JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

הכנה ושימוש של סמריום Diiodide (SMI<sub> 2</sub>) בסינתזה אורגנית: התפקיד מכניסטית של HMPA ומלחי ניקל (השני) בתגובת Barbier סמריום

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

Summary

הליך פשוט להכנה של סמריום diiodide (SMI<sub> 2</sub>) בTHF מתואר. התפקיד של שני תוספים עיקריים כלומר hexamethylphosphoramide (HMPA) וניקל (acac)<sub> 2</sub> בSm תגובות מתווכות מודגמות בתגובת SM-Barbier.

Abstract

למרות שתחילה שקל מגיב אזוטרי, SMI 2 הפך לכלי נפוץ לכימאים אורגניים סינטטיים. SMI 2 נוצר באמצעות תוספת של יוד המולקולרית למתכת סמריום בTHF. 1,2-3 זה reductant אלקטרון בודד מתון וסלקטיבית והרבגוניות שלו היא תוצאה של יכולתה ליזום מגוון רחב של הפחתות כולל CC אג"ח גיבוש ומפל או תגובות סדרתיות. SMI 2 יכול להפחית מגוון של קבוצות פונקציונליות כולל sulfoxides וsulfones, תחמוצות phosphine, אפוקסידים, ההלידים אלקיל וaryl, carbonyls ואג"ח כפול מצומדות. 2-12 אחד המאפיינים המרתקים של תגובות SMI-2-תיווך הוא היכולת לתמרן את התוצאה של תגובות באמצעות השימוש סלקטיבי בcosolvents או תוספים. ברוב המקרים, תוספים חיוניים בשליטה על הקצב של ירידה ותגובות הכימותרפיה או stereoselectivity של. 13-14 תוספי שיתוףמנוצל mmonly לכוונן את התגובתיות של SMI 2 ניתן לסווג לשלוש קבוצות עיקריות: (1) בסיסי לואיס (HMPA, ligands האחר אלקטרונים תורמים, אתרי chelating, וכו '), (2) מקורות פרוטון (כהלים, מים וכו' ,) ו (3) תוספים אורגניים (Ni (acac) 2, 3 FeCl, וכו '). 3

הבנת המנגנון של 2 תגובות SMI ותפקידם של התוספים מאפשרת ניצול מלוא הפוטנציאל של המגיב בסינתזה אורגנית. תגובת SM-Barbier נבחרה כדי להמחיש את החשיבות הסינטתית והתפקיד מכניסטית של שני תוספים נפוצים: HMPA וניקל (השני) בתגובה זו. תגובת SM-Barbier דומה לתגובת גריניאר מסורתית עם ההבדל היחיד הוא כי, קרבוניל אלקיל הליד, וreductant Sm מעורבבים במקביל בסיר אחד. 1,15 דוגמאות לתגובות Barbier Sm בתיווך עם מגוון רחב של שותפי צימוד כבר דיווח, 1,3,7,10,12 והיו utilized בשלבים עיקריים של הסינתזה של מוצרים טבעיים גדולים. 16,17 מחקרים קודמים על ההשפעה של תוספים על 2 תגובות SMI הראו כי HMPA משפר את פוטנציאל ההפחתה של SMI 2, על ידי תיאום למתכת סמריום המרכז, ייצור חזק יותר, 13-14,18 שיעבוד sterically reductant 19-21 ובמקרים מסוימים שחקו תפקיד אינטגרלי בשלבי העברת אלקטרוני הודעת הנחיית אירועים מאוחרים אג"ח יוצרים. 22 בתגובת SM-Barbier, HMPA הוכח בנוסף להפעלת הליד אלקיל על ידי יצירה מורכבת בשלב טרום שיווי משקל 23.

ניקל מלחים (השני) הם תוסף הקטליטי שימוש תכוף בתמורות Sm בתיווך. 24-27 אף קריטיים להצלחה, התפקיד מכניסטית של Ni (השני) לא היה ידוע בתגובות אלו. לאחרונה זה כבר הראה שSMI 2 מפחית ניקל (השני) לניקל (0), ולאחר מכן את התגובה מתבצעת באמצעות organomeניקל (0) כימית tallic 28.

מחקרים מכניסטית אלה מדגישים כי למרות שאת אותו המוצר ברבייה מתקבל, השימוש בתוספים שונים ב2 תגובת SMI דרסטי משנה את המסלול מכניסטית של התגובה. הפרוטוקול להפעלת SMI אלה 2-יזמו תגובות מתוארות.

Protocol

1. סינתזה של SMI 2 (0.1 מ ') להבה לייבש בקבוק תחתית מ"ל עגול 50 ולשטוף אותו עם ארגון. הוסף בר מערבבים ומכסים את הבקבוק עם SEPTA. תשקול את סמריום המתכת (0.2 גר ', 1.3 mmol) ולהוסיף לבקבוק, שוב שטיפת הבקבוק עם ארגון. הוסף 10 מ"ל יבש, tetrahydrofuran degassed יסודיות (THF) ואחריו גבישי יוד (0.254 גרם, 2.0 mmol). הוסף בלון ארגון דרך המחיצה; זה שומר על לחץ חיובי של אווירת אר בתגובה. מערבב נמרצות הפתרון בטמפרטורת חדר במשך 3 שעות. כSMI 2 נוצר הפתרון עובר דרך מגוון של שינויי צבע; כתום ואחריו צהוב (45 דקות), וירוק (1 שעה) שבסופו הופך לכחולים. צבע כחול הצי הסופי הוא אינדיקציה לכך שסמריום המיונן ביחידים כבר נוצר. על מנת להבטיח גיור מלא, מערבבי הפתרון לפחות 3 שעות לפני שימוש SMI 2 בסינתזה. 2. Saתגובה-hexamethylphosphoramide תוספת Barbier marium (HMPA) כדי להפוך 2-SMI HMPA המורכב, לקחת SMI המוכן טרי 2 תחת ארגון (10 מ"ל, 0.1 מ ', 1.0 mmol) ולהוסיף 1.75 מ"ל של HMPA (10 EQUIV., 10 mmol) באמצעות מזרק, dropwise, תחת ארגון. A צורות צבע סגול עמוקות. בנפרד בבקבוקון נקי ויבש תחת ארגון, תוספת iodododecane (0.45 mmol, 110 μl), 3-pentanone (0.45 mmol, 48 μl) ו2 מ"ל של THF המיובש. הוסף את תערובת פתרון מצע dropwise למתחם SMI 2 / HMPA. תוך 5 דקות של ערבוב, הצבע הסגול יתחיל להיראות עכור, המציין את סוף התגובה. לאחר התגובה היא מלאה, לחשוף את הפתרון לאוויר כדי להרוות אותו; על ערבוב שינויי הצבע הנוספים לצהובים. אז התגובה היא עבד למעלה על ידי שטיפה עם אמוניום כלוריד המימי רווי. הוסף הפתרון למשפך separatory ולהוסיף diethylether (5 מ"ל). לאחר טלטולים נמרצים להסירהשכבה האורגנית העליונה, להוסיף דיאתיל אתר יותר. לחלץ מהשכבה המימית עוד פעמים ולאחר מכן לשלב את כל השכבות האורגניות. שטוף את השכבה האורגנית בתמיסה רוויה של נתרן תיוסולפט המימי. הסר את השכבה המימית התחתונה, ואחרי שטיפה במים ולאחר מכן לשטוף סופי עם מי מלח. השג את השכבה האורגנית העליונה ולהוסיף מגנזיום סולפט כדי לספוג את כל סכום שעבר ממים נוכחיים בפתרון. להעביר את הפתרון באמצעות תוספת של Florisil כדי להסיר HMPA העודף. לרכז את הפתרון במאייד סיבובי כדי להשיג מוצר ברבייה. המוצר זוהה על ידי GCMS וH NMR 1. 23 3. סמריום Barbier תגובה-Ni (acac) 2 Catalyst תשקול את Ni (acac) 2 (1% mol, 0.01 mmol, 0.0026 ז) ומוסיף לבקבוקון נקי ויבש המכיל 3 מ"ל של THF degassed, תחת ארגון. הוסף ניקל (acac) 2 הפתרון באמצעות מזרק לים מוכן טריolution של 0.1 מ 'SMI 2 (1.0 mmol, 10 מ"ל). בנפרד בבקבוקון נקי ויבש תחת ארגון, תוספת iodododecane (0.45 mmol, 110 μl), 3-pentanone (0.45 mmol, 48 μl) ו2 מ"ל של THF המיובש. הוסף פתרון המצע dropwise לSMI 2 / תערובת ניקל. בתוך 15 דקות של ערבוב הצבע הכחול ייעלם כדי ליצור צבע צהוב ירוק יציין את סוף התגובה. לאחר התגובה היא מלאה, לחשוף את הפתרון לאוויר כדי להרוות אותו; על ערבוב שינויי הצבע הנוספים לצהובים. עבוד את התגובה על ידי שטיפה עם 0.1 מ 'aq. חומצה הידרוכלורית (3 מ"ל). הוסף הפתרון למשפך separatory ולהוסיף diethylether (5 מ"ל). שטוף את השכבה האורגנית באמצעות הפרוטוקול שתואר קודם לכן עם תמיסה מימית של נתרן תיוסולפט, מים ומלח, ולאחר מכן יבש מעל מגנזיום סולפט. לרכז את הפתרון להשגת מוצר ברבייה. המוצר יכול להיות מזוהה על ידי GCMS וH NMR 1. 28 </sעד>

Representative Results

איור 1 מדגים את תגובת Barbier סמריום. ללא תוספי תגובת Sm בתיווך לוקחת 72 שעות; מניב 69% של המוצר הרצוי עם חומרים שנותרו בהתחלה. עם תוספת של 10 או יותר EQUIV. של HMPA התגובה היא כמעט כמוני ומלאה בתוך כמה דקות. 15,23 עם תוספת של mol% Ni 1 (acac) 2, התגובה היא להשלים בתוך 15 דקות, עם תשואת 97% 28. כאשר HMPA מתווסף לSMI 2, מחליף cosolvent THF המתואם כדי ליצור SMI 2 – (HMPA) 4. עם תוספת של HMPA עוד יותר (6-10 EQUIV.), יוני יודידים הם עקורים לקליפה החיצונית (איור 2). 19-21 מחקרים מכניסטית לציין שכאשר HMPA משמש בתגובת SM-Barbier cosolvent גם אינטראקציה עם מצע הליד אלקיל יצירה מורכבת שמתארך קשר פחמן הליד, הפעלה שלpecies שהופך אותו רגיש יותר להפחתה על ידי Sm (איור 3). באמצעות ההבנה המפורטת של תפקידי HMPA, מנגנון תגובת SM-Barbier עם HMPA הוצעו (איור 4). מורכב הליד 23-HMPA אלקיל נוצר בשלב טרום שיווי משקל הוא מופחת על ידי Sm / HMPA כדי ליצור קיצוני בשיעור קביעת שלב. הקיצוני עובר הפחתה נוספת כדי ליצור מיני organosamarium שזוגות עם קרבוניל ועל protonation מניבים את המוצר הסופי. במקרה של תוסף ניקל (השני), SMI 2 תחילה מפחית ניקל (השני) לניקל (0) מועדף על ההפחתה של אחת מהמצעים. בהתבסס על מחקרים קינטיים ומכאניים המנגנון הבא הוצע (איור 5). 28 לאחר ההפחתה של SMI 2, ניקל המסיס (0) מוסיף מינים לאג"ח הליד אלקיל להרכיב מיני organonickel. מונע על ידי טבע oxophilic מאוד של SM (III) , Transmetallation ליצור organosamarium ביניים משחררים ניקל (השני) בחזרה למחזור קטליטי. Organosamarium אז הזוגות עם קרבוניל, ועל protonation יוצר אלכוהול היישונים הרצויים. גם זה היה ציין כי חלקיקי ניקל (0) נוצרים באמצעות הפחתת SM-תיווך של ניקל (השני), ואולם החלקיקים הללו נמצאו לא פעיל והמקור לשחרור משרות של הזרז. איור 1. תגובת סמריום Barbier עם iodododecane ו3-pentanone. איור 2. מורכב SMI 2-HMPA. ontent "fo: לשמור-together.within עמודים =" תמיד "> איור 3. HMPA ומורכב יודיד אלקיל. איור 4. מנגנון מוצע לתגובת סמריום Barbier עם HMPA העודף. איור 5. מנגנון מוצע לתגובת סמריום Barbier המכיל ניקל קטליטי (השני).

Discussion

הליך פשוט להפקה 2 פתרון SMI ויישומה בסינתזה אורגנית באמצעות שניים מהתוספים הנפוצים ביותר מוצג כאן. שתי הדוגמות שתוארו מתארות את החשיבות של הבנת מכניסטית של התגובה כדי לכוונן את התגובתיות של SMI 2. ידע של הבסיס של מנגנון התגובה מאפשר שימוש בריאגנט זה להיות מותאם על ידי כימאים סינטטיים לפי הדרישות של התגובה שלהם.

reductant הומוגנית אלקטרון בודד זה קל לטפל וניתן לרכוש ממקורות מסחריים. בעוד הפרוטוקול לעיל הוא ישר קדימה כאשר נעשה בתנאים אינרטיים, חלק מהליכי פתרון הבעיות הנפוצים הם: (א) לוודא THF הוא degassed כראוי ויבש, (ב) אם מתכת Sm יש לו חשיפה ממושכת לאוויר שזה יכול להיות מתחמצן מחוץ שכבה, לטחון מתכת עם מרגמות וpestal לחשוף את משטח המתכת הנקי, (ג)להבה לייבש את כל כלי הזכוכית והקרירה תחת ארגון, (ד) ארגון עדיף אווירת אינרטי מעל החנקן, כפי שמאוחר יותר הוכח אינטראקציה עם המתכת, (ה) הנוכחות של SM-שאריות מתכת עוזרים לשמור על הריכוז של SMI 2, (ו) resublime את גבישי יוד.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

חיל אוויר מלכותי מודה לקרן הלאומית למדע (מל"ג 0844946) על תמיכתה של עבודה זו.

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