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화학

Préparation et utilisation de samarium diiodure (SMI<sub> 2</sub>) In Organic Synthesis: Le rôle mécanistique de HMPA et Ni (II) Sels dans la réaction Samarium Barbier

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

Summary

Un procédé simple pour la préparation de samarium diiodure (SMI<sub> 2</sub>) Dans du THF est décrit. Le rôle des deux principaux additifs savoir hexaméthylphosphoramide (HMPA) et Ni (acac)<sub> 2</sub> Sm dans les réactions à médiation se manifeste dans la réaction Sm-Barbier.

Abstract

Bien qu'initialement considéré comme un réactif ésotérique, SmI 2 est devenu un outil commun pour la chimie organique de synthèse. SmI 2 est générée par l'ajout d'iode moléculaire au samarium métallique dans le THF. 1,2-3 Il s'agit d'un réducteur électronique doux et sélectif unique et sa polyvalence est le résultat de sa capacité à initier un large éventail de réductions, y compris liaison CC- et formant cascade ou réactions successives. SmI 2 peut réduire une variété de groupes fonctionnels y compris les sulfoxydes et sulfones, les oxydes de phosphines, les époxydes, les halogénures d'alkyle et d'aryle, les carbonyles, et doubles liaisons conjuguées. 12.02 Un des aspects les plus fascinants de SMI-2-réactions médiées est la capacité de manipuler le résultat de réactions par l'utilisation sélective des co-solvants ou additifs. Dans la plupart des cas, les additifs sont essentiels pour contrôler le taux de réduction et les réactions de chimio-ou la stéréosélectivité d'. 13-14 additifs commonly utilisé pour ajuster la réactivité de SmI 2 peuvent être classés en trois grands groupes: (1) des bases de Lewis (HMPA, d'autres donneurs d'électrons des ligands chélateurs, des éthers, etc), sources de protons (2) (alcools, l'eau, etc ), et (3) des additifs inorganiques (Ni (acac) 2, FeCl 3, etc.) 3

Comprendre le mécanisme de SMI 2 réactions et le rôle des additifs permet une utilisation du plein potentiel du réactif en synthèse organique. La réaction Sm-Barbier est choisi pour illustrer l'importance et le rôle de synthèse mécaniste de deux additifs communs: HMPA et Ni (II) dans cette réaction. La réaction Sm-Barbier est similaire à la réaction de Grignard traditionnelle avec la seule différence étant que l'halogénure d'alkyle, carbonyle et réducteur Sm sont mélangés simultanément dans un pot. 1,15 Des exemples de réactions Barbier Sm-médiation avec un éventail de partenaires de couplage ont été signalés, 1,3,7,10,12 et ont été utilized dans les étapes clés de la synthèse des grands produits naturels. 16,17 études antérieures sur l'effet des additifs sur SMI 2 réactions ont montré que HMPA améliore le potentiel de réduction des SmI 2 en coordonnant, dans le centre de samarium métallique, produisant un plus puissant, 13-14,18 stériquement encombrée réducteur 19-21 et dans certains cas, jouent un rôle essentiel dans la post-transfert d'électrons étapes suivantes facilitant formation de liaison des événements. 22 Dans la réaction Sm-Barbier, HMPA a été démontré que plus activer l'halogénure d'alkyle en formant un complexe à une étape de pré-équilibre. 23

Ni (II) les sels sont un additif catalytique utilisé fréquemment dans Sm-médiation transformations. 24-27 Bien que critique pour le succès, le rôle mécaniste de Ni (II) n'était pas connu dans ces réactions. Récemment, il a été montré que SmI 2 réduit Ni (II) en Ni (0), et la réaction est alors réalisée par organometallic Ni (0) chimie 28.

Ces études mécanistiques souligner que bien que le produit Barbier on obtient le même, l'utilisation de différents additifs dans l'SmI 2 réaction modifie radicalement la voie mécanistique de la réaction. Le protocole pour l'exécution de ces SmI 2-initiés réactions est décrite.

Protocol

1. Synthèse des SmI 2 (0,1 M) Flamme sécher de 50 ml flacon à fond rond et le rincer avec de l'argon. Ajouter une barre d'agitation et de couvrir le ballon avec septa. Peser le samarium métallique (0,2 g, 1,3 mmol) et ajouter dans le ballon, le ballon de nouveau rinçage à l'argon. Ajouter 10 ml sec, soigneusement dégazé le tétrahydrofurane (THF), suivie par des cristaux d'iode (0,254 g, 2,0 mmol). Ajouter un ballon d'argon à travers la cloison, ce qui maintient une pression positive d'une atmosphère d'argon à la réaction. Agiter la solution vigoureusement à température ambiante pendant plus de 3 heures. Comme SmI 2 est générée la solution passe par une série de modifications de la couleur jaune orange suivi d'(45 min) et vert (1 h) qui se transformera en bleu. La dernière couleur bleu marine est une indication que le samarium fois ionisé s'est formé. Afin d'assurer une conversion complète, agiter la solution pendant au moins 3 heures avant de l'utiliser SmI 2 dans la synthèse. 2. SaMarium Barbier de réaction hexaméthylphosphoramide (HMPA) Addition Pour rendre le SmI 2-HMPA complexe, prendre le fraîchement préparée SmI 2 sous atmosphère d'argon (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol) et ajouter 1,75 ml de HMPA (10 équiv., 10 mmol) par le biais d'une seringue, goutte à goutte, sous argon. Il se forme une couleur pourpre profond. Séparément dans un endroit propre, sec, flacon sous atmosphère d'argon, ajouter iodododecane (0,45 mmol, 110 pl), 3-pentanone (0,45 mmol, 48 pl) et 2 ml de THF sec. Ajouter le mélange de solution de substrat goutte à goutte au SmI 2 / HMPA complexe. Dans les 5 minutes d'agitation, la couleur pourpre va commencer à regarder nuageux, indiquant la fin de la réaction. Après la réaction est terminée, exposer la solution à de l'air pour la trempe; agitation sur les changements de couleur jaune pour d'autres. La réaction est ensuite traité par un lavage avec une solution aqueuse saturée de chlorure d'ammonium. Ajouter la solution dans une ampoule à décanter et ajouter l'éther diéthylique (5 ml). Après agitation vigoureuse retirerla couche organique supérieure, ajoutez plus de l'éther diéthylique. Extraire à partir de la phase aqueuse deux fois plus, puis de combiner l'ensemble des couches organiques. Laver la phase organique avec une solution saturée de thiosulfate de sodium aqueux. Retirer la couche inférieure aqueuse, suivi d'un lavage à l'eau puis avec de la saumure lavage final. Obtenir la phase organique supérieure et d'ajouter du sulfate de magnésium pour absorber toute quantité d'eau présente dernier dans la solution. Faire passer la solution à travers un bouchon de Florisil afin d'éliminer l'excès HMPA. Concentrer la solution sur un évaporateur rotatif pour obtenir Barbier produit. Le produit a été identifié par GCMS et RMN 1 H 23. 3. Samarium Barbier de réaction Ni (acac) 2 Catalyst Peser Ni (acac) 2 (1% en mole, 0,01 mmol, 0,0026 g) et ajouter à un endroit propre, sec, flacon contenant 3 ml de THF dégazé sous argon. Ajouter le Ni (acac) 2 solution à travers une seringue à une s fraîchement préparélution de 0,1 M SmI 2 (1,0 mmol, 10 ml). Séparément dans un endroit propre, sec, flacon sous atmosphère d'argon, ajouter iodododecane (0,45 mmol, 110 pl), 3-pentanone (0,45 mmol, 48 pl) et 2 ml de THF sec. Ajouter la solution de substrat goutte à goutte au SmI 2 / Ni mélange. Dans les quinze minutes d'agitation, la couleur bleue se dissipe pour former une couleur jaune-vert indiquant la fin de la réaction. Après la réaction est terminée, exposer la solution à de l'air pour la trempe; agitation sur les changements de couleur jaune pour d'autres. Travailler jusqu'à la réaction par lavage avec 0,1 M aq. L'acide chlorhydrique (3 ml). Ajouter la solution dans une ampoule à décanter et ajouter l'éther diéthylique (5 ml). Laver la phase organique selon le protocole décrit précédemment par une solution aqueuse de thiosulfate de sodium, de l'eau et de la saumure, puis séchée sur sulfate de magnésium. Concentrer la solution pour obtenir Barbier produit. Le produit peut être identifié par GCMS et RMN 1 H 28. </sup>

Representative Results

La figure 1 illustre la réaction du samarium Barbier. En l'absence d'additifs, la réaction de Sm-médiation prend 72 heures, cédant 69% du produit désiré avec les restants étant des matières premières. Avec l'ajout de 10 ou plus équivalent. de HMPA la réaction est presque quantitative et complète en quelques minutes. 15,23 Avec l'ajout de 1 mol% Ni (acac) 2, la réaction est terminée en 15 minutes, avec un rendement de 97% 28. Lorsque HMPA est ajouté à SmI 2, les déplace cosolvant le THF coordonnés pour former SmI 2 – (HMPA) 4. Avec l'addition d'autant plus HMPA (6-10 éq.), Les ions iodure sont déplacées dans la sphère externe (figure 2). 19-21 études mécanistiques indiquent que lorsque HMPA est utilisé dans la réaction de Sm-Barbier le co-solvant interagit également avec un halogénure d'alkyle du substrat formant un complexe qui allonge la liaison carbone-halogénure, l'activation de l'artpecies rendant plus sensible à la réduction de Sm (figure 3). Grâce à cette compréhension détaillée des rôles de HMPA, un mécanisme pour la réaction Sm-Barbier à HMPA a été proposé (figure 4). 23 L'halogénure d'alkyle-HMPA complexe formé dans une étape de pré-équilibre est réduite par Sm / HMPA pour former le radical dans l'étape de détermination de taux. Le radical subit une réduction supplémentaire pour former une espèce qui organosamarium couple avec le groupe carbonyle et sur protonation conduit au produit final. Dans le cas de Ni (II) un additif, SmI 2 réduit initialement Ni (II) en Ni (0) de préférence à la réduction de l'un des substrats. Basé sur des études cinétiques et mécanistiques le mécanisme suivant a été proposé (figure 5) 28. Après réduction par SmI 2, inserts espèces du Ni soluble (0) dans le lien halogénure d'alkyle formant une espèce organonickel. Poussé par la nature hautement oxophile de Sm (III) , Transmétallation pour former un intermédiaire organosamarium communiqués de Ni (II) dans le cycle catalytique. Le organosamarium puis les couples avec le groupe carbonyle, et après protonation forme l'alcool désiré tertiaire. Il a également été observé que Ni (0) nanoparticules sont formées par Sm-médiation réduction de Ni (II), mais ces particules sont avérés inactifs et la source de la désactivation du catalyseur. Figure 1. Samarium Barbier réaction avec iodododecane et la 3-pentanone. Figure 2. SmI 2-HMPA complexe. ontenu "fo: keep-together.within pages =" always "> Figure 3. HMPA et complexe iodure d'alkyle. Figure 4. Mécanisme proposé pour la réaction de samarium Barbier avec HMPA excès. Figure 5. Mécanisme proposé pour la réaction de samarium Barbier contenant du Ni catalytique (II).

Discussion

Une procédure simple pour générer SmI 2 solution et son application en synthèse organique en utilisant deux des additifs les plus courants est présenté ici. Les deux exemples décrits dépeindre l'importance de la compréhension des mécanismes de la réaction d'affiner la réactivité de SmI 2. La connaissance du fondement du mécanisme de réaction permet l'utilisation de ce réactif à être adapté par les chimistes de synthèse, conformément aux exigences de leur réaction.

Ce single réducteur électronique homogène est facile à manipuler et peuvent être achetés auprès de sources commerciales. Bien que le protocole ci-dessus est simple lorsque vous avez terminé dans des conditions inertes, certaines des procédures de dépannage courantes sont les suivantes: (a) s'assurer que le THF est correctement dégazée et sec, (b) si le métal Sm a eu une exposition prolongée à l'air, il pourrait avoir un oxydé couche extérieure, meuler le métal avec un mortier et pestal pour exposer la surface métallique propre, (c)flamme sécher toute la verrerie et frais sous atmosphère d'argon, (d) l'argon est préférable atmosphère inerte d'azote plus, comme l'a par la suite été montré pour interagir avec le métal, (e) La présence d'un excès de Sm-métal permet de maintenir la concentration de SmI 2, (f) resublime les cristaux d'iode.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

RAF remercie la National Science Foundation (CHE-0844946) pour le soutien de ce travail.

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

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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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