Fremstilling og anvendelse af Samarium Diiodide (SMI

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

Summary

En enkel fremgangsmåde til fremstilling af 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

Selvom oprindeligt betragtet som en esoterisk reagens, har SMI 2 blevet et fælles redskab til syntetiske organiske kemikere. SMI 2 frembringes ved tilsætning af molekylært iod og samarium metal i THF. 1,2-3 Det er en mild og selektiv enkelt elektron reduktionsmiddel og dens alsidighed er et resultat af dens evne til at initiere en lang række reduktioner herunder CC binding- formning og kaskade eller sekventielle reaktioner. SMI 2 kan reducere en række forskellige funktionelle grupper, herunder sulfoxider og sulfoner, phosphinoxider, epoxider, alkyl-og arylhalogenider, carbonyler, og konjugerede dobbeltbindinger. 2-12 En af de fascinerende træk ved SMI-2-medierede reaktioner er evnen til at manipulere resultatet af reaktionerne ved selektiv anvendelse af co-opløsningsmidler eller additiver. I de fleste tilfælde er tilsætningsstoffer afgørende i at kontrollere den nedsættelsessats og den kemo-eller stereoselektivitet af reaktioner. 13-14 Tilsætningsstoffer commonly udnyttes til at finjustere reaktiviteten af SMI 2 kan inddeles i tre hovedgrupper: (1) Lewis-baser (HMPA, andre elektrondonorforbindelser ligander, chelateringsmidler ethere, osv.), (2) proton-kilder (alkoholer, vand osv. ), og (3) uorganiske additiver (Ni (acac) 2, FeCl3 osv.). tre

Forståelse af mekanismen af SMI 2 reaktioner og rollen af additiverne muliggør udnyttelse af det fulde potentiale af reagenset i organisk syntese. The Sm-Barbier reaktionen vælges til at illustrere syntetiske betydning og mekanistisk rolle to almindelige additiver: HMPA og Ni (II) ved denne reaktion. The Sm-Barbier reaktion svarer til den traditionelle Grignard-reaktionen med den eneste forskel er, at den alkylhalogenid, carbonyl, og Sm reduktionsmiddel blandes samtidigt i en gryde. 1,15 Eksempler på Sm-medierede Barbier reaktioner med en række koblingsmidler partnere er blevet rapporteret, 1,3,7,10,12 og er blevet utilized i vigtige trin af syntesen af store naturlige produkter. 16,17 Tidligere undersøgelser af virkningen af tilsætningsstoffer på SMI 2 reaktioner har vist, at HMPA øger reduktionspotentiale SMI 2 ved at koordinere med samarium metalcenter, der producerer en mere kraftfuld, 13-14,18 sterisk belastet reduktant 19-21 og i nogle tilfælde spiller en integrerende rolle i post elektron-overførsel trin letter efterfølgende bindingsdannende begivenheder. 22 I Sm-Barbier reaktion har HMPA vist sig yderligere aktivere alkylhalogenid ved dannelse af et kompleks i et forud ligevægt trin. 23

Ni (II) salte er et katalytisk additiv, der anvendes hyppigt i Sm-medierede transformationer. 24-27 Selvom kritisk for succes blev mekanistisk rolle Ni (II) ikke er kendt i disse reaktioner. For nylig er det blevet vist, at SMI 2 reducerer Ni (II) til Ni (0), og reaktionen udføres derefter gennem organomemetalliske Ni (0) kemi. 28

Disse mekanistiske undersøgelser understrege, at selv om den samme Barbier produkt opnås, anvendelsen af forskellige additiver i SMI 2 reaktionen drastisk ændrer den mekanistiske reaktionsvej af reaktionen. Protokollen for at køre disse SMI 2-igangsat reaktioner er beskrevet.

Protocol

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

  1. Flame tørre en 50 ml rundbundet kolbe og skylle den igennem med argon. Tilføje en omrørerstav og dækker kolben med septa. Afvejes samarium metal (0,2 g, 1,3 mmol) og tilsæt til kolben, igen skylle kolben med argon.
  2. Der tilsættes 10 ml tør, grundigt afgasset tetrahydrofuran (THF) efterfulgt af iod-krystaller (0,254 g, 2,0 mmol). Tilføj en argon ballon gennem skillevæggen, hvilket holder et positivt tryk i Ar-atmosfære på reaktionen.
  3. Opløsningen omrøres kraftigt ved stuetemperatur i løbet af 3 timer. Som SMI 2 frembringes opløsningen passerer gennem forskellige farveændringer, orange efterfulgt af gul (45 min), og grøn (1 hr), som til sidst bliver til blå.
  4. Den endelige navy blå farve er tegn på, at enkeltvis ioniseret samarium har dannet. For at sikre en fuldstændig omlægning omrøres opløsning i mindst 3 timer, før du bruger SMI 2 i syntese.

2. SaMarium Barbier Reaktionstrin hexamethylphosphoramid (HMPA) Addition

  1. At gøre SMI 2-HMPA komplekset, tager den frisk fremstillede SMI 2 under argon (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol), og der tilsættes 1,75 ml HMPA (10 ækv., 10 mmol) via en sprøjte dråbevis under argon. En dyb lilla farve former.
  2. Separat i en ren, tør hætteglas under argon, add ioddodecan (0,45 mmol, 110 pi), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 ul) og 2 ml tørret THF.
  3. Tilsættes substratopløsningen blandingen dråbevis til SMI 2 / HMPA komplekset.
  4. Inden for 5 minutters omrøring, vil den lilla farve begynder at se uklar, hvilket angav afslutningen af ​​reaktionen.
  5. Efter at reaktionen er afsluttet, udsættes opløsningen for luft for at standse den, ved omrøring farven yderligere ændringer til gul.
  6. Reaktionsblandingen oparbejdes derefter ved vask med mættet vandig ammoniumchlorid. Tilsæt opløsningen til en skilletragt, og der tilsættes diethylether (5 ml). Efter kraftig omrystning fjernesDet øverste organiske lag, tilføje mere diethylether. Ekstraheres fra det vandige lag to gange mere, og derefter kombinere alle de organiske lag.
  7. Det organiske lag vaskes med en mættet opløsning af vandigt natriumthiosulfat. Fjern det vandige bundlag, efterfulgt af vask med vand og derefter endelig vask med saltvand. Opnå den øverste organiske lag, og der tilsættes magnesiumsulfat at opsuge sidste mængde vand til stede i opløsningen.
  8. Sendes gennem en prop af Florisil for at fjerne overskydende HMPA.
  9. Koncentrere opløsningen på en rotationsfordamper til opnåelse af Barbier produkt. Produktet blev identificeret ved GCMS og 1H NMR. 23

3. Samarium Barbier Reaktionstrin Ni (acac) 2 Katalysator

  1. Afvejes Ni (acac) 2 (1 mol%, 0,01 mmol, 0,0026 g) og tilsæt til en ren, tør hætteglas indeholdende 3 ml afgasset THF under argon. Tilsæt Ni (acac) 2-opløsning gennem en sprøjte til en frisk fremstillet solution 0,1 M SMI 2 (1,0 mmol, 10 ml).
  2. Separat i en ren, tør hætteglas under argon, add ioddodecan (0,45 mmol, 110 pi), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 ul) og 2 ml tørret THF.
  3. Tilsættes substratopløsningen dråbevis til SMI 2 / Ni blanding.
  4. Inden for femten minutters omrøring, vil den blå farve sprede til dannelse af en gul-grøn farve, som indikerer afslutningen af ​​reaktionen.
  5. Efter at reaktionen er afsluttet, udsættes opløsningen for luft for at standse den, ved omrøring farven yderligere ændringer til gul. Oparbejdning af reaktionen ved vask med 0,1 M aq. Saltsyre (3 ml). Tilsæt opløsningen til en skilletragt, og der tilsættes diethylether (5 ml).
  6. Det organiske lag vaskes under anvendelse af protokollen beskrevet tidligere med en vandig opløsning af natriumthiosulfat, vand og saltvand, og derefter tørres med magnesiumsulfat. Koncentrer opløsningen til opnåelse af Barbier produkt. Produktet kan identificeres ved GCMS og 1H NMR. 28

Representative Results

Figur 1 illustrerer samarium Barbier reaktionen. Uden tilsætningsstoffer Sm-medieret reaktion tager 72 timer, hvilket gav 69% af det ønskede produkt med de resterende er udgangsmaterialer. Med tilsætning af 10 eller mere ækv. HMPA reaktionen er næsten kvantitativ og fuldstændig inden for nogle få minutter. 15,23 Med tilføjelsen af 1 mol% Ni (acac) 2, reaktionen er fuldstændig inden for 15 minutter, med en 97% udbytte. 28

Når HMPA tilsættes til SMI 2, de coopløsningsmiddel forskyder koordineret THF at danne SMI 2 - (HMPA) 4. Med tilsætning af endnu flere HMPA (6-10 ækv.), Er iodidioner forskudt til den ydre område (fig. 2). 19-21 Mekanistiske undersøgelser viser, at når HMPA anvendes i Sm-Barbier reaktionen co-opløsningsmidlet interagerer også med alkylhalogenid substrat dannelse af et kompleks, der elongates carbon-halogenid-binding, aktivering af species gør det mere modtagelig for reduktion af Sm (figur 3). Gennem denne detaljeret forståelse af de roller, HMPA, en mekanisme til Sm-Barbier reaktion med HMPA blev foreslået (fig. 4). 23. alkylhalogenid-HMPA kompleks dannet i en for-ligevægt trin reduceres med Sm / HMPA til dannelse af gruppe i det hastighedsbestemmende trin. Den radikale gennemgår yderligere reduktion til dannelse af en organosamarium arter, som par med carbonylgruppen og efter protonering giver det endelige produkt.

I tilfælde af Ni (II) additiv, først SMI 2 reducerer Ni (II) til Ni (0) fortrinsvis i reduktion af nogen af substraterne. Baseret på kinetiske og mekanistiske undersøgelser følgende mekanisme blev foreslået (figur 5). 28 Efter reduktion med SMI 2, arter det opløselige Ni (0) indsættes i alkylhalogenidet obligation danner en organonickel art. Drives af den meget oxofilt karakter Sm (III) , Transmetallering til dannelse af en organosamarium mellemprodukt releases Ni (II) tilbage i den katalytiske cyklus. The organosamarium derefter par med carbonylgruppen, og ved protonering danner det ønskede tertiære alkohol. Det blev også observeret, at Ni (0) nanopartikler dannes ved Sm-medieret reduktion af Ni (II), men disse partikler blev fundet at være inaktiv, og kilden til deaktivering af katalysatoren.

Figur 1
Figur 1.. Samarium Barbier reaktion med ioddodecan-og 3-pentanon.

Figur 2
Figur 2. SMI 2-HMPA komplekset.

NDHOLDET "fo: keep-together.within-page =" altid "> Figur 3
Figur 3. HMPA og alkyliodid kompleks.

Figur 4
Figur 4. Foreslåede metode for samarium Barbier omsætning med overskydende HMPA.

Figur 5
Figur 5. Foreslåede metode for samarium Barbier reaktion indeholdende katalytisk Ni (II).

Discussion

En simpel procedure til generering af SMI 2 løsning og dens anvendelse i organisk syntese under anvendelse af to af de mest almindelige tilsætningsstoffer er præsenteret her. De to beskrevne eksempler afbilder betydningen af mekanistisk forståelse af reaktionen for at finjustere reaktiviteten af SMI 2. Kendskab til underbygning af reaktionsmekanismen tillader anvendelse af dette reagens kan tilpasses ved syntetiske kemikere pr kravene i deres reaktion.

Denne ene elektron homogen reduktant er let at håndtere og kan købes fra kommercielle kilder. Mens ovenstående protokol er ligetil, når det gøres under inerte betingelser, nogle af de fælles fejlfindingsprocedurer er: (a) at sikre, at THF er korrekt afgasset og tør, (b) hvis Sm metal har haft langvarig udsættelse for luft det kunne have en oxideret ydre lag, metallet slibe med en morter og pestal at blotlægge ren metaloverflade, (c)flamme-tørre alt glasudstyr og afkøles under argon, (d) argon foretrækkes inert atmosfære i forhold til nitrogen, som senere har vist sig at interagere med metallet, (e) Tilstedeværelsen af ​​overskydende Sm-metal er med til at holde koncentrationen af ​​SMI 2 (f) resublime iod-krystaller.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgements

RAF takker National Science Foundation (CHE-0.844.946) til støtte for dette arbejde.

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