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Chemistry

Preparación y uso de samario diyoduro (SMI<sub> 2</sub>) En Síntesis Orgánica: La función mecánica de HMPA y sales de Ni (II) en la reacción de samario Barbier

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

Summary

Un procedimiento sencillo para la preparación de samario diyoduro (SMI<sub> 2</sub>) En THF se describe. El papel de los dos aditivos principales, a saber hexametilfosforamida (HMPA) y Ni (acac)<sub> 2</sub> Sm en reacciones mediadas se demuestra en la reacción de Sm-Barbier.

Abstract

Aunque al principio se considera un reactivo esotérico, SMI 2 se ha convertido en una herramienta común para los químicos orgánicos sintéticos. SmI 2 se genera a través de la adición de yodo molecular al samario metal en THF. 1,2-3 Se trata de un único electrón reductor suave y selectivo y su versatilidad es consecuencia de la capacidad de iniciar una amplia gama de reducciones incluyendo enlace CC- y formando cascada o reacciones secuenciales. SmI 2 puede reducir una variedad de grupos funcionales incluyendo sulfóxidos y sulfonas, óxidos de fosfina, epóxidos, haluros de alquilo y arilo, carbonilos, y dobles enlaces conjugados. 2-12 Una de las características interesantes de SMI-2-reacciones mediadas es la capacidad manipular el resultado de las reacciones mediante el uso selectivo de los codisolventes o aditivos. En la mayoría de casos, los aditivos son esenciales en el control de la tasa de reducción y las reacciones de quimio-o estereoselectividad de. 13-14 Aditivos commonly utilizado para ajustar la reactividad de SMI 2 pueden clasificarse en tres grupos principales: (1) bases de Lewis (HMPA, otros ligandos donadores de electrones, éteres quelantes, etc), (2) fuentes de protones (alcoholes, agua, etc ), y (3) los aditivos inorgánicos (Ni (acac) 2, FeCl 3, etc). 3

La comprensión del mecanismo de SMI 2 reacciones y el papel de los aditivos permite la utilización de todo el potencial del reactivo en síntesis orgánica. La reacción Sm-Barbier es elegido para ilustrar la importancia sintético y función mecánica de dos aditivos comunes: HMPA y Ni (II) en esta reacción. La reacción Sm-Barbier es similar a la tradicional reacción de Grignard con la única diferencia de que el alquilo haluro de carbonilo, y Sm reductor se mezclan simultáneamente en un solo recipiente. 1,15 ejemplos de reacciones mediadas por Barbier Sm con una variedad de asociados de acoplamiento se ha informado, 1,3,7,10,12 y han sido utilized en pasos clave de la síntesis de grandes productos naturales. 16,17 Estudios anteriores sobre el efecto de los aditivos en el SMI 2 reacciones han demostrado que HMPA aumenta el potencial de reducción de SmI 2 coordinando, en el centro de samario metal, produciendo una más potente, 13-14,18 estéricamente gravado reductor 19-21 y en algunos casos juegan un papel integral en puestos de transferencia de electrones que faciliten pasos subsiguientes forman el enlace de eventos. 22 En la reacción de Sm-Barbier, HMPA se ha demostrado que activar adicionalmente el haluro de alquilo mediante la formación de un complejo en una etapa de pre-equilibrio. 23

Ni (II) son las sales de un aditivo catalítico utilizado frecuentemente en Sm mediadas transformaciones. Aunque crítico para el éxito 24-27, la función mecánica de Ni (II) no era conocido en estas reacciones. Recientemente se ha demostrado que reduce SmI 2 Ni (II) a Ni (0), y la reacción se lleva a cabo a través de organometallic Ni (0) química 28.

Estos estudios mecanísticos destacar que aunque el producto Barbier se obtiene la misma, el uso de aditivos diferentes en el SMI 2 reacción altera drásticamente el mecanismo de la ruta de la reacción. El protocolo para el funcionamiento de estos SmI 2-iniciados reacciones se describe.

Protocol

1. Síntesis de SmI 2 (0,1 M) Llama seco de 50 ml, matraz de fondo redondo y lávelo con argón. Añadir una barra de agitación y cubrir el recipiente con septos. Pesar samario metálico (0,2 g, 1,3 mmol) y se añade al matraz, de nuevo lavado del matraz con argón. Añadir 10 ml seco, completamente desgasificada de tetrahidrofurano (THF), seguido de cristales de yodo (0,254 g, 2,0 mmol). Añadir un balón de argón a través del tabique, lo que mantiene una presión positiva de la atmósfera de Ar sobre la reacción. Agitar la solución vigorosamente a temperatura ambiente durante más de 3 horas. Como SmI 2 se genera la solución pasa a través de una variedad de cambios de color naranja seguido por el amarillo (45 min), y verde (1 h) que eventualmente se convierte en azul. La final de color azul marino es indicación de que simplemente ionizado samario se ha formado. Con el fin de asegurar la conversión completa, se agita la solución durante al menos 3 horas antes de utilizar SmI 2 en la síntesis. 2. Samarium Barbier-Reacción hexametilfosforamida (HMPA) Adición Para hacer que el SMI 2-HMPA complejo, tomar la recién preparada SmI 2 en atmósfera de argón (10 ml, 0,1 M, 1,0 mmol) y se añade 1,75 ml de HMPA (10 equiv., 10 mmol) mediante una jeringa, gota a gota, en atmósfera de argón. Se forma un color morado oscuro en color. Por separado en un vial limpio y seco, en atmósfera de argón, se añade iodododecane (0,45 mmol, 110 l), 3-pentanona (0,45 mmol, 48 l) y 2 ml de THF seco. Añadir la mezcla gota a gota solución de sustrato para el SMI 2 / HMPA complejo. Dentro de 5 minutos de agitación, el color púrpura empezará a tener un aspecto turbio, lo que indica el final de la reacción. Después de que la reacción es completa, exponer la solución a aire para extinguirlo; después de agitar los cambios de color adicionales a amarillo. La reacción se elaboró ​​por lavado con cloruro de amonio acuoso saturado. Añadir la solución a un embudo de separación y añadir éter dietílico (5 ml). Después de una agitación vigorosa eliminarla capa orgánica superior, añadir más éter dietílico. Extracto de la capa acuosa dos veces más y entonces combinar todas las capas orgánicas. Se lava la capa orgánica con una solución saturada de tiosulfato de sodio acuoso. Eliminar la capa acuosa inferior, seguido de lavado con agua y después lavado final con salmuera. Obtener la capa orgánica superior y añadir sulfato de magnesio para que absorba la última cantidad de agua presente en la solución. Pasar la solución a través de un tapón de Florisil con el fin de eliminar el exceso de HMPA. Se concentra la solución en un evaporador rotatorio para obtener Barbier producto. El producto se identificó por GCMS y RMN 1 H. 23 3. Samario Barbier Reaction-Ni (acac) 2 Catalizador Pesar Ni (acac) 2 (1% en moles, 0,01 mmol, 0,0026 g) y se añade a un vial limpio y seco, que contiene 3 ml de THF desgasificado, en atmósfera de argón. Añadir el Ni (acac) 2 solución a través de una jeringa a una s recién preparadolución de 0,1 M SmI 2 (1,0 mmol, 10 ml). Por separado en un vial limpio y seco, en atmósfera de argón, se añade iodododecane (0,45 mmol, 110 l), 3-pentanona (0,45 mmol, 48 l) y 2 ml de THF seco. Añadir gota a gota la solución de sustrato para el SMI 2 / mezcla Ni. A los quince minutos de agitación, el color azul se disipará para formar un color amarillo-verde que indica el final de la reacción. Después de que la reacción es completa, exponer la solución a aire para extinguirlo; después de agitar los cambios de color adicionales a amarillo. Trabajo hasta la reacción por lavado con 0,1 M aq. El ácido clorhídrico (3 ml). Añadir la solución a un embudo de separación y añadir éter dietílico (5 ml). Se lava la capa orgánica usando el protocolo descrito anteriormente con una solución acuosa de tiosulfato de sodio, agua y salmuera, y después se seca sobre sulfato de magnesio. Se concentra la solución para obtener Barbier producto. El producto puede ser identificado por GCMS y RMN 1 H. 28 </sup>

Representative Results

La Figura 1 ilustra la reacción de Barbier samario. Sin aditivos de la reacción Sm mediada toma 72 hr; dando 69% del producto deseado con los restantes son materiales de partida. Con la adición de 10 o más equiv. de HMPA la reacción es casi cuantitativa y completa en unos pocos minutos. 15,23 Con la adición de 1 mol% de Ni (acac) 2, la reacción se completa en 15 min, con un rendimiento de 97%. 28 Cuando se añade HMPA a SMI 2, los desplaza cosolventes El THF coordinado para formar SmI 2 – (HMPA) 4. Con la adición de incluso más HMPA (6-10 equiv.), Los iones de yoduro son desplazados a la esfera exterior (Figura 2). 19-21 Estudios mecanísticos indican que cuando HMPA se utiliza en la reacción de Sm-Barbier el codisolvente también interactúa con el haluro de alquilo sustrato formando un complejo que alarga el enlace carbono-haluro, la activación de la species haciéndola más susceptible a la reducción por Sm (Figura 3). A través de esta comprensión detallada de las funciones de HMPA, un mecanismo para la reacción de Barbier con Sm-HMPA fue propuesto (Figura 4). 23 El haluro de alquilo-HMPA complejo formado en una etapa de pre-equilibrio se reduce por Sm / HMPA para formar el radical en el paso determinante de la velocidad. El radical se somete a reducción adicional para formar una especie organosamarium que se acopla con el carbonilo y sobre los rendimientos de la protonación del producto final. En el caso de Ni (II) aditivo, SmI 2 reduce inicialmente Ni (II) a Ni (0) preferentemente con respecto a la reducción de cualquiera de los sustratos. Basado en los estudios cinéticos y mecanísticos el mecanismo se propuso el siguiente (Figura 5). 28 después de la reducción por SMI 2, el NI soluble (0) insertos especies en el enlace haluro de alquilo formando una especie organonickel. Impulsada por la naturaleza altamente oxófilo de Sm (III) , Transmetalación para formar un intermedio organosamarium comunicados de Ni (II) de nuevo en el ciclo catalítico. El organosamarium entonces pareja con el carbonilo, y sobre la protonación forma el alcohol terciaria deseada. También se observó que el Ni (0) nanopartículas se forman a través de Sm-mediada por la reducción de Ni (II), sin embargo estas partículas resultaron ser inactivo y la fuente de la desactivación del catalizador. Figura 1. Samario Barbier reacción con iodododecane y 3-pentanona. Figura 2. SmI 2-HMPA complejo. ontenido "fo: keep-together.within-page =" always "> Figura 3. HMPA y complejo yoduro de alquilo. Figura 4. Mecanismo propuesto para la reacción de Barbier samario con HMPA exceso. Figura 5. Mecanismo propuesto para la reacción samario Barbier catalítico que contiene Ni (II).

Discussion

Un procedimiento sencillo para la generación de SMI 2 solución y su aplicación en síntesis orgánica utilizando dos de los aditivos más comunes que se presentan aquí. Los dos ejemplos descritos retratar la importancia de comprender el mecanismo de la reacción para ajustar la reactividad de SMI 2. El conocimiento de la apuntalamiento del mecanismo de reacción permite que el uso de este reactivo a ser adaptado por los químicos sintéticos como por las necesidades de su reacción.

Este único reductor homogénea de electrones es fácil de manejar y se pueden adquirir de fuentes comerciales. Mientras que el protocolo anterior es directa cuando se realiza bajo condiciones inertes, algunos de los procedimientos de resolución de problemas comunes son: (a) asegurarse de que el THF se desgasificó y se seca adecuadamente, (b) si el metal Sm ha tenido una exposición prolongada al aire que podría tener un oxida la capa exterior, moler el metal con un mortero y pestal para exponer la superficie metálica limpia, (c)llama secar el material de vidrio y enfriar en atmósfera de argón, (d) de argón se prefiere atmósfera inerte en nitrógeno, como la tarde se ha demostrado que interactúan con el metal, (e) La presencia de exceso de Sm-metal ayuda a mantener la concentración de SmI 2, (f) resublime los cristales de yodo.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

RAF agradece a la Fundación Nacional de Ciencia (CHE-0844946) para el apoyo de este trabajo.

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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