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Chemistry

Synthèse sans métal de Ynones de Acyl chlorures et du potassium Alkynyltrifluoroborate Sels

Published: February 24, 2015
doi:
10.3791/52401
,
1Faculty of Science,University of Ontario Institute of Technology

Summary

The goal of this manuscript is to demonstrate a straightforward method for the preparation of ynones from acyl chloride and potassium alkynyltrifluoroborate salt starting materials. The one-pot reaction proceeds rapidly in the presence of boron trichloride without exclusion of air and moisture.

Abstract

Ynones are a valuable functional group and building block in organic synthesis. Ynones serve as a precursor to many important organic functional groups and scaffolds. Traditional methods for the preparation of ynones are associated with drawbacks including harsh conditions, multiple purification steps, and the presence of unwanted byproducts. An alternative method for the straightforward preparation of ynones from acyl chlorides and potassium alkynyltrifluoroborate salts is described herein. The adoption of organotrifluoroborate salts as an alternative to organometallic reagents for the formation of new carbon-carbon bonds has a number of advantages. Potassium organotrifluoroborate salts are shelf stable, have good functional group tolerance, low toxicity, and a wide variety are straightforward to prepare. The title reaction proceeds rapidly at ambient temperature in the presence of a Lewis acid without the exclusion of air and moisture. Fair to excellent yields may be obtained via reaction of various aryl and alkyl acid chlorides with alkynyltrifluoroborate salts in the presence of boron trichloride.

Introduction

The intention of this video is to demonstrate a straightforward approach for the preparation of compounds containing an ynone functional group from convenient starting materials. Ynones are valuable building blocks in organic chemistry that have been shown to have biomedical and material significance. Ynones are precursors to valuable organic functional groups including pyrimidines,1,2 quinolones,3 furans,4 pyrazoles,5,6 flavones,7 oximes,8 and chiral propargylic alcohols.9-11 A more convenient method for the preparation of ynones has been sought as a result of the drawbacks of traditional methods including poor functional group tolerance and tedious synthetic routes.

The reaction of metal12,13 and metalloid14 acetylides with acyl chlorides is one common route for the preparation of ynones. Alternatively, the synthesis of ynones from acyl chloride can be achieved via two-step procedures using Weinreb amides and organolithium or Grignard reagents.15 Another prevalent approach includes the addition of organolithium or Grignard reagents to an aldehyde, which is followed by the oxidation of a secondary alcohol to the corresponding ketone.16-19 Poor functional group tolerance of metal acetylides and the need to purify synthetic intermediates after each step are main deficiencies of the aforementioned methods. Transition-metal-catalyzed carbonylative couplings have recently emerged as an alternative approach for the preparation of ynones.20-22 Unfortunately, in addition to cost and toxicity associated with transition metals, metal-catalyzed carbonylative reactions often require elevated CO pressures and suffer from the presence of an undesired Sonogashira coupling byproduct. Given their utility in organic synthesis as well as the drawbacks associated with traditional synthetic methods, the development of a more straightforward method for the preparation of ynones is appealing.

Potassium organotrifluoroborate salts have recently emerged as versatile reagents in organic synthesis. Advantages including ease of preparation,23 inherent stability, low toxicity, and good functional group tolerance have made organotrifluoroborate salts attractive synthetic reagents.24-27 Organotrifluoroborate salts have been used primarily as a bench-stable equivalent of boronic acids for palladium-catalyzed Suzuki-Miyaura coupling.26 Recently, following a seminal work by Matteson and co-workers,28 Bode, Molander and others have highlighted the utility of organotrifluoroborates as reagents in non-metal catalyzed reactions.29-33 The field of transition-metal-free reactions of trifluoroborates is still in its infancy stage. Given the great potential for use of organotrifluoroborate salts in non-metal catalyzed organic synthesis, we sought to develop a novel method for the preparation of ynones from acyl chlorides and alkynyltrifluoroborate salts.

Protocol

1. Synthèse de Ynone En utilisant une balance analytique, peser 0,15 mmol de potassium souhaitée sel alkynyltrifluoroborate (1,5 équivalents) et ajouter dans un flacon propre équipé d'une barre d'agitation magnétique. L'utilisation d'un piston de seringue en verre muni d'une aiguille, ajouter 0,5 ml de DCM anhydre à la fiole pour donner une solution 0,3 M de trifluoroborate. NOTE: Comme il se agit d'une nouvelle méthodologie, les réactions ont été réalisées pour la preuve de concept. Afin de réduire les déchets qu'ils ont été effectués sur une petite échelle. La réaction peut être mise à l'échelle pour produire des rendements plus élevés selon les besoins. En utilisant une seringue en verre, ajouter 0,15 mmole d'une solution 1,0 M de trichlorure de bore (1,5 équivalents) goutte à goutte 150 ul de la cuve de réaction à la température ambiante (20 ° C) sous agitation. Remettre le bouchon. Maintenir ou à fixer le récipient de réaction coiffé de telle sorte que la solution réactionnelle est inférieure à la ligne de flottaison dans le sonicateur. Soniquer la solution pendant 30 s à 20 ° C et une fréquence of 40 kHz. Agiter la solution réactionnelle à la température ambiante (20 ° C) pendant 20 minutes supplémentaires. Selon la nature du matériau de départ alkynyltrifluoroborate, observer un changement de couleur. Un changement de couleur du blanc au beige ou brun foncé, rouge, ou pourpre est commun. Ajouter 0,1 mmol du chlorure d'acyle désiré (1,0 équivalent) dans le flacon à température ambiante (20 ° C) sous agitation. En variante, transférer le contenu du récipient de réaction dans un ballon chargé avec un barreau d'agitation magnétique et 0,1 mmol de chlorure d'acyle. Remettre le bouchon. Agiter la solution de réaction à température ambiante (20 ° C) pendant 30 min. NOTE: En règle générale, un changement à une couleur très sombre est une indication que la réaction se déroule. L'utilisation d'une Chromatographie en couche mince (TLC) 34 surveiller la progression de la réaction par comparaison avec le standard de chlorure d'acyle approprié. REMARQUE: Selon la nature des matériaux de départ, la réaction ne peut pas aller à son terme. L'unchlorure cyl matériau de départ a été observé comme une tache de roulement plus élevé que le produit final pour tous les ynones préparés à ce jour en utilisant cette méthode. Préparer la norme de chlorure d'acyle en diluant environ 10 mg du chlorure d'acyle avec une matière de départ ml d'acétate d'éthyle dans un petit flacon. L'utilisation d'un spotter TLC, repérer la solution de réaction et la norme sur la ligne de départ de la plaque TLC. Un co-spot à la fois la solution de réaction et de la norme peut être utile pour déterminer si il ya du matériel présent dans la solution de réaction encore partir. Déterminer une phase mobile TLC appropriée par essais et erreurs. Pour la préparation des produits 1a, une phase mobile constituée de 1:30 acétate d'éthyle: hexanes résultats en valeurs de Rf d'environ 0,5 et 0,8 pour le produit de ynone et du chlorure de benzoyle matière de départ, respectivement. Visualisez la plaque de CCM développé sous la lumière UV. Utilisez un crayon pour marquer toutes les taches visibles. 2. Le traitement aqueux Stopper la réaction en ajoutant 1 ml d'eau froide (environ 5 ° C) dans le récipient de réaction. En utilisant une pipette Pasteur, transférer la solution dans une ampoule à décanter propre. Diluer le contenu de l'ampoule à décanter avec 10 ml d'eau froide et extrait le produit une fois dans 15 ml d'acétate d'éthyle. Jeter la couche aqueuse inférieure et laver la couche organique une fois avec 10 ml supplémentaires d'eau et une fois avec 10 ml de saumure. Recueillir la phase organique dans un erlenmeyer propre et sèche avec du sulfate de magnésium. Filtrer la solution dans un ballon à fond rond propre en utilisant une filtration par gravité. 3. Purification de Ynone En utilisant la Chromatographie sur couche mince, déterminer une phase mobile appropriée pour Chromatographie éclair purification du produit. Un facteur de rétention (Rf) d'environ 0,5 est généralement suffisante pour séparer le produit de départ tout en restanttion de matériaux et produits secondaires. NOTE: Dans le cas d'une mauvaise séparation, un système solvant moins polaire peut être utilisé de telle sorte que le produit a une valeur Rf inférieure. En fonction de la polarité des matériaux de départ, un mélange hexanes: acétate d'éthyle dans l'intervalle de 30: 1 à 5: 1 est généralement approprié. Préparer une colonne contenant de la silice humide avec la phase mobile appropriée. Ajouter une couche de sable au sommet de la colonne afin d'éviter lors de l'addition de la silice perturbateur du produit et éluant. Evaporer la solution de traitement final au moyen d'un évaporateur rotatif, la température du bain à 40 ° C et la rotation fixé à 120 tours par minute. Dissoudre le contenu de la fiole dans un 2 ml de phase mobile et soigneusement charger uniformément la solution sur la colonne. Assurez-vous que la silice est humide, mais la ligne de solvant ne dépasse pas la hauteur de la silice. Laisser un peu de solvant pour l'élution de telle sorte que le produit se trouve sur la silice. Ajouter une petite quantité de phase mobile et répétez. Remplissez le colUMN avec la phase mobile déterminé à l'étape 3.1; dans le cas des produits 1a, à 30: 1 d'hexanes: acétate d'éthyle mélange est appropriée. On récupère les fractions dans des tubes à essai en utilisant une Chromatographie flash pour accélérer le processus de purification. Il suffit de brancher un adaptateur avec tube à une prise d'air. Régler la pression d'air de telle sorte que le flux d'éluant à travers la colonne à un débit approprié. Repérer chacune des fractions de colonne sur une plaque de CCM. Eventuellement, repérer la norme de chlorure d'acyle comme référence. Développer le CCM en utilisant la phase mobile jugé approprié dans l'étape 1.8. Marquez toutes les taches visibles sous lumière UV, notant que le produit devrait avoir un R f inférieure à la norme de chlorure d'acyle. Recueillir toutes les fractions contenant taches visibles dans un grand ballon à fond rond. Si plus d'un spot avec un R f inférieure à celle du matériau de départ est présent, les recueillir dans des flacons séparés. On évapore le solvant en utilisant un évaporateur rotatif et on sèche la matière collectée under vide poussé pendant deux heures. Si nécessaire, effectuer un lavage de pentane sur une petite colonne pour purifier en outre un produit de ynone préparé à partir d'un matériau de départ pauvre en chlorure d'acyle d'électrons. A petite échelle, ceci peut être réalisé en utilisant une pipette Pasteur en tant que colonne. On dissout le produit dans un minimum de chloroforme, du DCM ou de l'éther diéthylique et de la charge sur une colonne de silice par voie humide avec du pentane. Elute 1-2 longueurs de colonnes de pentane à travers la colonne et recueillir dans un bécher de déchets. Éluer le produit de ynone pur de la colonne de pentane en utilisant de l'éther diéthylique ou l'acétate d'éthyle. Recueillir éluant dans un ballon séparé, évaporer, et le placer sous vide poussé pendant un minimum de deux heures. Obtenir environ 10 mg de produit pour la caractérisation par spectroscopie RMN. 4. Caractérisation des Ynone Caractériser et évaluer la pureté du produit final en utilisant 1 H et 13 spectroscopie RMN C. 34Typiquement, le déplacement chimique du carbone du groupe carbonyle apparaît près de 177 ppm sur le spectre 13 C-RMN. Les deux atomes de carbone du SP de la fonction ynone sont représentés par des pics caractéristiques proches de 87 et 93 ppm. Utiliser la spectroscopie infrarouge 34 pour identifier le pic caractéristique du carbonyle du produit de ynone. Délocalisation d'électrons à partir de la triple liaison adjacent provoque généralement le pic carbonyle apparaisse entre 1600 et 1650 cm -1, en ​​fonction des caractéristiques électroniques du composé. Déterminer la masse moléculaire du produit et de valider davantage l'identité en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution. 34

Representative Results

Les efforts initiaux se sont concentrés autour de la préparation des ynone 1a du phénylacétylène trifluoroborate S1 et chlorure de benzoyle (Figure 1). Tableau 1 illustre les étapes d'optimisation effectué, y compris le dépistage de différents acides de Lewis, des solvants, ainsi que l'examen de l'effet de l'eau sur la réaction . Ensuite, l'étendue de la réaction a été étudiée en soumettant phénylacétylène trifluoroborate des conditions optimisées en présence d'une variété de chlorures d'acyle (figure 2). Modest à d'excellents rendements peuvent être obtenus en fonction de la nature du substrat de chlorure d'acyle. L'étendue de la réaction a en outre été évalué par la préparation de plusieurs exemples supplémentaires de sels alkynyltrifluoroborate. La figure 3 illustre des exemples d'autres sels choisis alkynyltrifluoroborate qui peuvent être employés dans la préparation de ynones dans les conditions développées. Dérivés de phenylacetylene trifluoroborate électrons de palier substituants donneurs offertes les produits correspondants dans ynone rendements bons à excellents tandis dérivés aliphatiques de sels alkynyltrifluoroborate se sont avérés être procurant des rendements modestes légèrement moins réactifs. Figure 1: Préparation de 1a Ynone de phénylacétylène trifluoroborate S1 et chlorure de benzoyle schéma illustrant les conditions de préparation de 1a ynone y compris la formation de l'intermédiaire réactif dichloroborane.. Figure 2:. Représentant une gamme de H ynone 1a RMN déplacements chimiques et les intégrations relatives des protons caractéristiques sont étiquetés. <p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "always"> Figure 3:. Représentant 13 C spectre de ynone 1a RMN déplacements chimiques des atomes de carbone caractéristiques sont étiquetés. Figure 4:. Représentant spectre de ynone 1a obtenu par ionisation chimique à pression atmosphérique Le HRMS m / z de la valeur mesurée [M + H] + ion est signalé. Figure 5: Réactions de sel de phenylacetylenetrifluoroborate S1 avec des chlorures d'acyle Structures et des rendements pour les produits fabriqués en faisant varier l'identité.de la matière de départ chlorure d'acyle sont illustrés. Les réactions ont été effectuées avec 1 équivalent de chlorure d'acyle, 1,5 équiv phenylacetylenetrifluoroborate S1 de potassium, le trichlorure de bore et 1,5 équiv. Figure 6: Réactions de diverses. Alkynyltrifluoroborates avec des chlorures d'acyle structures et des rendements des produits obtenus en faisant varier l'identité du matériau de départ sont illustrés alkynyltrifluoroborate. Les réactions ont été effectuées avec 1 équivalent de chlorure d'acyle, 2,5 équiv sel de potassium et 2,5 équiv organotrifluoroborate trichlorure de bore. Entrée Acide de Lewis Acide de Lewis (équiv) Conditions Rendement (%) 1 b </ Sup> SiO 2 16,5 CH 2 Cl 2 0 2 SiCl 4 1 CH 2 Cl 2 trace 3 BF 3 · OEt 2 1 CH 2 Cl 2 trace 4 b FeCl 3 1 CH 2 Cl 2 24 5 c AlCl 3 1 CH 2 Cl 2 62 6 d AlCl 3 1 CH 2 Cl 2 66 7 e AlCl 3 1 CH 2 Cl 2 60 8 AlCl 3 </sub> 1 THF trace 9 AlCl 3 1 toluène trace 10 AlCl 3 2 ClCH 2 CH 2 Cl 33 11 AlCl 3 1 DMSO trace 12 AlCl 3 2 acétonitrile trace 13 AlCl 3 · 6H 2 O 1 CH 2 Cl 2 0 14 b BCl 3 1,5 CH 2 Cl 2 67 15 BBr3 1 CH 2 Cl 2 20 <strong> Tableau 1:. L'optimisation des conditions pour la préparation de 1a ynone un rendement de produit 1a lors de la variation de conditions de réaction et catalyseur acide de Lewis. Un réactions ont été conduites avec 1 équivalent de chlorure de benzoyle et 1 équivalent phenylacetylenetrifluoroborate de potassium S1. B 1.5 équiv S1. C des conditions anhydres. D La réaction a été effectuée dans de la verrerie non séché sous air. E conditions anhydres + 1 pi d'eau.

Discussion

Le tableau 1 illustre les mesures prises pour optimiser les conditions de la réaction de phénylacétylène trifluoroborate avec du chlorure de benzoyle pour former le produit de ynone correspondant. Initialement, les catalyseurs connus pour convertir organotrifluoroborates à organodifluoroboranes ont été testés. Malheureusement, gel de silice, 35 le tétrachlorure de silicium, le trifluorure de bore 36 et 31,32 ne favorise pas la formation de la ynone désirée (tableau 1, entrées 1 à 3). L'utilisation de catalyseurs chlorés d'acide de Lewis se est avérée plus fructueuse. Un faible rendement en ynone 1a désiré a été obtenu en présence d'un catalyseur de fer (III) chlorure (tableau 1, entrée 4). Ensuite, l'aluminium (III) chlorure a été étudiée en raison de sa capacité bien établie pour favoriser la formation d'ions oxocarbénium dans acylations de Friedel-Crafts. 37 à 39 Le produit souhaité a été obtenu en un rendement de 62% lors d'aluminium (III) un catalyseur de chlorure était empLoyed.

En outre révélé que l'optimisation de l'air et de l'humidité ont peu d'effet sur ​​le rendement de la réaction (tableau 1, entrées 5-7). En conséquence, les réactions suivantes ont été effectuées dans de la verrerie séchée à la non-présence d'air. Les tentatives visant à optimiser le solvant a révélé que le dichlorométhane (DCM) est particulièrement bien adaptée à la réaction (tableau 1, entrées 8-12). Des incohérences dans les résultats de réactions catalysées par l'aluminium (III) chlorure incité l'exploration de catalyseurs alternatifs. Disponible dans le commerce aluminium (III) chlorure hexahydraté était complètement inactif dans les conditions de réaction (tableau 1, entrée 13). Ce est un bon indicateur de la formation de l'aluminium (III) chlorure hydrate inhibe la réaction. Le trichlorure de bore a été trouvé pour produire des rendements similaires avec une meilleure cohérence (tableau 1, entrée 14).

Lors de l'interaction du alkynyltriflu de potassiumoroborate avec le trichlorure de bore, une espèce organodichloroborane plus réactifs est formé. 40 Cette première étape est essentielle pour la réaction avec le chlorure d'acyle et de la formation ynone de procéder. Comme sels organotrifluoroborate ne sont pas solubles dans du DCM, la réaction a lieu sous forme de mélange hétérogène. Après l'addition de trichlorure de bore, la solution est soniquée afin de faciliter la formation des espèces réactives dichloroborane en augmentant la surface spécifique du sel de trifluoroborate disponible pour réagir. Application d'ondes ultrasonores au mélange réactionnel provoque des effets mécaniques par le biais de la génération de bulles de cavitation. Durant la sonication, l'effondrement des bulles de cavitation dans les résultats de fluide dans des zones localisées de températures et pressions élevées. 41 Les ondes de choc sont produites qui créent une turbulence microscopique résultant en une augmentation de l'énergie cinétique des sels de trifluoroborate solides. L'augmentation de l'énergie du système pendant la sonication promotes fragmentation du sel résultant trifluoroborate augmentation de la surface disponible pour interagir avec le trichlorure de bore. La sonication du mélange réactionnel avant l'addition de la matière de départ chlorure d'acyle assure la formation efficace des espèces réactives alkynyldichloroborane sans avoir besoin de plusieurs conditions de désolidarisation ou de plus longs temps de réaction.

La figure 2 illustre les résultats obtenus lorsque trifluoroborate phénylacétylène a été amené à réagir avec une variété de chlorures d'acyle dans les conditions de réaction optimales. Neutre aromatique (1b, 1c) et aliphatique (1j-l) des chlorures d'acyle correspondants ynones fournir les rendements de synthèse utiles. Ces chlorures d'acyle portant des groupes donneurs d'électrons (1d-g) fournissent d'excellents rendements alors que les groupes attracteurs d'électrons donnent des rendements relativement modestes (1h, 1i, 1m). Interestingly, lorsque le groupe attracteur d'électrons est situé en position ortho (1i, 59%), une augmentation de rendement significative ne est observée par rapport à l'analogue substitué par un chlorure d'acyle (1h, 30%). L'interaction stérique du substituant en position ortho peut forcer la fonction carbonyle en dehors du plan, compensant ainsi le caractère attracteur d'électrons du cycle aromatique. Il est à noter que le chlorure de 4-bromobutyryle réagi pour donner le 1m produit désiré avec un rendement de 39%. À notre connaissance, ce est le premier protocole pour la synthèse de ynones à tolérer un groupe fonctionnel de bromure d'alkyle. Occasionnellement, lorsque le chlorure d'acyle produit de départ est neutre ou déficient en électrons, des impuretés aliphatiques apparaissent sur la RMN du proton. Cela peut nécessiter un lavage de pentane pour purifier davantage le produit. Alors que possible, il ne est pas économique d'effectuer le lavage de pentane pendant la première étape de purificationepuis pentane est coûteux en comparaison à l'hexane. Fin de l'épuration secondaire séparément sur une plus petite échelle, comme une colonne de pipette Pasteur réduit considérablement la quantité de pentane requis.

La figure 3 illustre l'effet de l'identité du sel alkynyltrifluoroborate sur le rendement de la réaction. En général, les dérivés des substituants donneurs d'électrons portant le sel de phénylacétylène sur le noyau aromatique mis à réagir avec des chlorures d'acyle aromatiques et aliphatiques pour produire les ynones souhaités dans rendements bons à excellents (2a-c, 3a-c). Sels alkynyltrifluoroborate aliphatiques révélés être des substrats moins réactifs. De modestes rendements ont été obtenus lorsque hexynyl- et sels cyclopentylethynyltrifluoroborate ont été mis à réagir avec des dérivés d'électrons riches en chlorure de benzoyle (4a, 5a).

En conclusion, un nouveau procédé pour la préparation of ynones de chlorures d'acides et les sels de potassium alkynyltrifluoroborate a été développé. Les rendements obtenus pour la synthèse de ynones par cette tranche de méthode de modeste à excellente fonction de la nature du chlorure d'acyle et trifluoroborate matières de départ. En général, les produits de départ portant les substituants donneurs d'électrons sont soumis à la réaction plus facilement que les produits de départ portant des groupes fonctionnels électrophiles et neutres. La valeur de cette approche réside dans la simplicité et la tolérance groupe fonctionnel opérationnelle de la méthode. Cette réaction en un seul pot simple se déroule rapidement à la température ambiante en présence de trichlorure de bore sans exclusion de l'air et de l'humidité. Ce procédé commode peut être utilisée dans la préparation de ynones modeste en d'excellents rendements à partir d'une variété de chlorures d'acyle et des sels alkynyltrifluoroborate.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the UOIT start-up fund. We thank Mr. Matthew Baxter (UOIT) for his assistance in the laboratory.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Sonicator VGT 1860QT Ultrasonic cleaner. Similar sonication devices may be used.
Dichloromethane Sigma 270997 Anhydrous
Boron trichloride solution  Sigma 178934 1M solution in DCM
Acyl chloride Sigma Various Acyl chlorides from other suppliers such as Alfa Aesar may be used. Caution – refer to MSDS for safety information.
Potassium alkynyltrifluoroborate salt N/A N/A Synthesized23 from terminal alkyne
Ethyl acetate ACP E-2000 ACS grade
Hexanes ACP H-3500 ACS grade
Pentane Sigma 236705 Anhydrous
Magnesium sulfate Sigma M7506
Filter paper Whatman 1093 126 Student grade. This speceific variety is not necessary.
Silica Gel 60 EMD 1.11567.9026 Particle size 0.040-0.063
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Taylor, C. L., Bolshan, Y. Metal-free Synthesis of Ynones from Acyl Chlorides and Potassium Alkynyltrifluoroborate Salts. J. Vis. Exp. (96), e52401, doi:10.3791/52401 (2015).
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