JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
화학

Voorbereiding en gebruik van samariumdijodide (SMI<sub> 2</sub>) In Organic Synthesis: The mechanische rol van HMPA en Ni (II) zouten in de Samarium Barbier Reaction

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

Summary

Een eenvoudige procedure voor de bereiding van samariumdijodide (SmI<sub> 2</sub>) In THF beschreven. De rol van twee additieven namelijk hexamethylfosforamide (HMPA) en Ni (acac)<sub> 2</sub> Sm in gemedieerde reacties blijkt in de Sm-Barbier reactie.

Abstract

Hoewel in eerste instantie beschouwd als een esoterische reagens, is SmI 2 uitgegroeid tot een gemeenschappelijk instrument voor synthetische organisch chemici. SmI 2 gegenereerd door de toevoeging van moleculaire jodium aan samarium metaal in THF. 1,2-3 Het is een milde en selectieve elektron reductiemiddel en veelzijdigheid is een gevolg van de mogelijkheid om een groot aantal verlagingen zoals CC leiden bond- vormen en cascade of opeenvolgende reacties. SmI 2 Ze kunnen een verscheidenheid van functionele groepen zoals sulfoxiden en sulfonen, fosfineoxyden, epoxiden, alkyl en aryl halogeniden, carbonylen, en geconjugeerde dubbele bindingen. 2-12 Een van de kenmerken van fascinerende SmI-2-gemedieerde reacties is de mogelijkheid om manipuleren van de resultaten van reacties door het selectieve gebruik van cosolvents of additieven. In de meeste gevallen additieven zijn essentieel regelen van de mate van beperking en de chemo-of stereoselectiviteit van reacties. 13-14 Additieven commonly gebruikt de afstemming van de reactiviteit van SmI 2 kan worden ingedeeld in drie groepen: (1) Lewis basen (HMPA, andere elektron-donor liganden chelerende ethers, etc.), (2) proton bronnen (alcoholen, water etc. ) en (3) anorganische additieven (Ni (acac) 2, FeCl3, etc) 3.

Inzicht in het mechanisme van SMI 2 reacties en de rol van de additieven maakt gebruik van het volledige potentieel van het reagens in de organische synthese. Het Sm-Barbier reactie wordt gekozen om de synthetische belang en mechanistische rol van twee gebruikelijke toevoegsels illustreren HMPA en Ni (II) in deze reactie. Het Sm-Barbier reactie lijkt op de traditionele Grignard reactie met het enige verschil dat het alkylhalogenide, carbonyl en Sm reductant gelijktijdig gemengd in een pot. 1,15 Voorbeelden van Sm-gemedieerde Barbier reacties met verschillende koppelen partners gemeld, 1,3,7,10,12 en zijn utilized in belangrijke stappen van de synthese van grote natuurlijke producten. 16,17 Eerdere studies naar het effect van additieven op SmI 2 reacties blijkt dat HMPA de mogelijke vermindering van SmI 2 verbetert te coördineren het samarium metaalcentrum, waardoor een krachtiger 13-14,18 sterisch gehinderd reductiemiddel 19-21 en in sommige gevallen speelt een belangrijke rol in post electron-transfer stappen vervolgens gemakkelijker binding vormende gebeurtenissen. 22 In de Sm-Barbier reactie HMPA is aangetoond dat bovendien activeren alkylhalogenide door vorming van een complex in een pre-evenwicht stap 23.

Ni (II) zouten een katalytisch additief veelvuldig bij Sm-gemedieerde transformatie. 24-27 Hoewel cruciaal voor succes, de mechanistische rol van Ni (II) niet bekend was in deze reacties. Recent is aangetoond dat SmI 2 Ni (II) gereduceerd tot Ni (0), en de reactie wordt vervolgens uitgevoerd door organomehalfmetalen Ni (0) chemistry 28.

Deze mechanistische studies wijzen dat hoewel eenzelfde Barbier product wordt verkregen, drastisch het gebruik van verschillende additieven in de SmI 2 reactie de mechanistische route van de reactie verandert. Het protocol voor het uitvoeren van deze SmI 2-geïnitieerde reacties beschreven.

Protocol

1. Synthese van SmI 2 (0,1 M) Flame drogen een 50 ml rondbodemkolf en spoel het met argon. Voeg een roerstaaf en bedek de kolf van septa. Afgewogen samarium metaal (0,2 g, 1,3 mmol) en voeg kolf opnieuw spoelen van de kolf met argon. Voeg 10 ml droge grondig ontgast tetrahydrofuran (THF), gevolgd door jodium kristallen (0,254 g, 2,0 mmol). Toevoegen argon ballon via het septum, dit houdt een positieve druk van Ar atmosfeer op de reactie. Roer de oplossing krachtig bij kamertemperatuur gedurende 3 uur. Zoals SmI 2 gegenereerd de oplossing door verschillende kleurveranderingen, gevolgd door geel oranje (45 min) en groen (1 uur) die uiteindelijk overgaat in blauw. De laatste marineblauwe kleur is indicatie dat enkelvoudig geïoniseerd samarium heeft gevormd. Om volledige conversie zorgen Roer de oplossing gedurende ten minste 3 uur alvorens SmI 2 in synthese. 2. SaMarium Barbier Reaction-hexamethylfosforamide (HMPA) Toevoeging De SmI 2-HMPA complex maken, neemt de vers bereide SmI 2 onder argon (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol) en voeg 1,75 ml HMPA (10 equiv., 10 mmol) met een injectiespuit druppelsgewijs onder argon. Een diepe paarse kleur vormen. Afzonderlijk in een schone, droge flesje onder argon, iodododecane add (0,45 mmol, 110 ul), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 ui) en 2 ml THF gedroogd. Voeg de substraatoplossing mengsel druppelsgewijs aan de SmI 2 / HMPA complex. Binnen 5 min roeren wordt het paarse kleur gaan er troebel uitzien geeft het einde van de reactie. Nadat de reactie voltooid is, bloot de oplossing lucht te doven; onder roeren de kleur verdere veranderingen in geel. Het reactiemengsel wordt dan opgewerkt door wassen met verzadigd waterig ammoniumchloride. Voeg de oplossing in een scheitrechter en voeg diethylether (5 ml). Na krachtig schudden verwijderende bovenste organische laag, voeg meer diethylether. Uittreksel uit de waterlaag twee keer en deze vervolgens samen alle organische lagen. Was de organische laag met een verzadigde oplossing van waterig natriumthiosulfaat. Verwijder de onderste waterige laag, gevolgd door wassen met water en vervolgens met pekel eindwas. Haal de bovenste organische laag en voeg magnesiumsulfaat om te genieten van een laatste hoeveelheid water aanwezig is in de oplossing. Laat de oplossing door een plug van Florisil om overtollig HMPA te verwijderen. Concentreer de oplossing op een rotatieverdamper Barbier product. Het product werd geïdentificeerd door GCMS en 1H NMR 23. 3. Samarium Barbier Reaction-Ni (acac) 2 Catalyst Afgewogen Ni (acac) 2 (1 mol%, 0,01 mmol, 0,0026 g) en aan een schoon, droog flesje met 3 ml ontgast THF onder argon. Voeg de Ni (acac) 2-oplossing door een injectiespuit met een vers bereide slutie van 0,1 M SmI 2 (1,0 mmol, 10 ml). Afzonderlijk in een schone, droge flesje onder argon, iodododecane add (0,45 mmol, 110 ul), 3-pentanon (0,45 mmol, 48 ui) en 2 ml THF gedroogd. Voeg substraat oplossing druppelsgewijs aan de SmI 2 / Ni mengsel. Binnen vijftien minuten roeren wordt de blauwe kleur dissiperen een geelgroene kleur die het einde van de reactie vormen. Nadat de reactie voltooid is, bloot de oplossing lucht te doven; onder roeren de kleur verdere veranderingen in geel. Werk de reactie door wassen met 0,1 M aq. Zoutzuur (3 ml). Voeg de oplossing in een scheitrechter en voeg diethylether (5 ml). Was de organische laag met het eerder beschreven protocol met een waterige oplossing van natriumthiosulfaat, water en pekel en vervolgens droog boven magnesiumsulfaat. Concentreer de oplossing Barbier product. Het product kan worden geïdentificeerd door GCMS en 1H NMR 28. </sup>

Representative Results

Figuur 1 illustreert het samarium Barbier reactie. Zonder additieven de Sm-gemedieerde reactie wordt 72 uur; waarbij 69% van het gewenste product met de resterende uitgangsmaterialen zijn. Met de toevoeging van 10 of meer equiv. HMPA van de reactie is nagenoeg kwantitatief en volledig binnen enkele minuten. 15,23 Met de toevoeging van 1 mol% Ni (acac) 2, de reactie voltooid binnen 15 min met een 97% opbrengst 28. Wanneer HMPA toegevoegd aan SmI 2, verdringt het hulpoplosmiddel de gecoördineerde THF SmI 2 – (HMPA) 4. Met de toevoeging van nog HMPA (6-10 equiv.), De jodide-ionen verplaatst naar de buitenste gebied (Figuur 2). 19-21 Mechanistisch studies geven aan dat als HMPA gebruikt in de Sm-Barbier reactie ook het hulpoplosmiddel interactie met het alkylhalogenide substraat vormen van een complex waarin de koolstof-binding halide verlengt, activeren species waardoor het gevoeliger voor vermindering van Sm (figuur 3). Door deze gedetailleerd begrip van de rol van HMPA, een mechanisme voor Sm-Barbier reactie met HMPA werd voorgesteld (figuur 4). 23 De alkyl halide-HMPA complex gevormd in een pre-evenwicht stap verminderd Sm / HMPA voor het vormen radicaal in de snelheidsbepalende stap. De radicale verdere vermindering ondergaat onder vorming van een organosamarium soorten die paren met de carbonyl en op protonering levert het eindproduct. In het geval van Ni (II) additief SmI 2 vermindert aanvankelijk Ni (II) naar Ni (0) meer voorkeur vermindering van een van de substraten. Op basis van kinetische en mechanistische studies het volgende mechanisme voorgesteld (figuur 5). 28 Na reductie van SmI 2, oplosbaar Ni (0) species inserts in de alkylhalogenide bindingsvormende een organonickel species. Dankzij de zeer oxophilic aard van Sm (III) , Transmetallation een organosamarium tussenproduct releases Ni (II) vormen terug in de katalytische cyclus. De organosamarium dan paren met de carbonyl, en op protonering vormt de gewenste tertiaire alcohol. Ook werd waargenomen dat Ni (0) nanodeeltjes worden gevormd door Sm-gemedieerde vermindering van Ni (II), maar deze deeltjes bleken inactief en de bron van deactivering van de katalysator. Figuur 1. Samarium Barbier reactie met iodododecane en 3-pentanon. Figuur 2. SmI 2-HMPA complex. NHOUD "fo: keep-together.within-page =" always "> Figuur 3. HMPA en alkyljodide complex. Figuur 4. Voorgesteld mechanisme voor de samarium Barbier reactie met een overmaat HMPA. Figuur 5. Voorgestelde mechanisme voor de samarium Barbier reactiemengsel bevattende katalytische Ni (II).

Discussion

Een eenvoudige procedure voor het genereren SmI 2 oplossing en de toepassing in organische synthese met twee van de meest gebruikelijke toevoegsels wordt hier gepresenteerd. De twee voorbeelden beschreven beeld van de betekenis van mechanistisch inzicht in de reactie te fine-tunen van de reactiviteit van SMI 2. Kennis van de onderbouwing van het reactiemechanisme maakt het gebruik van dit reagens worden aangevuld met synthetische chemici volgens de eisen van de reactie.

Dit enkel elektron homogene reductiemiddel is gemakkelijk te hanteren en kunnen worden gekocht bij commerciële bronnen. Hoewel de bovenstaande protocol is rechttoe rechtaan als je klaar bent onder inerte omstandigheden, een aantal van de gemeenschappelijke procedures voor probleemoplossing zijn: (a) zorg ervoor dat de THF goed ontgast en droog, (b) indien Sm metalen heeft langdurige blootstelling aan de lucht kan het een hebben geoxideerde buitenlaag, slijpen het metaal met een vijzel en pestal op de schone metalen oppervlak bloot te leggen, (c)vlam droogt het glaswerk en koel onder argon, (d) argon voorkeur inerte atmosfeer in stikstof, zoals het later is aangetoond dat interactie met de metalen, (e) de aanwezigheid van overmaat Sm-metaal helpt om de concentraties van SmI 2, (f) resublime de jodium kristallen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

RAF bedankt de National Science Foundation (CHE-0844946) voor de ondersteuning van dit werk.

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)
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. , (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).

Tags

Samarium DiiodideSmI2Organic SynthesisHMPANi(II) SaltsSamarium Barbier ReactionReagentSynthetic Organic ChemistsMolecular IodineTHFSingle Electron ReductantC-C Bond-forming ReactionsCascade ReactionsSequential ReactionsFunctional GroupsSulfoxidesSulfonesPhosphine OxidesEpoxidesAlkyl HalidesAryl HalidesCarbonylsConjugated Double BondsCosolventsAdditivesLewis BasesProton SourcesInorganic AdditivesMechanism Of SmI2 Reactions

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image