Forberedelse og bruk av Samarium Diiodide (SMI

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

Summary

En grei prosedyre for utarbeidelse av samarium diiodide (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

Selv om utgangspunktet ansett som en esoterisk reagens, har SMI 2 bli et felles verktøy for syntetiske organiske kjemikere. SMI 2 er generert gjennom tilsetning av molekylær jod til samarium metall i THF. 1,2-3 Det er en mild og selektiv ett elektron reduksjonsmiddel og dens allsidighet er et resultat av dens evne til å sette i gang en rekke reduksjoner inkludert CC bond- forming og cascade eller sekvensielle reaksjoner. SMI 2 kan redusere en rekke funksjonelle grupper, inkludert sulfoksyder og sulfoner, fosfin oksyder, epoksider, alkyl-og aryl-halogenider, karbonyler, og konjugerte dobbeltbindinger. 2-12 En av de fascinerende funksjonene SMI-2-medierte reaksjoner er evnen til manipulere utfallet av reaksjoner gjennom den selektive bruk av koløsningsmidler eller tilsetningsstoffer. I de fleste tilfeller, tilsetningsstoffer er avgjørende å kontrollere frekvensen av reduksjon og de ​​kjemo-eller stereoselectivity av reaksjoner. 13-14 Tilsetningsstoffer commonly utnyttet for å fininnstille reaktivitet SMI 2 kan deles inn i tre hovedgrupper: (1) Lewis baser (HMPA, andre elektron-giver ligander, chelaterende etere, osv.), (2) proton kilder (alkoholer, vann etc. ), og (3) uorganiske additiver (Ni (ACAC) 2, 3 FeCl, etc). 3

Forstå mekanismen av SMI 2 reaksjoner og rollen tilsetningsstoffene gjør utnyttelse av det fulle potensialet av reagensen i organisk syntese. Sm-Barbier reaksjonen valgt å illustrere den syntetiske betydning og mekanistisk rolle to vanlige tilsetningsstoffer: HMPA og Ni (II) i denne reaksjon. Sm-Barbier reaksjon er lik den tradisjonelle Grignard reaksjon med den eneste forskjellen er at den alkylhalogenid, karbonyl, og Sm reduksjonsmiddel blandes samtidig i en pott. 1,15 Eksempler på Sm-medierte Barbier reaksjoner med en rekke koblingsdelene partnere er rapportert, 1,3,7,10,12 og har vært utilized i viktigste trinnene i syntesen av store naturlige produkter. 16,17 Tidligere studier på effekten av tilsetningsstoffer på SMI 2 reaksjoner har vist at HMPA forbedrer reduksjonspotensial på SMI 2 ved å koordinere til samarium metall sentrum, produsere en mer kraftfull, 13-14,18 sterisk beheftet reduksjonsmiddel 19-21 og i noen tilfeller spiller en vesentlig rolle i post elektron-transfer trinnene tilrettelegge påfølgende binding-dannende hendelser. 22 I Sm-Barbier reaksjon har HMPA vist å tillegg aktivere alkylhalogenid ved å danne et kompleks i en pre-likevekt trinn. 23

Ni (II) salter er en katalytisk tilsetningsstoff som brukes ofte i Sm-medierte transformasjoner. 24-27 Skjønt kritisk for suksess ble det mekanistiske rollen Ni (II) ikke kjent i disse reaksjonene. Nylig har det blitt vist at SMI 2 reduserer Ni (II) til Ni (0), og reaksjonen blir så utført gjennom organometallic Ni (0) kjemi. 28

Disse mekanistiske studier markere at selv om den samme Barbier produkt oppnås, bruk av forskjellige additiver i SMI 2 reaksjonen drastisk endrer den mekanistiske vei av reaksjonen. Protokollen for å kjøre disse SMI 2-initierte reaksjoner er beskrevet.

Protocol

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

  1. Flamme tørke en 50 ml rundbunnet kolbe og skylle den med argon. Legg en rørepinne og dekke kolben med septa. Vei opp samarium metall (0,2 g, 1,3 mmol) og tilsett til kolbe, igjen spyle kolben med argon.
  2. Tilsett 10 ml tørr, grundig avgasset tetrahydrofuran (THF) etterfulgt av jod krystaller (0,254 g, 2,0 mmol). Legg til en argon ballong gjennom septum, dette holder et positivt trykk på Ar atmosfære på reaksjonen.
  3. Omrør løsningen kraftig ved romtemperatur i over 3 timer. Som SMI 2 genereres løsningen passerer gjennom en rekke fargeendringer, oransje etterfulgt av gul (45 min), og grønn (1 t) som til slutt blir til blått.
  4. Den endelige marineblå fargen er indikasjon på at enkeltvis ionisert samarium har dannet. For å sikre full konvertering, røres løsningen i minst 3 timer før bruk SMI 2 i syntese.

2. Samarium Barbier Reaction-heksametylfosforamid (HMPA) Tilsetting

  1. For å gjøre SMI 2-HMPA komplekset, ta tilberedes SMI 2 under argon (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol) og tilsett 1,75 ml HMPA (10 ekv., 10 mmol) via en sprøyte, dråpevis, under argon. En dyp lilla farge former.
  2. Separat i en ren, tørr ampulle under argon, add iodododecane (0,45 mmol, 110 ul), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 ul) og 2 ml tørket THF.
  3. Legg substratløsningen blandingen dråpevis til den SMI 2 / HMPA komplekset.
  4. Innen 5 min av omrøring, vil purpurfargen begynner å se skyet, indikerer slutten av reaksjonen.
  5. Etter at reaksjonen er fullført, utsettes løsningen til luft for å slukke den, ved omrøring fargen ytterligere endringer til gul.
  6. Reaksjonen blir deretter opparbeidet ved vasking med mettet, vandig ammoniumklorid. Legg løsningen til en skilletrakt og tilsett dietyleter (5 ml). Etter kraftig risting fjerneøverste organiske lag, tilsett mer dietyleter. Ekstrakt fra det vandige lag to ganger og deretter kombinere alle de organiske lag.
  7. Vask det organiske lag med en mettet løsning av vandig natriumtiosulfat. Fjerner bunnen vandige lag, etterfulgt av vask med vann og deretter siste vask med saltvann. Innhent øverste organiske lag og legge magnesiumsulfat for å trekke opp siste mengde vann som foreligger i løsningen.
  8. Passere løsningen gjennom en plugg av Florisil for å fjerne overskudd HMPA.
  9. Konsentrer løsningen på en rotasjonsfordamper for å oppnå Barbier produkt. Produktet ble identifisert ved GCMS og 1 H NMR. 23

3. Samarium Barbier Reaction-Ni (ACAC) 2 Catalyst

  1. Vei opp Ni (ACAC) 2 (1 mol%, 0,01 mmol, 0,0026 g) og legge til en ren, tørr hetteglass med 3 ml avgasset THF, under argon. Legg Ni (ACAC) 2-løsning gjennom en sprøyte til en nylaget solution 0,1 M SMI 2 (1,0 mmol, 10 ml).
  2. Separat i en ren, tørr ampulle under argon, add iodododecane (0,45 mmol, 110 ul), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 ul) og 2 ml tørket THF.
  3. Legg substratløsningen dråpevis til den SMI 2 / Ni blanding.
  4. Innen femten minutters omrøring, vil den blå fargen spre å danne en gul-grønn farge som angir avslutningen av reaksjonen.
  5. Etter at reaksjonen er fullført, utsettes løsningen til luft for å slukke den, ved omrøring fargen ytterligere endringer til gul. Opparbeide reaksjonen ved vasking med 0,1 M aq. Saltsyre (3 ml). Legg løsningen til en skilletrakt og tilsett dietyleter (5 ml).
  6. Vask det organiske lag ved å bruke protokollen beskrevet tidligere med en vandig oppløsning av natriumtiosulfat, vann og saltvann, og tørk over magnesiumsulfat. Konsentrere løsning for å framskaffe Barbier produkt. Produktet kan identifiseres ved GCMS og 1 H NMR. 28

Representative Results

Figur 1 illustrerer samarium Barbier reaksjonen. Uten tilsetninger Sm-mediert reaksjon finner 72 hr; ettergivende 69% av det ønskede produkt med de resterende blir utgangsmaterialer. Med tillegg av 10 eller mer ekv. av HMPA reaksjonen er nesten kvantitativt, og komplett i løpet av få minutter. 15,23 Med tillegg av 1 mol% Ni (ACAC) 2, er reaksjonen fullført i løpet av 15 min, med et 97% utbytte. 28

Når HMPA tilsettes 2 SMI, de kosolvent forskyver koordinert THF for å danne 2 - (SMI HMPA) 4. Med tillegg av ytterligere HMPA (6-10 ekv.), Blir jodidet ioner forskyves til den ytre sfære (Figur 2). 19-21 Mekanistiske studier indikerer at når HMPA brukes i Sm-Barbier reaksjon kosolvent også samhandler med alkylhalogenid substrat danner et kompleks som elongates karbon-halogenidet binding, aktivering species gjør det mer utsatt for reduksjon ved Sm (figur 3). Gjennom denne detaljert forståelse av rollene HMPA, en mekanisme for Sm-Barbier reaksjon med HMPA ble foreslått (Figur 4) 23. Alkylhalogenid-HMPA kompleks dannet i en pre-likevekt trinn reduseres med Sm / HMPA å danne radikal i prisen bestemme trinn. Radikalet gjennomgår ytterligere reduksjon for å danne en organosamarium arter som par med karbonyl og ved protonering gjev sluttproduktet.

I tilfelle av Ni (II) additiv, reduserer SMI 2 utgangspunktet Ni (II) til Ni (0) fortrinnsvis i reduksjon av enten av substratene. Basert på kinetiske og mekanistiske studier følgende mekanisme ble foreslått (figur 5). 28 etter reduksjon av SMI 2, det oppløselige Ni (0) arter settes inn i alkylhalogenid bindingen danner en organonickel arter. Drevet av den svært oxophilic natur Sm (III) , Transmetallation å danne en organosamarium mellomprodukt utgivelser Ni (II) tilbake i katalytiske syklus. Den organosamarium deretter par med karbonyl, og ved protonering danner ønskede tertiære alkohol. Det ble også observert at Ni (0) nanopartikler dannes gjennom Sm-mediert reduksjon av Ni (II), men disse partiklene ble funnet å være inaktiv og kilden av deaktivering av katalysatoren.

Figur 1
Figur 1. Samarium Barbier reaksjon med iodododecane og 3-pentanon.

Figur 2
Figur 2. SMI 2-HMPA kompleks.

ontent "fo: keep-together.within-page =" always "> Figur 3
Figur 3. HMPA og alkyljodid kompleks.

Figur 4
Figur 4. Foreslått mekanisme for samarium Barbier reaksjon med overflødig HMPA.

Figur 5
Figur 5. Foreslått mekanisme for samarium Barbier reaksjonen inneholdende katalytisk Ni (II).

Discussion

En grei prosedyre for å generere SMI 2 løsning og dens anvendelse i organisk syntese med to av de vanligste tilsetningsstoffene er presentert her. De to beskrevne eksempler skildre viktigheten av mekanistisk forståelse av reaksjonen for å fininnstille reaktivitet SMI 2. Kunnskap om understøttelsen av reaksjonsmekanismen tillater bruken av denne reagensen som skal tilpasses ved syntetiske kjemikere i henhold til kravene for deres reaksjon.

Dette enkelt elektron homogen reduksjonsmiddel er enkel å håndtere og kan kjøpes fra kommersielle kilder. Mens de ovennevnte protokoll er rett frem når det gjøres under inerte forhold, noen av de vanligste feilsøkingsprosedyrer er: (a) sørge for at THF er riktig avgasset og tørr, (b) hvis Sm metall har hatt langvarig eksponering til luft det kunne ha en oksidert utenfor laget, slipe metall med en morter og pestal å eksponere ren metalloverflate, (c)flamme-tørke all glassartikler og kjølig under argon, (d) argon foretrekkes inert atmosfære over Nitrogen, som senere har vist seg å samhandle med metall, (e) nærvær av overskudd Sm-metall bidrar til å opprettholde konsentrasjonen av SMI 2, (f) resublime jod krystaller.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgements

RAF takker National Science Foundation (CHE-0844946) for støtte i dette arbeidet.

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