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Chimie

Preparazione ed uso di samario diioduro (SMI<sub> 2</sub>) Nella sintesi organica: il ruolo meccanicistico di HMPA e Ni (II) sali nella reazione Samario Barbier

Published: February 04, 2013
doi:
10.3791/4323
, ,
1Department of Chemistry,Lehigh University

Summary

Una procedura semplice per la preparazione di samario diioduro (SMI<sub> 2</sub>) In THF viene descritto. Il ruolo dei due principali additivi cioè esametilfosforammide (HMPA) e Ni (acac)<sub> 2</sub> In Sm reazioni mediate è dimostrato nella Sm-Barbier reazione.

Abstract

Anche se inizialmente considerato un reagente esoterico, SMI 2 è diventato uno strumento comune per i chimici organici sintetici. SMI 2 viene generata mediante l'aggiunta di iodio molecolare di samario metallico in THF. 1,2-3 È un riducente delicato e selettivo singolo elettrone e la sua versatilità è il risultato della sua capacità di avviare una vasta gamma di riduzioni comprese legame CC- formatura e cascata o reazioni sequenziali. SMI 2 può ridurre una varietà di gruppi funzionali inclusi solfossidi e solfoni, ossidi di fosfina, epossidi, alogenuri alchilici ed arilici, carbonili, e doppi legami coniugati. 2-12 Una delle caratteristiche affascinanti Smi-2-mediate reazioni è la capacità di manipolare il risultato di reazioni attraverso l'uso selettivo di cosolventi o additivi. Nella maggior parte dei casi, gli additivi sono essenziali nel controllo del tasso di riduzione e le reazioni chemio-o stereoselettività. 13-14 additivi commonly utilizzato per ottimizzare la reattività di SMI 2 possono essere classificati in tre gruppi principali: (1) basi di Lewis (HMPA, altri donatori di elettroni leganti chelanti, eteri, ecc), (2) fonti protonica (alcoli, acqua, ecc ), e (3) additivi inorganici (Ni (acac) 2, FeCl 3, etc). 3

Comprendere il meccanismo di SMI 2 reazioni e il ruolo degli additivi permette l'utilizzo di tutte le potenzialità del reagente nella sintesi organica. La Sm-Barbier reazione viene scelta per illustrare l'importanza sintetica e ruolo meccanicistico di due additivi comuni: HMPA e Ni (II) in questa reazione. La Sm-Barbier reazione è simile alla reazione di Grignard tradizionale con l'unica differenza che l'alogenuro alchilico, carbonile, e riducente Sm sono miscelati simultaneamente in una pentola. 1,15 Esempi di Sm reazioni mediate Barbier con una serie di partner di accoppiamento Sono stati riportati, 1,3,7,10,12 e sono stati utilized in fasi chiave della sintesi di grandi prodotti naturali. 16,17 Precedenti studi sugli effetti di additivi su SMI due reazioni hanno dimostrato che HMPA aumenta il potenziale di riduzione di SMI 2 coordinando al metallo samario centro, producendo un più potente, 13-14,18 stericamente ingombro riducente 19-21 e in alcuni casi, che svolgono un ruolo fondamentale nel post-elettronico di trasferimento di facilitare i passaggi successivi legame che formano gli eventi. 22 Nella Sm-Barbier reazione, HMPA ha dimostrato di attivare ulteriormente l'alogenuro alchilico formando un complesso in una fase di pre-equilibrio. 23

Ni (II) sali sono un additivo catalitico utilizzato frequentemente in Sm-mediata trasformazioni. Anche se fondamentale per il successo 24-27, il ruolo meccanicistico di Ni (II) non era conosciuto in queste reazioni. Recentemente è stato dimostrato che SMI 2 riduce Ni (II) di Ni (0), e la reazione viene effettuata mediante organomenon metalliche Ni (0) chimica 28.

Questi studi meccanicistici sottolineare che anche se il prodotto è ottenuto Barbier stessa, l'uso di additivi diversi nella reazione 2 SMI altera drasticamente il percorso meccanicistica della reazione. Il protocollo per l'esecuzione di questi SMI 2-avviate reazioni è descritto.

Protocol

1. Sintesi di SMI 2 (0,1 M) Fiamma asciugare da 50 ml a fondo rotondo pallone ea filo con argon. Aggiungere una barra di agitazione e coprire il pallone con setti. Pesare samario in metallo (0,2 g, 1.3 mmol) e aggiungere al pallone, il pallone di nuovo lavaggio con argon. Aggiungere 10 ml secco, accuratamente degasata tetraidrofurano (THF), seguita da cristalli di iodio (0,254 g, 2,0 mmol). Aggiungere un palloncino argon attraverso il setto, ciò mantiene una pressione positiva di atmosfera di Ar sulla reazione. Agitare vigorosamente la soluzione a temperatura ambiente per più di 3 ore. Come SMI 2 viene generata la soluzione passa attraverso una serie di variazioni di colore arancio, seguito dal giallo (45 min), e verde (1 ora), che alla fine si trasforma in blu. La finale navy colore blu indica che è ionizzato samario si è formata. Al fine di garantire completa conversione, agitare la soluzione per almeno 3 ore prima di utilizzare SMI 2 in sintesi. 2. SaMarium Barbier-reazione esametilfosforammide (HMPA) aggiunta Per rendere il 2-HMPA SMI complesso, prendere l'preparata sotto argon SMI 2 (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol) e aggiungere 1,75 ml di HMPA (10 equiv., 10 mmoli) mediante una siringa, goccia a goccia, sotto argon. Si forma un profondo colore porpora. Separatamente in un ambiente pulito, asciutto fiala sotto argon, add iodododecane (0,45 mmol, 110 microlitri), 3-pentanone (0,45 mmol, 48 microlitri) e 2 ml di THF secco. Aggiungere la miscela di soluzione di substrato goccia a goccia alla 2 / HMPA complesso smi. Entro 5 minuti di agitazione, il colore viola inizierà ad apparire opaca, che indica la fine della reazione. Dopo che la reazione è completa, la soluzione esporre all'aria a spegnerlo; upon mescolando i cambiamenti di colore giallo ulteriori. La reazione viene quindi lavorata mediante lavaggio con cloruro di ammonio acquoso saturo. Aggiungere la soluzione in un imbuto separatore e aggiungere dietiletere (5 ml). Dopo agitazione vigorosa rimuoverelo strato superiore organico, aggiungere più dietiletere. Estrarre dallo strato acquoso altre due volte e quindi combinare tutti gli strati organici. Lavare la fase organica con una soluzione satura di tiosolfato di sodio acquoso. Rimuovere lo strato inferiore acquoso, seguito da lavaggio con acqua e lavaggio finale con soluzione salina. Ottenere lo strato superiore organico e aggiungere solfato di magnesio per assorbire qualsiasi quantità di acqua presente ultima nella soluzione. Filtrare la soluzione attraverso un tappo di Florisil al fine di rimuovere l'eccesso HMPA. Concentrare la soluzione su un evaporatore rotativo per ottenere Barbier prodotto. Il prodotto è stato identificato da GCMS e 1 H NMR. 23 3. Barbier samario di reazione-Ni (ACAC) 2 Catalyst Pesare Ni (ACAC) 2 (1% mol, 0,01 mmol, 0,0026 g) e aggiungere ad un ambiente pulito, asciutto fiala contenente 3 ml di THF degasata, sotto argon. Aggiungere l'(acac) 2 Ni soluzione attraverso una siringa ad una s preparataoluzione di 0,1 M SMI 2 (1,0 mmol, 10 ml). Separatamente in un ambiente pulito, asciutto fiala sotto argon, add iodododecane (0,45 mmol, 110 microlitri), 3-pentanone (0,45 mmol, 48 microlitri) e 2 ml di THF secco. Aggiungere la soluzione di substrato goccia a goccia alla SMI 2 / miscela Ni. Entro quindici minuti di agitazione, il colore blu dissipare per formare un colore giallo-verde che indica la fine della reazione. Dopo che la reazione è completa, la soluzione esporre all'aria a spegnerlo; upon mescolando i cambiamenti di colore giallo ulteriori. Lavorare la reazione lavando con 0,1 M aq. Acido cloridrico (3 ml). Aggiungere la soluzione in un imbuto separatore e aggiungere dietiletere (5 ml). Lava lo strato organico usando il protocollo descritto in precedenza, con una soluzione acquosa di tiosolfato di sodio, acqua e salamoia, quindi essiccare su solfato di magnesio. Concentrare la soluzione per ottenere Barbier prodotto. Il prodotto può essere identificato mediante GCMS e 1 H NMR. 28 </sup>

Representative Results

La figura 1 illustra la reazione samario Barbier. Senza additivi la Sm-mediata reazione avviene 72 ore, ottenendo 69% del prodotto desiderato con i rimanenti essendo materiali di partenza. Con l'aggiunta di 10 o più equiv. HMPA di reazione è quasi quantitativa e completa in pochi minuti. 15,23 Con l'aggiunta di 1% molare Ni (acac) 2, la reazione è completa in 15 min, con una resa del 97%. 28 Quando HMPA si aggiunge alla SMI 2, le sposta cosolvente il THF coordinato per formare SMI 2 – (HMPA) 4. Con l'aggiunta di ancora più HMPA (6-10 equiv.), Gli ioni ioduro sono spostati alla sfera esterna (Figura 2). 19-21 studi meccanicistici indicano che quando HMPA viene utilizzato nel Sm-Barbier reazione del cosolvente interagisce anche con il substrato formando un alogenuro alchilico complesso che allunga il legame carbonio-alogenuro, attivando il species rendendola più soggetta a riduzione Sm (Figura 3). Attraverso questa comprensione dettagliata dei ruoli di HMPA, un meccanismo per la Sm-Barbier reazione con HMPA stato proposto (Figura 4). 23 L'alogenuro alchilico-HMPA complesso formato in un pre-equilibrio passo è ridotta Sm / HMPA per formare l' radicale lo stadio cineticamente. Il radicale subisce ulteriore riduzione per formare una specie organosamarium che si accoppia con il carbonile e su protonazione rese il prodotto finale. Nel caso di Ni (II) additivo, SMI 2 riduce inizialmente Ni (II) al Ni (0) preferenzialmente rispetto alla riduzione di uno dei substrati. Sulla base di studi cinetici e meccanicistici il seguente meccanismo è stato proposto (Figura 5) 28. Dopo la riduzione da SMI 2, il Ni solubile (0) inserisce nella specie il legame alogenuro alchilico formando una specie organonickel. Spinto dalla natura altamente oxophilic di Sm (III) , Transmetallazione per formare un intermedio organosamarium comunicati Ni (II) nel ciclo catalitico. Il organosamarium poi coppia con il carbonile, e su protonazione costituisce l'alcool desiderato terziario. È stato anche osservato che Ni (0) nanoparticelle sono formate attraverso Sm-mediata riduzione di Ni (II), tuttavia queste particelle sono risultati essere inattivi e la fonte di disattivazione del catalizzatore. Figura 1. Samario reazione Barbier con iodododecane e 3-pentanone. Figura 2. SMI 2-HMPA complesso. ONTENUTO "fo: keep-together.within-page =" always "> Figura 3. HMPA e complesso ioduro di alchile. Figura 4. Meccanismo proposto per la reazione samario Barbier con HMPA eccesso. Figura 5. Meccanismo proposto per la reazione di samario Barbier catalitico contenente Ni (II).

Discussion

Una procedura semplice per generare SMI 2 soluzione e la sua applicazione nella sintesi organica utilizzando due degli additivi più comuni è presentato qui. I due esempi descritti rappresentare l'importanza della comprensione meccanicistica della reazione per ottimizzare la reattività di SMI 2. Conoscenza del sostegno da parte del meccanismo di reazione consente l'utilizzo di questo reagente essere adattato da chimici sintetici secondo le esigenze della loro reazione.

Questo singolo elettrone riducente omogenea è facile da maneggiare e possono essere acquistati da fonti commerciali. Mentre il protocollo sopra è semplice se fatto in condizioni inerti, alcune delle procedure di risoluzione dei problemi comuni sono: (a) verificare che il THF è adeguatamente degasata e secca, (b) se metallo Sm ha avuto una prolungata esposizione all'aria potrebbe avere un ossidato strato esterno, macinare il metallo con un mortaio e pestal per esporre la superficie metallica pulita, (c)fiamma asciugare la vetreria e fresco sotto argon, (d) argon è preferito atmosfera inerte su azoto, come la successiva ha dimostrato di interagire con il metallo, (e) La presenza di eccesso Sm-metallo aiuta a mantenere la concentrazione di SMI 2, (f) resublime i cristalli di iodio.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

RAF ringrazia la National Science Foundation (CHE-0844946) per il supporto di questo lavoro.

Materials

Name of the reagent Company Catalogue number Comments (optional)
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)
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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. , (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, 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. 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. 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. 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. 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. Catalytic Ni(II) in reactions of SmI2: Sm(II)- or Ni(0)- based chemistry?. J. Am. Chem. Soc. 133, 10655-10661 (2011).

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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).
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