försegla sedan sin sidarm genom att vrida stoppklockan och stäng sedan av argongasen.
Varning: Alkylhalogenider är irriterande och kan vara skadliga. Läs relevanta säkerhetsdatablad innan du fortsätter.
Varning: DMF är brandfarligt. Håll det borta från öppen eld eller antändningskällor. - Placera det förseglade Schlenk-röret i ett oljebad och rör reaktionsblandningen vid 80 ° C i 24 timmar för att tillåta reaktionen att nå slutförandet.
Obs! Denna reaktion måste utföras i en inert atmosfär så att de ovannämnda rengöringsstegen som involverar argon måste följas noggrant. - Efter 24 h avlägsna en del av DMF-lösningsmedlet i blandningen med vakuum; Ca 1-2 min dammsugning bör vara tillräcklig.
Obs! Avlägsna allt DMF-lösningsmedel från den fettliknande blandningen, men det är inte nödvändigt. - Unseal Schlenk-röret och tillsätt 15 ml dietyleter. Rör om miXtur tills bensimidazoliumsaltprodukten fälls ut.
Anm .: Petroleumeter kan användas om dietyleter inte är tillgänglig. Konsultera MSDS för petroleumeter innan du fortsätter med den här föreslagna modifieringen. - Efter utfällning, avlägsna dietyletern med hjälp av en lämplig filtreringsmetod.
OBS! Vi har använt ett speciellt glasrör med en sidoarm, ett internt filter och två öppna ändar som Schlenk-rör kan fästas på. Eftersom sidarmen på detta rör och de på Schlenk-rören kan fästas i vakuum, ger detta filtreringsrör enorm förmåga att: 1) filtrera efter utfällningssteget liksom tvättstegen att komma och 2) torka efter tvätten steg.- Om du använder något liknande, fäst det fyllda Schlenk-röret i ena änden av filtreringsröret och ett tomt Schlenk-rör i den andra änden. Fäst sedan det tomma Schlenk-röret i vakuum, och försiktigt och gradvis invertera apparaten så attDietyletern passerar genom filtret till detta tomma Schlenk-rör. Om emellertid ett sådant rör inte kan hittas, använd andra metoder, såsom filtrering med en tratt och filterpapper.
- Tvätta saltprodukten med 15 ml dietyleter och avlägsna dietyleteren med samma filtreringsmetod som användes i steg 1.15. Upprepa detta tvättsteg några gånger med 15 ml dietyleter och filtrera det varje gång.
- Efter det slutliga tvättsteget, torka den tvättade saltprodukten (här, torka inuti filterröret med vakuum) och uppsamla det sedan för ytterligare rening genom omkristallisation.
Obs! Protokollet kan pausas här och återupptas vid ett senare tillfälle. - Tillsätt saltet och en etylalkohol-dietyleterblandning (12 ml: 4 ml) till ett rent Schlenk-rör. Värm blandningen med en värmepistol tills saltet löser sig helt.
- Efteråt försegla röret med ett smurt stopp och kläm det i ett nästan horisontellt läge. Lämna tHan salt att omkristallisera vid rumstemperatur.
- När saltet är omkristalliserat, använd några pappershanddukar för att torka fettet från rörets mun och sedan filtrera blandningen med en tratt och filterpapper för att separera saltkristallerna.
- Tvätta saltkristallerna, medan de fortfarande är på filterpappret i tratten, med 15 ml dietyleter. Upprepa detta tvättsteg ett par gånger.
- Efter det sista tvättsteget låt kristallerna torka i luft på filterpappret. Samla det renade saltet för karakterisering och syntesen av palladium NHC-komplexet.
Obs! Protokollet kan pausas här och återupptas vid ett senare tillfälle. - Karakteriserar saltet som rapporterats tidigare 18 .
2. Syntes och rening av palladium NHC-komplex (föreningar 5-8)
- Kläm ett 75 ml Schlenk-rör upprätt och tillsätt en omrörare, 1 mmol av det valda bensimidazoliumsaltet, 1 mmol pallAdiumklorid, 5 mmol kaliumkarbonat som bas och 3 ml 3-klorpyridin i den.
Varning: Palladiumklorid är giftigt och kan vara irriterande.
Varning: Kaliumkarbonat kan vara skadligt. Undvik andning av damm och förvara det från vatten.
Varning: 3-klorpyridin är extremt skadlig. Det är giftigt och frätande. Undvik hudkontakt och andas in i rök. - Tät röret med ett smurt stopp och placera det i ett oljebad. Rör reaktionsblandningen vid 80 ° C i 16 h för att låta syntesen av palladium NHC-komplexet uppnå fullbordandet.
- Efter 16 h låt blandningen svalna till rumstemperatur och avlägsna röret. Tillsätt 10 ml diklormetan i blandningen för att förbättra effektiviteten hos filtreringen som beskrivs i steg 2.4 och 2.5 nedan; Detta är valfritt och kan hoppas över om det behövs.
Varning: Diklormetan är giftigt, en irriterande aOch ett misstänkt cancerframkallande ämne. Undvik hudkontakt och andas in i rök. - Montera följande filtreringsapparat för att avlägsna det oreagerade palladiumklorid- och bensimidazoliumsaltet från reaktionsblandningen: Använd ett glasfilterrör utan kran.
- Först lägg till fyra spatler i filtermedlet (t.ex. Celite) i röret för att göra ett filtermedelskikt ovanför filtret som befinner sig i mitten av röret. Därefter tillsättes fyra spatler av kiseldioxidgel över filtermedelsskiktet. Slutligen kläm en liten bomullsvadd ovanför silikagelskiktet så att filtermedlet och kiseldioxidskikten fixeras på plats mellan filtret och bomullsvatten.
- Filtrera reaktionsblandningen genom filtret av filtermedel och silikagel enligt följande: Fäst Schlenk-röret som innehåller reaktionsblandningen i glasfiltreringsröret så att Schlenk-röret vetter mot änden av filtreringsröret med bomullsvatten. Fäst sedan ett tomt Schlenk-rör i den andra änden avFiltreringsrör.
- Anslut det tomma Schlenk-röret till vakuum och försiktigt och gradvis invertera apparaten så att reaktionsblandningen filtreras genom (i ordning) bomull, kiseldioxid, filtermedel och filterskikt. Det oreagerade palladiumklorid- och bensimidazoliumsaltet kommer att bibehållas i skikten medan filtratet innehållande palladium NHC-komplexet kommer in i det tomma Schlenk-röret.
Anm .: Om diklormetan tillsätts till reaktionsblandningen (steg 2.3) kan det bidra med lite tryck inuti filtreringsröret och detta kan orsaka att vätska sipplar ut från anslutningsdelen mellan det fyllda Schlenk-röret och filtreringsröret vid inversion. För att förhindra detta är det viktigt att koppla det tomma Schlenk-röret till vakuum före inversion av apparaten (såsom beskrivits ovan) så att reaktionsblandningen vid inversion inte har tillräckligt med tid att sippra ut från ovan nämnda kopplingsdel.
- Anslut det tomma Schlenk-röret till vakuum och försiktigt och gradvis invertera apparaten så att reaktionsblandningen filtreras genom (i ordning) bomull, kiseldioxid, filtermedel och filterskikt. Det oreagerade palladiumklorid- och bensimidazoliumsaltet kommer att bibehållas i skikten medan filtratet innehållande palladium NHC-komplexet kommer in i det tomma Schlenk-röret.
- Lossa Schlenk-röretInnehållande filtratet från filtreringsapparaten ovan och försegla det med ett smurt stopp. Avlägsna lösningsmedlet i filtratet med vakuum.
- När allt lösningsmedel har avlägsnats, avlägsna Schlenk-röret och tillsätt 5 ml dietyleter för att tvätta den palladium-NHC-komplexa produkten som lämnas bakom. Skaka röret försiktigt för att utföra tvätt. När tvätten är klar, använd några pappershanddukar för att torka fettet från rörets mun och dekantera etern i en bägare. Upprepa detta tvättsteg några gånger, tillsätt 5 ml dietyleter och dekantera det varje gång.
- Efter det slutliga tvättsteget förseglas Schlenk-röret med ett smurt stopp och torka den tvättade palladium NHC-komplexprodukten med vakuum. Efter torkning, använd några pappershanddukar för att torka fettet från rörets mun och sedan samla produkten för ytterligare rening genom omkristallisering.
Obs! Protokollet kan pausas här och återupptas vid ett senare tillfälle. - För omkristallisation, hitta enLämpligt lösningsmedel för det specifika palladium NHC-komplexet (det vill säga ett som komplexet inte lätt löser upp vid rumstemperatur men gör det vid uppvärmning) och följ samma steg som beskrivits ovan för salterna (steg 1,18 till 1,22). Efteråt samla det renade komplexet för karakterisering.
Obs! Protokollet kan pausas här och återupptas vid ett senare tillfälle. - Karakterisera komplexet som rapporterats tidigare 18 .
3. Katalysaktiviteten hos komplexen (5-8) i aryl-reaktioner
- Utför alla katalytiska reaktioner under luft i avloppsugn.
- Använd de inköpta reagenserna utan ytterligare rening för kol-kolbindningsbildande reaktioner.
- Kläm ett 25 ml Schlenk-rör upprätt och tillsätt en omrörare, 2 mmol 2- n- butyltiofen eller 2- n- butylfuran och 1 mmol av den valda arylbromiden in i den.
Varning: 2- n- butylfuran och2- n- butyltiofen är båda akut toxiska. Undvik hudkontakt och andas deras ångor. - Sedan tillsätt 1 mmol kaliumacetat, 0,01 mmol av det valda palladium NHC-komplexet och 2 ml N , N- dimetylacetamid (DMA) i röret.
Varning: DMA är giftigt. Undvik hudkontakt och andas in i rök. - Tät röret med ett smurt stopp och placera det i ett oljebad. Rör reaktionsblandningen olika gånger och vid olika temperaturer för att hitta tid och temperaturförhållanden som leder till maximalt produktutbyte för den givna reaktionen.
Anm .: Reaktionsförloppet kan följas av tunnskiktskromatografi (TLC), men om endast jämförelse av effekten av olika reaktionsbetingelser för utbyte (inklusive palladium NHC-komplexet som används för katalys), är det inte nödvändigt att köra reaktionen till slutförandet. I dessa fall kör reaktionen under en konstant tid mindre än den tid som krävsFör att fullborda och variera det testade reaktionstillståndet. När reaktionen har löpt ut för den önskade tiden, stoppa den genom att avlägsna lösningsmedlet från reaktionsblandningen såsom beskrivits i nästa steg.- För att följa reaktionens framsteg med TLC, jämför reaktionsblandningens rörelse genom en TLC-platta med de hos reaktanterna; Om blandningen fortfarande producerar fläckarna för reaktanterna, betyder det att reaktionen inte har gått till slut än. För att få ett prov av reaktionsblandningen efter en given tid, avlägsna Schlenk-röret medan reaktionen fortfarande körs och använd ett kapillärrör för att snabbt få en droppe för TLC-testet. För att köra blandningen och reaktanterna genom TLC-plattan, hitta ett lämpligt lösningsmedel (mobilfas) för det specifika fallet.
- När reaktionen är fullständig eller har löpt i önskad tid, avlägsnas lösningsmedlet i reaktionsblandningen med vakuum.
- Unseal Schlenk-röret och tillsätt en hexandietyleter mIxtur (10 ml: 2 ml) in i den. Denna lösningsmedelsblandning kommer att vara den mobila fasen för snabbkolonnkromatografi i steg 3,8 och 3,9 nedan. Skaka blandningen kraftigt för att säkerställa att produkten löses i mobilfasen och lämnas inte kvar i röret.
Varning: Hexan är flyktig och brandfarlig. Undvik andning av ångorna och håll det borta från öppen eld eller antändningskällor. - Montera en snabbkromatografikolonn enligt följande för att rena produkten: Använd en glasdroppar. Sätt först en liten bomullstråd i droppen och tryck in den tills den vilar fast där glaskammaren börjar tunna ut. Tillsätt sedan silikagel på toppen av bomullsvatten så att två tredjedelar av dropparens tjocka sektion fylls.
- Klappa silikagelkolonnen upprätt och använd en glasdropp för att gradvis överföra reaktionsblandningen in i den. Lös blandningen genom kolonnen och samla elueringsmedlet innehållande den renade produkten i en ren bägare eller teströr.
Obs! Protokollet kan pausas här och återupptas vid ett senare tillfälle. - Överför elueringsmedlet till ett rent rör som kan fästas i vakuum och täta röret med ett smurt stopp. Avlägsna lösningsmedlet i elueringsmedlet med vakuum.
Obs! Protokollet kan pausas här och återupptas vid ett senare tillfälle. - När allt lösningsmedel har avlägsnats, avlägsnas röret och tillsättes 1,5 ml diklormetan. Skaka röret försiktigt för att lösa upp produkten och därigenom tillåta dess analys med GC eller GC / MS. Beräkna utbytet med användning av GC eller GC / MS 19 , 20 , 21 , 22 , 23 .
Anmärkning: Kloroform kan användas om diklormetan inte är tillgänglig. Konsultera MSDS för kloroform innan du fortsätter med den här föreslagna modifieringen.
4. Katalytisk aktivitet hos koMplexer (5-8) i Suzuki-Miyaura-tvärkopplingsreaktioner
- Utför alla katalytiska reaktioner enligt tidigare rapporterade protokoll 18 , 24 .
- Kläm ett 25 ml Schlenk-rör upprätt och tillsätt en omrörare, 1,5 mmol fenylboronsyra eller det valda borsyrederivatet, 1 mmol av den valda arylkloriden och 2 mmol natrium-tert-butoxid som en bas i den.
Varning: Fenylboronsyra och dess derivat är irriterande och kan vara giftiga. Undvik hudkontakt. Läs relevanta säkerhetsdatablad innan du fortsätter.
Varning: Arylklorider är skadliga och kan, beroende på den specifika kemikalien, vara giftig och brandfarlig. Läs relevanta säkerhetsdatablad innan du fortsätter.
Varning: Natrium tert-butoxid är ett brandfarligt fast material. Det är mycket reaktivt med vatten och kaustik när det är i lösning. Håll det borta från öppen eld eller antändningskällor och undvik hudkontakt. <Br /> Obs: Kaliumhydroxid, natriumhydroxid, kaliumkarbonat, natriumkarbonat, kaliumacetat, natriumacetat eller kalium-tert-butoxid kan användas om natrium tert-butoxid inte är tillgänglig. Konsultera databladet för dessa baser innan du fortsätter med de här föreslagna ändringarna. - Tillsätt 0,01 mmol av det valda palladium NHC-komplexet till röret.
- Tillsätt en DMF-vattenblandning (2 ml: 2 ml) i röret.
Anm .: Använd vid behov ett högre förhållande DMF till vatten eller använd DMF själv. - Tät röret med ett smurt stopp och placera det i ett oljebad. Rör reaktionsblandningen olika gånger och vid olika temperaturer för att hitta tid och temperaturförhållanden som leder till maximalt produktutbyte för den givna reaktionen.
Anm .: Reaktionsförloppet kan följas av TLC men om endast jämförelse av effekten av olika reaktionsbetingelser på utbyte (inklusive palladium NHC-komplexet som används för kattAlysis), då är det inte nödvändigt att köra reaktionen till slutförandet. I dessa fall kör reaktionen under en konstant tid mindre än den tid som krävs för att slutföra och variera det testade reaktionskriteriet. När reaktionen har löpt ut för den önskade tiden, stoppa den och fortsätt till nästa steg. För att följa reaktionens framsteg med TLC, se steg 3.5.1 för några detaljer. - När reaktionen är fullständig eller har löpt i önskad tid, låt blandningen svalna till rumstemperatur. Avlägsna Schlenk-röret och tillsätt en hexan-etylacetatblandning (5 ml: 1 ml) till reaktionsblandningen. Återförslut röret och skaka den nya blandningen kraftigt under några minuter för att tillåta migreringen av den syntetiserade produkten till hexan-etylacetatfasen.
Varning: Etylacetat är flyktigt och brandfarligt och kan orsaka allvarliga ögonskador. Undvik andning av ångorna och håll det borta från öppen eld eller antändningskällor. - Kläm fast SchLenkröret är upprätt och låt blandningen avgöras i två separata faser under några minuter.
- Använd en glasdropp för att noga extrahera den övre organiska fasen och överföra den till en ren bägare innehållande 1 g vattenfritt magnesiumsulfat. Magnesiumsulfatpulvret hjälper till att avlägsna eventuellt kvarvarande vatten från den extraherade organiska fasen.
- Upprepa steg 4.6 till 4.8 minst en gång för att maximera extraktionen av den syntetiserade produkten.
- Följ steg 3.8 och 3.9 för att rena produkten med snabbkolonnkromatografi. Den hexan-etylacetatblandning som föreligger i den extraherade organiska fasen tjänar som den mobila fasen för detta reningssteg. Samla elueringsmedlet innehållande den renade produkten i en ren bägare eller provrör.
Obs! Protokollet kan pausas här och återupptas vid ett senare tillfälle. - Analysera produkten och beräkna avkastningen med GC eller GC / MS 19 , 20 ,21 , 22 , 23 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Benzimidazoliumsalter ( 1 - 4 ) ( Figur 1 ) syntetiserades i vattenfri DMF med användning av N- alkylbensimidazoler och olika alkylhalogenider, renades sedan och karakteriserades som rapporterats före 18 , 24 . De var vita eller krämfärgade fasta substanser och hade utbyten från 62% till 97%. Palladium NHC komplex (5 - 8) (fig 2) syntetiserades därefter från salterna, renade och karakteriserats, även som rapporterats före 18, 24. De var gula eller krämfärgade fasta substanser och hade lägre utbyten än salterna, som sträckte sig från 25% till 60%. De fyra palladiumkomplexen testades för katalytisk aktivitet i arylation och Suzuki-Miyaura-tvärkopplingsreaktioner.
n- butyltiofen och 4-bromacetofenon (Tabell 1, ingång 1) gavs som ett exempel för att markera de dåliga resultaten som erhölls i aryl-reaktioner i frånvaro av en lämplig katalysator; Denna speciella reaktion gav endast ett utbyte på 1% efter 1 h vid 110 ° C, i frånvaro av ett katalyserande komplex. För reaktionen av 2- n- butylfuran med 4-bromacetofenon ledde komplexen 5-8 till utbyten av 14, 49, 83 respektive 89% efter 1 timme vid 110 ° C (Tabell 1, inmatningar 2-5). Införande 6-8 i tabell 1 visar reaktionen mellan 2- n- butylfuran och brombensen i närvaro av komplex 7; Ganska bra utbyten av 71, 84 och 98% uppnåddes efter 21 h vid 80, 90 respektive 110 ° C. De återstående 2 inmatningarna i tabell 1 (inmatning 9 och 10) visar reaktionen av 2- n- butyltiofen med brombensyraNe respektive 4-bromoanisol. Den första av dessa reaktioner katalyserades av komplex 8, vilket gav ett utbyte av 97% som skulle uppnås efter 1 timme vid 110 ° C (tabell 1, ingång 9). Den andra reaktionen katalyserades med komplex 5 för att ge ett utbyte av 79% efter 1 h vid 130 ° C (tabell 1, ingång 10).
Den katalytiska effekten av komplexen på de studerade Suzuki-Miyaura-reaktionerna mellan borsyraderivat och arylklorider var variabel (tabell 2). Här var syftet att jämföra prestanda för de fyra komplexen i katalys av dessa reaktioner, så för var och en av de studerade reaktionerna hölls de andra reaktionsbetingelserna konstanta: en 2 ml: 2 ml DMF-vattenblandning användes som lösningsmedlet , Natrium-tert-butoxid användes som bas, reaktionerna kördes under 2 timmar och reaktionstemperaturen hölls vid 80 ° C. Under dessa förhållanden resulterade komplexen 5-8 i omvandlingar av 67, 55, 77 och 25% och utbyten av 56, 51,59 och 9% för reaktionen av 2,5-dimetoxifenylborsyra med 4-metoxi-l-klorbensen (Tabell 2, inmatning 1-4). För reaktionen av 4-tert-butylfenylboronsyra med 4-klortoluen under dessa betingelser visade sig alla fyra komplexen 5-8 vara utmärkta katalysatorer, vilket resulterade i omvandlingar av 99, 99, 98 och 100% och utbyten av 92,95 , 93 respektive 99,9% (Tabell 2, inmatningar 5-8). Slutligen resulterade reaktionerna av tianaften-2-borsyra med 1-klor-4-nitrobensen under dessa betingelser resulterande i komplexen 5-8 i omvandlingar av 5, 9, 55 och 30% och utbyten av 3, 1, 35 och 14% (tabell 2, post 9-12).
Figur 1 : Syntes av bensimidazoliumsalterna.
Schematisk av reaktionerna mellan 1-alkylbensimidazol och olika alkylhalogenider för att bilda bensimidazoliumsalter <Stark> 1-4. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2 : Syntes av palladium NHC-komplexen.
Schematisk av reaktionerna mellan bensimidazoliumsalter 1-4 , palladiumklorid, kaliumkarbonat och 3-klorpyridin för att bilda palladium NHC-komplex 5-8 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Tabell 1: Katalyserade aryleringsreaktioner - representativ results.
Arylation av heteroarylderivat med olika arylbromider i närvaro av de syntetiserade palladium-NHC-komplexen. Reaktionsbetingelser: 2- n- butyltiofen eller 2- n- butylfuran (2 mmol), arylbromid (4-bromacetofenon, brombensen eller 4-bromoanisol) (1 mmol), palladium NHC-komplex ( 5-8 ) (0,01 mmol) Kaliumacetat (1 mmol), DMA (2 ml), 80-130 ° C, 1-21 timmar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna tabell.
Tabell 2: Katalyserade Suzuki-Miyaura-reaktioner - Representativa resultat.
Suzuki-Miyaura-tvärkopplingsreaktioner av borsyraderivat med arylklorider i närvaro av de syntetiserade palladium-NHC-komplexen. Reaktionsbetingelser: boroNiksyraderivat (1,5 mmol), arylklorid (1 mmol), natrium-tert-butoxid (2 mmol), palladium NHC-komplex ( 5-8 ) (0,01 mmol), DMF-vatten (2 ml: 2 ml), 80 ° C, 2 h. Vänligen klicka här för att se en större version av denna tabell.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollet för syntes och rening av fyra bensimidazoliumsalter och därefter deras palladium NHC-komplex presenterades avsiktligt i yttersta detalj för att hjälpa unga forskare eller de nya till fältmästarna dem. Med samma mål i åtanke presenterades protokollen för att testa den katalytiska aktiviteten hos de fyra komplexen i arylation och Suzuki-Miyaura reaktioner också i yttersta detalj. Vidare har vi försökt att presentera protokollen så generellt som möjligt så att andra enkelt kan anpassa dem för syntes, rening och testning av den katalytiska aktiviteten hos många andra / nya palladium NHC-komplex.
Om det behövs är protokollen öppna för vissa ändringar. Förslag till eventuella ändringar har gjorts i protokolldelen enligt de relevanta stegen. Några av dessa förslag handlar om att vissa protokollsteg utmärks som valfria, medan andra handlar om exchaNämnda utrustning eller reagenser som används i vissa steg i protokollen. Med hänsyn till modifieringen av reagensen är det i princip möjligt att ersätta några av de reagenser som används i protokollen med andra, men vi har begränsat våra förslag i detta avseende till endast de exempel som vi har verifierat experimentellt eller genom kortmätning Av litteraturen.
Beträffande katalytisk aktivitet hos de syntetiserade komplexen kan deras värde för katalysationen av aryl-reaktioner ses genom de representativa resultaten i tabell 1. För katalys av reaktionen mellan 2- n- butylfuran och 4-bromoacetofenon var komplex 6 en bra kandidat Medan komplexen 7 och 8 utfördes särskilt väl (Tabell 1, inmatningar 2-5). Komplex 7 var en utmärkt katalysator för reaktionen mellan 2- n- butylfuran och brombensen (Tabell 1, post 6-8); Den positiva effekten av ökad temperatur på utbyte för denna reaktion visar att om reaktionen ärKatalyserad av ett lämpligt komplex, modifiering av andra reaktionsbetingelser såsom temperatur kan bidra till att maximera utbytet. För reaktionen av 2- n- butyltiofen med brombensen var komplex 8 en utmärkt katalysator (tabell 1, ingång 9), medan reaktionen mellan 2- n- butyltiofen och 4-bromoanisol utfördes ganska bra som en katalysator ( Tabell 1, post 10). Sammantaget katalyserades var och en av de studerade aryleringsreaktionerna väl av åtminstone ett av de fyra komplexen som syntetiserades. Ytterligare arbete kan göras för att potentiellt öka utbytesvärdena för dessa reaktioner genom att modifiera reaktionsbetingelser såsom tid och temperatur.
För katalys av Suzuki-Miyaura-reaktionerna mellan borsyraderivat och arylklorider uppvisade de syntetiserade komplexen varierande prestanda under de reaktionsbetingelser som användes i denna studie (tabell 2). Komplexen 5-7 visade sig vara bra kandidater, medan komplexa 8 inte fungerade bra för katalys avReaktion mellan 2,5-dimetoxifenylborsyra och 4-metoxi-l-klorbensen (Tabell 2, inmatning 1-4). Samtliga fyra komplex var utmärkta katalysatorer för reaktionen mellan 4-tert-butylfenylboronsyra och 4-klortoluen (tabell 2, inmatningar 5-8). För reaktionen mellan tianaften-2-borsyra och 1-kloro-4-nitrobensen fungerade komplexen 5 och 6 inte bra som katalysatorer, medan komplexen 7 och 8 visade ett visst löfte (Tabell 2, inmatning 9-12). Sammantaget katalyserades, liksom resultaten för aryleringsreaktionerna, var och en av de undersökta Suzuki-Miyaura-reaktionerna väl av åtminstone ett av de fyra komplexen som syntetiserades. För de fall där det valda komplexet fungerade bra vid katalysering av den givna reaktionen kan ytterligare arbete göras för att potentiellt öka omvandlings- och utbytesvärdena genom olika reaktionsbetingelser, såsom tid, temperatur, lösningsmedelssammansättning och den använda basen.
Sammanfattningsvis kan de fyra palladium NHC-komplexen lätt syntetiseras genom att följaDetaljerade protokoll ges och visat sig vara lovande kandidater för katalys av många kol-kolbindningsbildande reaktioner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Vi erkänner det ekonomiska stödet vid Pharmacy-fakulteten (University of Sydney), Erciyes University Research Fund och TUBITAK (1059B141400496). Vi tackar Tim Harland (University of Sydney) för att redigera videon.
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) |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Chouthaiwale, P. V., Rawat, V., Sudalai, A. Pd-catalyzed selective hydrosilylation of aryl ketones and aldehydes. Tetrahedron Lett. 53 (2), 148-150 (2012).
- Herrmann, W. A. N-heterocyclic carbenes: A new concept in organometallic catalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 41 (8), 1290-1309 (2002).
- 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).
- 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).
- Savka, R. D., Plenio, H. A hexahydro-s-indacene based NHC ligand for olefin metathesis catalysts. J. Organomet. Chem. 710, 68-74 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Johnson, J. S. Catalyzed reactions of acyl anion equivalents. Angew. Chem. Int. Ed. 43 (11), 1326-1328 (2004).
- Marion, N., Diez-Gonzalez, S., Nolan, S. P. N-heterocyclic carbenes as organocatalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (17), 2988-3000 (2007).
- Perry, M. C., Burgess, K. Chiral N-heterocyclic carbene-transition metal complexes in asymmetric catalysis. Tetrahedron: Asymmetry. 14 (8), 951-961 (2003).
- Zeitler, K. Extending mechanistic routes in heterazolium catalysis-promising concepts for versatile synthetic methods. Angew. Chem. Int. Ed. 44 (46), 7506-7510 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Akkoc, S., Gok, Y. Catalytic activities in direct arylation of novel palladium N-heterocyclic carbene complexes. Appl. Organomet. Chem. 28 (12), 854-860 (2014).
- 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).
