Beredning och användning av samariumdijodid (SMI

Published 2/04/2013
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Chemistry
 

Summary

Ett enkelt förfarande för framställning av samariumdijodid (SMI

Cite this Article

Copy Citation

Sadasivam, D. V., Choquette, K. A., Flowers II, R. A. Preparation and Use of Samarium Diiodide (SmI2) in Organic Synthesis: The Mechanistic Role of HMPA and Ni(II) Salts in the Samarium Barbier Reaction. J. Vis. Exp. (72), e4323, doi:10.3791/4323 (2013).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Även initialt vara en esoterisk reagens har SMI 2 blivit ett vanligt verktyg för syntetiska organiska kemister. SMI 2 genereras genom tillsats av molekylär jod till samarium metall i THF. Det är en mild och selektiv enda elektron reduktionsmedel och sin mångsidighet är ett resultat av dess förmåga att initiera ett brett utbud av minskningar inklusive CC 1,2-3 Bond- formning och kaskad eller sekventiella reaktioner. Smi 2 kan reducera en mängd funktionella grupper, inklusive sulfoxider och sulfoner, fosfinoxider, epoxider, alkyl-och aryl-halogenider, karbonyler, och konjugerade dubbelbindningar. 2-12 En av de fascinerande egenskaper SMI-2-medierade reaktioner är förmågan att manipulera resultatet av reaktionerna genom selektiv användning av samlösningsmedel eller tillsatser. I de flesta fall tillsatser är nödvändiga för att kontrollera graden av nedsättning och kemo-eller stereoselektivitet av reaktioner. 13-14 Tillsatser commonly används för att finjustera reaktivitet SMI 2 kan delas in i tre huvudgrupper: (1) Lewis baser (HMPA, andra elektrondonerande ligander, kelatbildande etrar, etc.), (2) proton källor (alkoholer, vatten etc. ), och (3) oorganiska tillsatser (Ni (acac) 2, FeCls 3, etc.). 3

Förstå mekanismen för SMI 2 reaktioner och den roll av tillsatserna kan utnyttja den fulla potentialen av reagens i organisk syntes. Sm-Barbier reaktion väljs för att illustrera den syntetiska betydelse och mekanistiska roll av två vanliga tillsatser: HMPA och Ni (II) i denna reaktion. Sm-Barbier reaktion liknar den traditionella Grignard-reaktionen med den enda skillnaden att den alkylhalogenid, karbonyl, och Sm reduktant blandas samtidigt i ett kärl. 1,15 Exempel Sm-medierade Barbier reaktioner med en rad kopplingselement partner har rapporterats, 1,3,7,10,12 och har utilized i viktiga steg i syntesen av stora naturliga produkter. 16,17 Tidigare studier om effekten av tillsatser på SMI 2 reaktioner har visat att HMPA ökar minskningspotential SMI 2 genom att samordna den samarium metallen centrum ger en mer kraftfull, 13-14,18 belastade steriskt reduktionsmedel 19-21 och i vissa fall spelar en viktig roll efter elektron-överföring steg underlättar efterföljande bindningsbildande händelser. 22 i SM-Barbier reaktion har HMPA visats dessutom aktivera alkylhaliden genom att bilda ett komplex i en pre-jämvikt steg. 23

Ni (II) salter är en katalytisk tillsats används ofta i SM-medierade transformationer. 24-27 Även avgörande för framgång, var den mekanistiska roll Ni (II) inte känd i dessa reaktioner. Nyligen har det visats att SMI 2 reducerar Ni (II) till Ni (0), och reaktionen utförs sedan genom organometallic Ni (0) kemi. 28

Dessa mekanistiska studier belysa att även om samma Barbier produkten erhålles, användning av olika tillsatser i SMI 2 reaktionen drastiskt ändrar den mekanistiska vägen för reaktionen. Protokollet för att köra dessa SMI 2-initierade reaktioner beskrivs.

Protocol

1. Syntes av SMI 2 (0,1 M)

  1. Flamma torka en 50 ml rundbottnad kolv och spola den med argon. Lägg till en omrörarstav och täck kolven med septa. Väg ut samarium metall (0,2 g, 1,3 mmol) och lägga till kolven, återigen spola kolven med argon.
  2. Tillsätt 10 ml torr, noggrant avgasad tetrahydrofiiran (THF) följt av jod kristaller (0,254 g, 2,0 mmol). Lägg en argon ballong genom septumet, vilket håller ett positivt tryck av Ar-atmosfär på reaktionen.
  3. Rör om lösningen kraftigt vid rumstemperatur över 3 timmar. Såsom SMI 2 alstras lösningen passerar genom olika färgförändringar, apelsin, följt av gul (45 minuter), och grön (1 timme), som så småningom övergår i blått.
  4. Den slutliga marinblå färg är tecken på att ensamma joniserat samarium har bildats. För att säkerställa full konvertering, rör om lösningen i minst 3 timmar innan du använder SMI 2 i syntesen.

2. SaMarium Barbier reaktion hexametylfosforamid (HMPA) Tillägg

  1. För att göra SMI 2-HMPA komplexet, ta nyberedd SMI 2 under argon (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol) och tillsätt 1,75 ml HMPA (10 ekv., 10 mmol) via en spruta, droppvis under argon. En djup lila färg former.
  2. Separat i en ren, torr flaska under argon, tillsätt iodododecane (0,45 mmol, 110 pl), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 pl) och 2 ml torkad THF.
  3. Lägg blandningen substratlösningen droppvis till SMI 2 / HMPA komplex.
  4. Inom 5 minuter av omrörning, kommer den lila färgen börjar se grumlig, vilket indikerar slutet av reaktionen.
  5. Efter att reaktionen är fullbordad, utsätta lösningen för luft att släcka det, vid omröring färgen ytterligare ändringar till gult.
  6. Reaktionsblandningen upparbetas sedan genom tvättning med mättad vattenlösning av ammoniumklorid. Tillsätt lösningen till en separationstratt och tillsätt dietyleter (5 ml). Efter kraftig skakning bortdet övre organiska skiktet, tillsätt mer dietyleter. Utdrag ur det vattenhaltiga skiktet två gånger och sedan kombinera alla de organiska skikten.
  7. Tvätta det organiska skiktet med en mättad lösning av vattenhaltig natriumtiosulfat. Ta bort det nedre vattenskiktet, följt av tvättning med vatten och därefter slutlig tvättning med saltlösning. Erhåll det övre organiska skiktet och lägga magnesiumsulfat att suga upp all sista mängden vatten närvarande i lösningen.
  8. Passera lösningen genom en plugg av Florisil för att avlägsna överskott av HMPA.
  9. Koncentrera lösningen på en roterande indunstare för erhållande av Barbier produkt. Produkten identifierades med GCMS och 1 H-NMR. 23

3. Samarium Barbier Reaktion-Ni (acac) 2 Katalysator

  1. Väg ut Ni (acac) 2 (1 mol-%, 0,01 mmol, 0,0026 g) och lägga till en ren, torr flaska innehållande 3 ml avgasad THF under argon. Lägg Ni (acac) 2-lösning via en injektionsspruta till en nyberedd solution 0,1 M Smi 2 (1,0 mmol, 10 ml).
  2. Separat i en ren, torr flaska under argon, tillsätt iodododecane (0,45 mmol, 110 pl), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 pl) och 2 ml torkad THF.
  3. Tillsätt substratlösningen droppvis till SMI 2 / Ni blandning.
  4. Inom femton minuter omröring, kommer den blå färgen försvinna för att bilda en gul-grön färg som indikerar slutet av reaktionen.
  5. Efter att reaktionen är fullbordad, utsätta lösningen för luft att släcka det, vid omröring färgen ytterligare ändringar till gult. Upparbetning av reaktionen genom tvättning med 0,1 M aq. Saltsyra (3 ml). Tillsätt lösningen till en separationstratt och tillsätt dietyleter (5 ml).
  6. Tvätta det organiska skiktet genom användning av protokollet som beskrivits tidigare med en vattenhaltig lösning av natriumtiosulfat, vatten och saltlösning, och sedan torka över magnesiumsulfat. Koncentrera lösningen för erhållande av Barbier produkt. Produkten kan identifieras med GCMS och 1 H-NMR. 28

Representative Results

Figur 1 illustrerar samarium Barbier reaktionen. Utan tillsatser Sm-medierad reaktion tar 72 timmar, vilket gav 69% av den önskade produkten med de återstående är utgångsmaterialen. Med tillsats av 10 eller mer ekv. HMPA reaktionen är nästan kvantitativ och fullständig inom några minuter. 15,23 Med tillsats av 1 mol-% Ni (acac) 2, är reaktionen fullbordad inom 15 minuter, med en 97%-igt utbyte. 28

När HMPA läggs till SMI 2, samlösningsmedlet förskjuter samordnade THF att bilda SMI 2 - (HMPA) 4. Med tillägg av ännu mer HMPA (6-10 ekv.), Är jodidjoner förskjutna till den yttre sfären (figur 2). 19-21 Mekanistiska studier indikerar att när HMPA används i Sm-Barbier reaktion samlösningsmedlet också interagerar med alkylhalogeniden substratet bildar ett komplex som förlänger kol-halogenid-bindning, aktivering av species gör det mer mottagligt för reduktion av Sm (figur 3). Genom denna detaljerad förståelse av roller HMPA, en mekanism för Sm-Barbier reaktion med HMPA föreslogs (Figur 4). 23 Den alkylhalogenid-HMPA komplex som bildas i en pre-jämvikt steg minskas med Sm / HMPA att bilda radikal i det hastighetsbestämmande steget. Radikalen genomgår ytterligare minskning för att bilda en organosamarium arter som kopplar med karbonyl och vid protonering ger den slutliga produkten.

I fallet av Ni (II) tillsats, minskar Smi 2 initialt Ni (II) till Ni (0) företrädesvis över reduktion av endera av substraten. Baserat på kinetiska och mekanistiska studier följande mekanism föreslogs (Figur 5). 28 Efter reduktion med SMI 2, den lösliga Ni (0) arter införs i den alkylhalogenid band som bildar en organonickel art. Driven av den mycket oxofilt natur Sm (III) , Transmetallering att bilda en mellanprodukt organosamarium släpper Ni (II) tillbaka in i den katalytiska cykeln. Den organosamarium sedan kopplar med karbonyl, och vid protonering bildar den önskade tertiära alkoholen. Det observerades också att Ni (0) nanopartiklar bildas genom Sm-medierad reduktion av Ni (II), men dessa partiklar befanns vara inaktiv och källan av deaktivering av katalysatorn.

Figur 1
Figur 1. Samarium Barbier reaktion med iodododecane och 3-pentanon.

Figur 2
Figur 2. SMI 2-HMPA komplex.

ontent "fo: keep-together.within-page =" alltid "> Figur 3
Figur 3. HMPA och alkyljodid komplex.

Figur 4
Figur 4. Föreslagen mekanism för samarium Barbier reaktion med överskott HMPA.

Figur 5
Figur 5. Föreslagen mekanism för samarium Barbier reaktion innehållande katalytisk Ni (II).

Discussion

En enkel procedur för att generera SMI 2-lösning och dess tillämpning i organisk syntes med två av de vanligaste tillsatserna presenteras här. De två beskrivna exemplen skildrar betydelsen av mekanistisk förståelse av reaktionen att finjustera reaktiviteten av SMI 2. Kunskap om underbyggande av reaktionsmekanismen tillåter användning av detta reagens anpassas med syntetiska kemister enligt kraven i deras reaktion.

Denna enda elektron homogena reduktionsmedel är lätt att hantera och kan köpas från kommersiella källor. Även om ovanstående protokollet är rakt fram när det görs under inerta betingelser, några av de vanligaste felsökning är: (a) se till att THF ordentligt avgasas och torr, (b) om Sm metall har haft långvarig exponering för luft kan ha en oxiderat utanför lagret, slipa metallen med en mortel och pestal att exponera ren metallyta, (c)flam-torr hela glasvaror och kyl under argon (d) argon föredragen inert atmosfär över kväve, eftersom det senare har visat sig interagera med metallen, (e) närvaro av överskott Sm-metall bidrar till att upprätthålla koncentrationen av SMI 2, (f) resublime de jodkristaller.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgements

RAF tackar National Science Foundation (CHE-0.844.946) för att stödja detta arbete.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Samarium metal Acros 29478-0100 -40 mesh, 99.9% (metals basis)
THF OmniSolv TX0282-1 Purified through Innovative Technologies solvent purification system. Alternatively it can be degassed through free-pump-thaw method
Iodine Alfa Aesar 41955-22 Resublimed crystals, 99.8%
Iodododecane Acros 25009-0250 98%
3-pentanone Alfa Aesar AAA15297-AE 99%
HMPA Alderich H11602 98%; distill from CaO under Argon
NiI2 Alfa Aesar 22893 99.5% (metals basis)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Girard, P., Namy, J. L., Kagan, K. B. Divalent lanthanide derivatives in organic synthesis. 1. Mild preparation of samarium iodide and ytterbium iodide and their use as reducing or coupling agents. J. Am. Chem. Soc. 102, 2693-2698 (1980).
  2. Szostak, M., Spain, M., Procter, D. J. Preparation of samarium(II) iodide: quantitative evaluation of the effect of water, oxygen, and peroxide content, preparative methods, and activation of samarium metal. J. Org. Chem. 77, 3049-3053 (2012).
  3. Procter, D. J., Flowers, R. A., Skrydstrup, T. Organic synthesis using samarium diiodide: a practical guide. Royal Society of Chemistry Publishing. U.K. (2010).
  4. Nicolaou, K. C., Ellery, S. P., Chen, J. S. Samarium diiodide mediated reactions in total synthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7140-7165 (2009).
  5. Flowers, R. A., Prasad, E. Handbook on the physics and chemistry of rare earths. 36, Elsevier. Amsterdam. 393-473 (2006).
  6. Edmonds, D. J., Johnston, D., Procter, D. J. Samarium(II)-iodide-mediated cyclizations in natural product synthesis. Chem. Rev. 104, 3371-3403 (2004).
  7. Kagan, H. B. Twenty-five years of organic chemistry with diiodosamarium: an overview. Tetrahedron. 59, 10351-10372 (2003).
  8. Steel, P. G. Recent developments in lanthanide mediated synthesis. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2727-2884 (2001).
  9. Molander, G. A., Harris, C. R. Sequencing reactions with samarium(II) iodide. Chem. Rev. 96, 307-338 (1996).
  10. Molander, G. A., Harris, C. R. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Tandem intramolecular nucleophilic acyl substitution/intramolecular Barbier cyclizations. J. Am. Chem. Soc. 117, 3705-3716 (1995).
  11. Molander, G. A. Application of lanthanide reagents in organic synthesis. Chem. Rev. 92, 29-68 (1992).
  12. Souppe, J., Danon, L., Namy, J. L., Kagan, K. B. Some organic-reactions promoted by samarium diiodide. J. Organometal. Chem. 250, 227-236 (1983).
  13. Flowers, R. A. II Mechanistic studies on the roles of cosolvents and additives in samarium(II)-based reductions. Synlett. 10, 1427-1439 (2008).
  14. Hutton, T. K., Muir, K., Procter, D. J. Samarium(II)-mediated reactions of gamma, delta-unsaturated ketones. Cyclization and fragmentation processes. Org. Lett. 4, 2345-2347 (2002).
  15. Miller, R. S., et al. Reactions of SmI2 with alkyl halides and ketones: inner-sphere vs outer-sphere electron transfer in reactions of Sm(II) reductions. J. Am. Chem. Soc. 122, 7718-7722 (2000).
  16. Ito, Y., Takahashi, K., Nagase, H., Honda, T. Integral stereocontrolled synthesis of a spiro-norlignan, sequosempervirin A: revision of absolute configuration. Org. Lett. 13, 4640-4643 (2011).
  17. Molander, G. A., et al. Toward the total synthesis of Variecolin. Org. Lett. 3, 2257-2260 (2001).
  18. Shabangi, M., Flowers, R. A. II Electrochemical investigation of the reducing power of SmI2 in THF and the effect of HMPA cosolvent. Tetrahedron Lett. 38, 1137-1140 (1997).
  19. Enenaerke, R. J., Hertz, T., Skrydstrup, T., Daasbjerg, K. Evidence for ionic samarium(II) species in THF/HMPA solution and investigation of Their electron-donating properties. Chem. Eur. J. 6, 3747-3754 (2000).
  20. Hou, Z., Zhang, Y., Wakatsuki, Y. Molecular structures of HMPA-coordinated samarium(II) and ytterbium(II) iodide complexes. A structural basis for the HMPA effects in SmI2-promoted reactions. Bull. Chem. Soc. Jpn. 70, 149-153 (1997).
  21. Hou, Z., Wakatsuki, Y. Isolation and x-ray structures of the hexamethylphosphoramide (hmpa)-coordinated lanthanide(II) diiodide complexes [SmI2(hmpa)4] and [Yb(hmpa)4(thf)2]I2. J. Chem. Soc., Chem Commun. 10, 1205-1206 (1994).
  22. Sadasivam, D. V., Antharjanam, P. K. S., Prasad, E., Flowers, R. A. II Mechanistic study of samarium diodide-HMPA initiated 5-exo-trig ketyl-Olefin coupling: the role of HMPA in post-electron transfer steps. J. Am. Chem. Soc. 130, 7228-7229 (2008).
  23. Choquette, K. A., Sadasivam, D. V., Flowers, R. A. II Uncovering the mechanistic role of HMPA in the samarium Barbier reaction. J. Am. Chem. Soc. 132, 17396-17398 (2010).
  24. Molander, G. A., Huérou, V. L., Brown, G. A. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Sequential intramolecular Barbier byclization/Grob fragmentation for the synthesis of medium-sized carbocycles. J. Org. Chem. 66, 4511-4516 (2001).
  25. Molander, G. A., Köllner, C. Development of a protocol for eight- and nine-membered ring synthesis in the annulation of sp2,sp3-hybridized organic dihalides with keto ester. J. Org. Chem. 65, 8333-8339 (2000).
  26. Molander, G. A., Alonso-Alija, C. Sequenced reactions with samarium(II) iodide. Sequential intermolecular carbonyl addition/intramolecular nucleophilic acyl substitution for the preparation of seven-, eight-, and nine-membered carbocycles. J. Org. Chem. 63, 4366-4373 (1998).
  27. Machrouhi, F., Hamann, B., Namy, J. L., Kagan, K. B. Improved reactivity of diiodosamarium by catalysis with transition metal salts. Synlett. 7, 633-634 (1996).
  28. Choquette, K. A., Sadasivam, D. V., Flowers, R. A. II Catalytic Ni(II) in reactions of SmI2: Sm(II)- or Ni(0)- based chemistry? J. Am. Chem. Soc. 133, 10655-10661 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats