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화학

多彩なCO2の複雑な製品への変革:ワンポット2段階戦略

Published: November 09, 2019
doi:
10.3791/60348
, , ,
1LCC-CNRS,Université de Toulouse, CNRS, 2LISBP,Université de Toulouse, CNRS, INRA, INSA

Summary

CO2変換は、複合分子の合成のためのワンポット2段階の手順で行われます。選択的4e−ヒドロボラン還元剤によるCO2の還元は、その後縮合反応またはカルベネ媒介C−Cカップリング生成に関与する反応性および多目的ビス(boryl)アセタール中間体を得る。

Abstract

本明細書では、1ポット2段階法を用いたCO2変換について説明する。この方法の目的は、様々な付加価値製品へのアクセスを与え、特にキラルカーボンセンターを生成することです。重要な最初のステップは、鉄水素化物複合体によって触媒されるCO2の選択的二重ヒドロボレーションで構成される。この4eで得られた生成物は、還元が希少なビス(ボリル)アセタールであり、化合物1は、第2工程において3つの異なる反応を受ける。第1の反応は、対応するイミン2を与える(ジイソプロピル)フェニルアミンとの縮合反応に関する。第2および第3の反応において、中間体1は、反応条件に応じて、化合物3または4にトリアゾール−5-イリデン(エンダースカルベネ)と反応する。どちらの化合物でも、C-C結合が形成され、炭素の唯一の供給源としてCO2からキラル中心が発生します。化合物4は、フォルモーゼ型機構においてジアステレオ選択的に得られた2つのキラル中心を示す。我々は、残りのボリル断片がこの前例のないステレオコントロールにおいて重要な役割を果たしていることを証明した。この方法の関心は、1の反応性および汎用性に立ち、単一の中間体から様々な複雑な分子を生み出す。2段階法の複雑さは、全体的な短い反応時間(より大きな反応時間に対して2時間)、及び軽度の反応条件(25°C〜80°C及びCO2の1〜3atm)によって補償される。

Introduction

CO2を持続可能な炭素源として用いることに大きな関心を持つ方法は、CO2を様々な付加価値製品に変換することです。

CO24、5、またはギ酸(2e-還元)、一酸化炭素(2e-還元)、メタノール(6e-還元)またはメタン(8e-還元)1、6に還元することを目的とした激しい研究。アミンによる2e−還元生成物のインターセプトは、特に、ホルムアミドおよびメチルアミン7、8、9を生じさせる。これらの研究分野は、これまでのところ最も先進的です。しかし、アクセス可能な機能の範囲と出発物質と比較して形成された製品の付加価値は、かなり最小限のままです。

この制限を回避するために、我々はi)4 e– CO2およびii)1ポット2段階の手順を適用することに焦点を当てた。ワンポット2段階の手順の目的は、2つのステップ間の互換性の問題を制限し、その結果、削減の最初のステップの後に行うことができる反応性のタイプを広げることです。ホルムアルデヒド−最も単純な4e−還元産物−特に反応性および汎用性の多大な炭素源10、11であるため、4e−CO2の還元を標的とした。 メチレン源として縮合反応に使用され、炭水化物に重合することができます。後者-呼び出されるフォルモース反応-は、ホルムアルデヒドからのみ炭素鎖およびキラル炭素中心を生成する印象的な形質転換であり、合成−12、13およびプレバイオティクス化学14、15、16に対して高い関心を持っている。CO2ヒドロボレーション17から遊離ホルムアルデヒドを観察することはできますが、均質な条件下でのその選択的生成は依然として前例がありません。ホルムアルデヒドの代わりに、CO218、19の選択的二重水素化からビス(ボリル)アセタール化合物1の合成を開発した。

本明細書において、我々は、同じポットにおいて、この中間1i)縮合反応におけるホルムアルデヒドのサロゲートとして反応する18またはii)が修飾されたホルモーゼ型反応20を生じることを証明する。この後者の反応では、C-Cカップリングおよびキラル炭素中心が得られる。

Protocol

注意:使用前に化学物質の材料安全データシート(MSDS)を参照してください。以下の反応や個人用保護具を行う際は、適切な安全対策をご利用ください。真空ラインとガス圧力システムの使用に特別な注意を払う必要があります。 1. 核磁気共鳴(NMR)管中のCO2からの化合物2の合成 Fe(H)2の原液2(dmpe)2:フェ(H)2(dmpe)221、22をテトラヒドロフラン(THF)-d8の1mLに溶解する。注: dmpe = 1,2-ビス(ジメチルホスフィノ)エタン グローブボックスに、15.9 mgの9-ボラビシクロ[3.3.1]ノナン(9-BBN)と100μLのFe(H)2(dmpe)2(1モル%)のNMRチューブを充電します。 テトラヒドロフラン (THF)-d8の 0.5 mL を追加します。 チューブを閉じてグローブボックスの外に持って来ます。 チューブをガスシステムに接続し、25°Cで15分間置き、チューブ内の溶液の温度を平衡化します。メモ:ガスシステムは、CO2ボトルを真空ラインとNMRチューブの両方に接続します。接続はテフロンチューブとスワッジロックコネクタです(セットアップのスキームについては図1を参照)。このシステムは望ましい温度のレギュレータで定義された圧力を加えることを可能にする。 CO2の 1 アットマを追加します。 CO2の動的圧力の下で3分間放置し、チューブを閉じます。 チューブは25°Cに45分間放置します。注:このステップでは、ビス(ボリル)アセタール1は85%の収率でNMRチューブ内で生成されます(NMR分析の代表的な結果を参照)。 アミンの原液:THF-d8の1mLで2,6-(ジイソプロピル)フェニルアミンの177.3mgを溶解する。化合物1が生成されたら、グローブボックス内のNMRチューブを開き、2,6-(ジイソプロピル)フェニルアミンの原液の55μLを添加し、生成されたビス(ドリル)アセタール1の1相当に相当する。 チューブを閉じて、10sのためにそれを振ります。 20分後、1HNMR分析によるイミン2の形成を確認する(図2)。内部標準としてヘキサメチルベンゼン(約10モル%対9-BBN)を使用して、NMR収率を決定します。 2. フィッシャーポーターにおけるCO2からの化合物3の合成 フィッシャーポーターを9-BBNの320 mg、9.4 mgのFe(H)2(dmpe)2および磁気攪拌バー21、22を充電する。 THF を 10 mL 加えます。 フィッシャーポーターを閉じて、グローブボックスの外に持って来てください。 溶液の温度を平衡化するために15分間25°Cに置きます。 フィッシャーポーターをガスシステムに接続し、CO2の1気圧を追加します。メモ:ガスシステムは、CO2ボトルを真空ラインとフィッシャーポーターの両方に接続します。接続はテフロンチューブとスワッジロックコネクタです(セットアップのスキームについては図1を参照)。このシステムは望ましい温度のレギュレータで定義された圧力を加えることを可能にする。 CO2の動的圧力の下で3分間放置し、チューブを閉じて25°Cで45分間かき混ぜます。注:この段階は、85%収率でCO2ヒドロボレーションからのビス(ボリル)アセタール1の選択的生成に対応する。 45分後、フィッシャーポーターをグローブボックスで開き、THF6 mLでトリアゾール-5-イリデンの380mgの溶液を追加します。 グローブボックスの外で、フィッシャーポーターにCO2の3時を充電してください。 溶液を60°Cで60°Cで60分間、CO2の3気圧の動的圧力でかき混ぜます。 溶液を室温まで冷やします。 真空下で揮発性物質を除去し、3×2 mLのジエチルター(Et2O)で残渣を0°Cで洗浄し、CO2付加物3を白色粉末として得た(図3)。 単結晶を生成するには、濃縮THF/ペンタン溶液を-37°Cで24~48時間置きます。 3. フィッシャーポーターにおけるCO2からの化合物4の合成 グローブボックスで、9-BBNの159 mg、4.7 mg(1モル%)のフィッシャーポーターチューブを充電しますFe(H)2(dmpe)2と磁気攪拌バーの。 THF を 5 mL 加えます。 フィッシャーポーターを閉じて、グローブボックスの外に持って来てください。 溶液の温度を平衡化するために15分間25°Cに置きます。 フィッシャーポーターをガスシステムに接続し、CO2の1気圧を追加します。 CO2の動的圧力の下で3分を残し、フィッシャーポーターを閉じ、45分間25°Cでかき混ぜます。注:この段階は、85%収率でCO2ヒドロボレーションからのビス(ボリル)アセタール1の選択的生成に対応する。 1の生成後、グローブボックスでフィッシャーポーターを開き、トリアゾール-5-イリデンの54 mgを追加します。 グローブボックスの外側で、溶液を80°Cで40分間撹拌し、化合物4を含む化合物の混合物を生成する。 溶媒を取り出し、残渣の一部をTHF-d8の0.6 mLに溶解します。 PTFEフィルター(0.2μm)を装備した注射器で溶液を濾過し、分析のためにNMRチューブに入れます。NMR収率を決定するために、内部標準としてヘキサメチルベンゼン(約10モル%対9-BBN)を使用します。 4. d,l-グリセルアルデヒドからの化合物4の代替合成 グローブボックスに、50mgのd,l-グリセルアルデヒド、9-BBNの135 mg、磁気攪拌バーを含むシュレンクチューブを充電します。 THF を 4 mL 追加します。注意:化合物の溶解時に、H2進化が起こる。 中隔でシュレンクを閉じ、それに針を刺してH2の一定の放出を可能にします。 グローブボックス内の白い懸濁液を室温で24時間かき混ぜます。 トリアゾール-5-イリデンの165 mgを追加します。 室温で3時間かき混ぜる。その間、すべての残基が可溶化します。 真空下の揮発性物質を取り除きます。 残渣をEt2O(1mL)の最小量で溶解し、溶液を-37°Cで12時間入ります。 化合物4は沈殿する。濾過して濾液を取り出し、真空下で沈殿物を乾燥させます。 化合物4を白色粉末として72%収率で単離する。

Representative Results

ビス(ボリル)アセタール化合物1の生成成功は、THF-d8における5.54ppmの特徴的なメチレンピックを用いて1HNMR分析によって評価される(図4a)。化合物2の生成が成功すると、特徴的なAB信号(δ=7.73(d,1H,2 JH-H=18.4Hz,C H2)、7.30(d、1H、2J H-H=18.4Hz、CH2)を用いて、THF-d8(図4)におけるメチレンの2つの等価陽子について、1HNMR分析によって評価される。化合物3の生成の成功は、THF-d8における1HNMR分析によって評価される(図4c)。最も注目すべき信号は、5.34 ppmのCHCO2と0.26および-0.65 ppmのBBN断片のCHです。化合物4の生成の成功は、THF-d8における1HNMR分析によって評価される。図4dに示すように、化合物4は、CO2から生成されたその上、4.64ppm(3JH-H=7.9Hz、H3)でのダブレットと3.36の擬似t(2 J H-H=9.7Hz、3J H-H=9.5Hz、1H、H1b)によって特に特徴付けられます。d,l-グリセルアルデヒドから単離された化合物4では、C3鎖の4つのプロトンシグナルが明確に観察され(図4e)、鎖の3つの炭素原子は、76.9(C2)、74.0(C3)および71.5(C3)および71.5(C1)ppmで13C{1H}NMR分析で特徴付けられます(図5)。 図1:ガスシステム所定の温度でCO2の定義された圧力の添加を可能にするガスシステムのスキーム。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図2:CO2の還元機能化化合物1及び2の合成この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図3:カルベネ媒介C-C結合形成化合物3及び4の合成この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図4:化合物1-4の1HNMR分析を、THF-d8の室温で記録した。(A)その上、生成した化合物1において、(B)その上に生成された化合物2、(C)単離化合物3、(D)CO2から生成した化合物4、(E)からd,l-グリセルアルデヒドから単離された化合物4。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 図5:d、l-グリセルアルデヒドから単離した化合物4の代表的な特性評価。13年C{1H} NMR 分析は THF-d8の室温で記録;インレット:C1-C3領域のズーム。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

ここでは、CO2の2段階多彩な変容を複雑な製品に提示する。この方法の第1段階は、ハイドロボラン還元剤によるCO2の選択的な4e-還元に関する。このステップは、4 eに対する選択性が困難であるために重要です。ビス(ボリル)アセタール23、24、25の選択的生成を記述する非常に少数のシステムが報告されている。我々の場合、鉄水素化物複合体は、この選択的な4 e−9-BBNによるCO2の還元、化合物1、穏やかな条件下(25°)および非常に短い反応時間(45分)で触媒する(図2)18。我々の研究は、反応条件が非常に重要であることを示している。我々の手では、各試みは、濃度、溶媒、CO2圧力および温度を変化させ、化合物1における収率の低下につながった。反応時間が長いと、メタノールレベルの過剰低下や、ビス(ボリル)アセタールのいくつかのオリゴマー化合物への進化につながるので、有害でもあります。私たちの経験から、この削減ステップの結果をsitu 1H NMR特性評価で検証する必要があります。メソッドの再現性は、複数の実行で調査する必要があります。

かさばるアニリンを有する中間体1のin situ縮合反応は、対応するimine2を生じさせる(図2)。 これは、簡単な方法であり、化合物2は、容易に高収率(83%)で形成される。この反応は、還元工程の効率をプローブするためにも用いることができる。この方法は、CO2からimine関数の合成を可能にする唯一の方法である。また、中間体1は、C-N、C-O、C-CおよびC=C結合18の形成につながる種々の縮合反応において多目的なメチレン源であることが証明された。この方法は、縮合反応26においてホルムアルデヒドのサロゲートとしてCO2を用いる簡単な方法を提供する。

中間体1は、反応条件に応じて化合物3または4にエンダーのカルベネと反応する(図3)20。綿密な実験・理論的研究の支援を受け、観測された反応性を説明することができた。この場合、化合物1は化合物3および4にベリル部分が残存するのでホルムアルデヒドとして反応しない。この特徴は、前例のないO-ボリオレートブレスロー中間体(図3)27、28、29、30、31、32の形成から生じる。この中間体は実験的には観察されないが、CO2に向かう二官能性ルイス酸/ルイス塩基活性化剤として作用して化合物3を余裕のある化合物3にしたり、化合物4に対してさらに2つの炭素中心のホモカップリングを導いたりし得る。両方の製品において、キラル中心が生成され、化合物4の場合、2つのキラル中心C2およびC3は、ブリッジングボリル断片の存在のおかげで、ジアステレオ選択的な方法で得られる。

本明細書で提示される進歩は、採用されたワンポット2段階法および選択的4eから生成される中間体1の高く多目的な反応性−CO2の低減のおかげで可能であった。合成された分子の範囲と複雑性をさらに改善する同様の方法に続いて、進行中の作業は、他のヒドロボラン還元剤およびii)を使用してビス(boryl)アセタールの特性を調整し、他の有機触媒を使用する上で異なる結合条件をプローブするために専用i)である。

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

S.D.おかげでレジオン・ミディ=ピレネーと博士のフェローシップのためのフェデラレ・ド・トゥールーズ大学。D. Z. 博士のフェローシップのための中国奨学金協議会に感謝します。A. M. 博士のフェローシップのためのコルフトゥロに感謝します。S. B. ANRプログラムJCJC「ICC」とA.レオン教授の実りある議論に感謝します。

Materials

Wilmad quick pressure valve NMR tube 5 mm diam. Sigma-Aldrich Z562882-1EA
Filtre-seringue PTFE hydrophobe Ø 25 mm pores 0,22 µm UGAP 2528593
Fisher Porter Home made system
9-borabicyclo[3.3.1]nonane dimer Sigma-Aldrich 178713
FeCl2 (anhydrous) Strem MFCD00011004
d,l-Glyceraldehyde Sigma-Aldrich G5001
2,6-(diisopropyl)phenylamine Sigma-Aldrich 374733
dimethylphosphinoethane Strem MFCD00008511
Tetrahydrofuran Carlo Erba solvent
Diethyl ether Carlo Erba solvent
Pentane Carlo Erba solvent
Tetrahydrofuran D8 Eurisotop D149FE
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References

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Desmons, S., Zhang, D., Mejia Fajardo, A., Bontemps, S. Versatile CO2 Transformations into Complex Products: A One-pot Two-step Strategy. J. Vis. Exp. (153), e60348, doi:10.3791/60348 (2019).
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