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Abstract
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Chemistry

Sintesi senza metallo di Ynones da Acyl Cloruri e Potassio Alkynyltrifluoroborate Sali

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. Sintesi di Ynone Utilizzando una bilancia analitica, pesare 0,15 mmol di potassio desiderato sale alkynyltrifluoroborate (1,5 equivalenti) e aggiungere ad una fiala pulita dotata di ancoretta magnetica. Usando una siringa di vetro stantuffo con ago, aggiungere 0,5 ml di DCM anidro alla fiala di permettersi una soluzione 0.3 M di trifluoroborate. NOTA: Dal momento che si tratta di una nuova metodologia, le reazioni sono state eseguite per prova di concetto. Al fine di ridurre i rifiuti che sono stati effettuati su piccola scala. La reazione può essere scalata a produrre rendimenti più grandi come richiesto. Usando una siringa di vetro, aggiungere 0,15 mmoli di 1,0 M soluzione di tricloruro di boro (1,5 equivalenti, 150 microlitri) goccia a goccia nel recipiente di reazione a temperatura ambiente (20 ° C) sotto agitazione. Sostituire il tappo. Tenere o bloccare il recipiente di reazione capped tale che la soluzione di reazione è al di sotto della linea di galleggiamento in sonicatore. Sonicare la soluzione per 30 sec a 20 ° C e una frequenza of 40 kHz. Mescolare la soluzione di reazione a temperatura ambiente (20 ° C) per un ulteriore 20 min. A seconda della natura del materiale di partenza alkynyltrifluoroborate, osservare un cambiamento di colore. Un cambiamento di colore dal bianco al marrone chiaro o marrone scuro, rosso, o viola è comune. Aggiungere 0,1 mmoli di cloruro acilico desiderato (1,0 equivalenti) al flaconcino a temperatura ambiente (20 ° C) sotto agitazione. In alternativa, trasferire il contenuto del recipiente di reazione in un pallone caricato con ancoretta magnetica e 0,1 mmoli di cloruro acilico. Sostituire il tappo. Mescolare la soluzione di reazione a temperatura ambiente (20 ° C) per 30 min. NOTA: Generalmente, una modifica a un colore molto scuro è un'indicazione che la reazione ha luogo. Utilizzando una cromatografia su strato sottile (TLC) 34 monitorare l'andamento della reazione confrontando con appropriata norma cloruro acilico. NOTA: A seconda della natura dei materiali di partenza, la reazione non può andare a completamento. L'acyl cloruro di materiale di partenza è stato osservato come un punto di funzionamento più elevata del prodotto finale per tutte le ynones preparati per data utilizzando questo metodo. Preparare lo standard cloruro acilico diluendo circa 10 mg di cloruro acilico materiale di partenza di 1 ml di acetato di etile in una piccola fiala. Utilizzando un spotter TLC, individuare la soluzione di reazione e lo standard sulla linea di partenza della piastra TLC. Un co-spot con la soluzione di reazione e standard può essere utile per determinare se vi è ancora materiale di partenza presenti nella soluzione di reazione. Determinare un adeguato fase mobile TLC per tentativi ed errori. Per la preparazione del prodotto 1a, una fase mobile consistente 1:30 acetato di etile: esani produce valori R f di circa 0,5 e 0,8 per il prodotto ynone e cloruro di benzoile materiale di partenza, rispettivamente. Visualizza la piastra TLC sviluppata sotto la luce UV. Utilizzare una matita per segnare tutti i punti visibili. 2. acquosa Workup Quench la reazione aggiungendo 1 ml di acqua fredda (circa 5 ° C) al recipiente di reazione. Usando una pipetta Pasteur, trasferire la soluzione in un imbuto separatore pulita. Diluire ulteriormente il contenuto del imbuto separatore con 10 ml di acqua fredda ed estrarre il prodotto una volta in 15 ml di acetato di etile. Eliminare lo strato acquoso inferiore e lavare lo strato una volta in più organica con 10 ml di acqua e una volta con 10 ml di salamoia. Raccogliere la fase organica in una beuta pulita e asciutta con solfato di magnesio. Filtrare la soluzione in un pallone a fondo tondo pulito con filtrazione a gravità. 3. Purificazione di Ynone Usando cromatografia su strato sottile, determinare una fase mobile adatto per la purificazione cromatografia flash del prodotto. Un fattore di ritenzione (R f) di circa 0,5 è generalmente sufficiente per separare il prodotto da qualsiasi dall'inizio rimanenteing materiali e prodotti collaterali. NOTA: Nel caso di separazione poveri, un sistema solvente meno polare può essere utilizzato in modo tale che il prodotto ha un valore f R inferiore. A seconda della polarità dei materiali di partenza, una miscela esano: acetato di etile nell'intervallo di 30: 1 a 5: 1 è generalmente adatto. Preparare una colonna contenente silice bagnata con la fase mobile appropriata. Aggiungere uno strato di sabbia alla parte superiore della colonna in modo da non disturbare silice dopo l'aggiunta del prodotto e eluente. Evaporare la soluzione workup utilizzando un evaporatore rotante con la temperatura del bagno a 40 ° C e la rotazione impostato a 120 rpm. Sciogliere il contenuto del pallone in un 2 ml di fase mobile e caricare la soluzione con attenzione in modo uniforme sulla colonna. Assicurarsi che la silice è bagnato ma la linea del solvente non superi l'altezza della silice. Ad alcuni solvente per eluire tale che il prodotto è silice. Aggiungere una piccola quantità di fase mobile e ripetere. Riempire il colleumn con la fase mobile determinata al punto 3.1; nel caso del prodotto 1a, a 30: 1 esani: miscela acetato di etile è appropriato. Raccogliere le frazioni in provette mediante cromatografia flash per accelerare il processo di purificazione. È sufficiente collegare un adattatore con tubi a una presa d'aria. Regolare la pressione dell'aria in modo tale che l'eluente scorre attraverso la colonna ad una velocità adeguata. Spot ciascuna delle frazioni di colonna su una piastra TLC. Facoltativamente, individuare lo standard cloruro acilico come riferimento. Sviluppare il TLC con la fase mobile ritenuto opportuno nella fase 1.8. Segnare eventuali macchie visibili ai raggi UV, notando che il prodotto dovrebbe avere un R f inferiore allo standard acilcloruro. Raccogliere tutte le frazioni contenenti macchie visibili in un grande pallone a fondo tondo. Se più di un punto con un R f inferiore al materiale di partenza è presente, raccoglierle in flaconi separati. Si evapora il solvente usando un evaporatore rotante e asciugare il materiale raccolto under alto vuoto per due ore. Se necessario, effettuare un lavaggio pentano su una piccola colonna per purificare ulteriormente un prodotto ynone preparato da una scarsa cloruro acilico materiale di partenza di elettroni. Su una scala ridotta, ciò può essere eseguita usando una pipetta Pasteur come colonna. Sciogliere il prodotto in un minimo di cloroformio, DCM, o dietiletere e il carico su una colonna di silice bagnata con pentano. Eluire 1-2 lunghezze di colonna di pentano attraverso la colonna e raccogliere in un becher rifiuti. Eluire il prodotto puro ynone dalla colonna pentano utilizzando dietiletere o acetato di etile. Raccogliere eluente in un pallone separato, evaporare, e posto sotto alto vuoto per almeno due ore. Ottenere circa 10 mg di prodotto per la caratterizzazione mediante spettroscopia NMR. 4. Caratterizzazione di Ynone Caratterizzare e valutare la purezza del prodotto finale con 1 H e 13 spettroscopia NMR C. 34Tipicamente, il chemical shift del carbonio carbonilico appare vicino 177 ppm nello spettro 13 C NMR. I due carboni SP del gruppo funzionale ynone sono rappresentati dai picchi caratteristici vicino 87 e 93 ppm. Utilizzare spettroscopia infrarossa 34 per identificare il picco caratteristico carbonilico del prodotto ynone. Electron delocalizzazione del triplo legame adiacente solito provoca il picco carbonilico appaia tra 1.600 e 1.650 cm-1, a seconda delle caratteristiche elettroniche del composto. Determinare la massa molecolare del prodotto e convalidare ulteriormente l'identità utilizzando la spettrometria di massa ad alta risoluzione. 34

Representative Results

Gli sforzi iniziali sono concentrati intorno alla preparazione di ynone 1a dal fenilacetilene trifluoroborate S1 e cloruro di benzoile (Figura 1). Tabella 1 illustra i passi di ottimizzazione eseguita compresa proiezione di vari acidi di Lewis, solventi, nonché esame l'effetto dell'acqua sulla reazione . Successivamente, la portata della reazione è stato esplorato presentando fenilacetilene trifluoroborate alle condizioni ottimizzate in presenza di una varietà di cloruri acilici (Figura 2). Modesto rese eccellenti possono essere ottenuti a seconda della natura del substrato cloruro acilico. La portata della reazione è stata ulteriormente valutata attraverso la preparazione di numerosi altri esempi di sali alkynyltrifluoroborate. La figura 3 illustra esempi selezionati di altri sali alkynyltrifluoroborate che possono essere impiegati nella preparazione dei ynones alle condizioni sviluppati. Derivati ​​di phenylacetylene elettrone cuscinetto trifluoroborate donazione sostituenti offerte i prodotti ynone corrispondenti in buona eccellenti rendimenti, mentre i derivati ​​alifatici di sali alkynyltrifluoroborate dimostrato di essere un po 'meno reattivi che offrano rendimenti modesti. Figura 1: Preparazione di Ynone 1a dal fenilacetilene trifluoroborate S1 e benzoil cloruro Scheme illustrando le condizioni per la preparazione di ynone 1a compresa formazione del dichloroborane intermedio reattivo.. Figura 2:. Rappresentante 1 H NMR del ynone 1a turni chimici e integrazioni relative di protoni caratteristici sono etichettati. <p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "always"> Figura 3:. Rappresentante 13 C spettro NMR di ynone 1a cambiamenti chimici di carboni caratteristici sono etichettati. Figura 4:. Rappresentante spettro HRMS di ynone 1a ottenuta tramite ionizzazione chimica a pressione atmosferica Il valore m / z misurata del [M + H] + ioni viene segnalato. Figura 5: Reazioni di sale phenylacetylenetrifluoroborate S1 con cloruri acilici Strutture e dei rendimenti per i prodotti fabbricati variando l'identità.del materiale di partenza cloruro acilico sono illustrati. Le reazioni sono state eseguite con 1 equiv di cloruro acilico, 1.5 equiv phenylacetylenetrifluoroborate potassio S1, e 1,5 equiv tricloruro di boro. Figura 6:. Reazioni di varie alkynyltrifluoroborates con cloruri acilici Strutture e rese dei prodotti ottenuti variando l'identità del materiale di partenza alkynyltrifluoroborate sono illustrati. Le reazioni sono state eseguite con 1 equiv di cloruro acilico, 2,5 di potassio equiv sale organotrifluoroborate e 2,5 equiv tricloruro di boro. Ingresso Acido di Lewis Acido di Lewis (equiv) Condizioni Dare La Precedenza (%) 1 b </ Sup> SiO 2 16.5 CH 2 Cl 2 0 2 SiCl 4 1 CH 2 Cl 2 traccia 3 BF 3 · OEt 2 1 CH 2 Cl 2 traccia 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 traccia 9 AlCl 3 1 toluene traccia 10 AlCl 3 2 ClCH 2 CH 2 Cl 33 11 AlCl 3 1 DMSO traccia 12 AlCl 3 2 acetonitrile traccia 13 AlCl 3 · 6H 2 O 1 CH 2 Cl 2 0 14 b BCL 3 1.5 CH 2 Cl 2 67 15 BBr 3 1 CH 2 Cl 2 20 <strong> Tabella 1:. Ottimizzazione delle condizioni per la preparazione di ynone 1a un rendimento del prodotto 1a al variare delle condizioni di reazione e di catalizzatore acido di Lewis. A reazioni sono stati eseguiti con 1 equiv cloruro di benzoile e 1 equiv phenylacetylenetrifluoroborate potassio S1. B 1.5 equiv S1. C condizioni anidro. D La reazione è stata fatta in vetreria non essiccato sotto aria. E condizioni anidre + 1 ml di acqua.

Discussion

La tabella 1 illustra le misure adottate per ottimizzare le condizioni per la reazione di fenilacetilene trifluoroborate con cloruro di benzoile per formare il prodotto ynone corrispondente. Inizialmente, catalizzatori noti per convertire organotrifluoroborates a organodifluoroboranes sono stati testati. Purtroppo gel di silice, tetracloruro di silicio 35, 36 e trifluoruro di boro 31,32 non promuove la formazione del ynone desiderato (Tabella 1, voci 1-3). L'uso di clorurati catalizzatori acidi Lewis ha dimostrato di essere più successo. Una bassa resa del ynone 1a desiderato è stato ottenuto in presenza di un ferro (III) cloruro di catalizzatore (Tabella 1, voce 4). Successivamente, alluminio (III) cloruro è stato studiato come risultato della sua capacità consolidata per promuovere la formazione di ioni oxocarbenium in acylations Friedel-Crafts. 37-39 Il prodotto desiderato è stato ottenuto nel 62% di resa ottenuta con un alluminio (III) cloruro catalizzatore era employed.

Ulteriore ottimizzazione rivelato che l'aria e l'umidità hanno scarso effetto sulla resa della reazione (Tabella 1, voci 5-7). Di conseguenza, le reazioni successive sono state effettuate in vetro non essiccato in presenza di aria. I tentativi di ottimizzare il solvente rivelato che diclorometano (DCM) è particolarmente adatto per la reazione (Tabella 1, voci 8-12). Le incoerenze nei risultati delle reazioni catalizzate da alluminio (III) cloruro richiesto l'esplorazione di catalizzatori alternativi. Commercialmente alluminio disponibili (III) cloruro esaidrato era completamente inattivo nelle condizioni di reazione (Tabella 1, voce 13). Questo è un buon indicatore che la formazione di alluminio (III) cloruro idrato inibisce la reazione. Boro tricloruro stato trovato per produrre rese simili con maggiore coerenza (Tabella 1, voce 14).

Su interazione del alkynyltriflu potassiooroborate con tricloruro di boro, a più reattivi specie organodichloroborane è formata. 40 Questa fase iniziale è fondamentale per la reazione con il cloruro acilico e formazione del ynone procedere. Poiché i sali organotrifluoroborate non sono solubili in DCM, la reazione avviene come miscela eterogenea. Dopo aggiunta di boro tricloruro, la soluzione è per facilitare la formazione delle specie reattive dichloroborane aumentando l'area superficiale del sale trifluoroborate disponibili per reagire sonicato. Applicazione di ultrasuoni alla miscela di reazione provoca effetti meccanici attraverso la generazione di bolle di cavitazione. Durante sonicazione, collasso della cavitazione bolle nei risultati fluido in aree localizzate di alte temperature e pressioni. 41 onde d'urto sono prodotti che creano turbolenze microscopica risultante in un aumento dell'energia cinetica dei sali trifluoroborate solidi. L'aumento di energia del sistema durante sonicazione promoTES frammentazione del sale trifluoroborate conseguente aumento della superficie disponibile per interagire con tricloruro di boro. Sonicazione della miscela di reazione prima dell'aggiunta del materiale di partenza cloruro acilico assicura la formazione efficace delle specie reattive alkynyldichloroborane senza la necessità di ulteriori condizioni di separazione o tempi di reazione più lunghi.

La Figura 2 illustra i risultati ottenuti quando fenilacetilene trifluoroborate stato fatto reagire con una varietà di cloruri acilici nelle condizioni di reazione ottimizzate. Neutral aromatico (1b, 1c) e alifatici (1 undecies-l) cloruri acilici fornire i ynones corrispondenti rendimenti sinteticamente utili. Quei cloruri acilici portanti gruppi elettron donatori (1d-g) offrono eccellenti rendimenti mentre i gruppi elettron producono rendimenti relativamente modesti (1h, 1i, 1m). Interestingly, quando il gruppo ritirare elettroni si trova in posizione orto (1i, 59%), un significativo aumento di resa è osservata rispetto al para analoghi sostituiti cloruro acilico (1h, 30%). L'interazione sterico del sostituente in posizione orto- può forzare il gruppo funzionale carbonilico fuori dal piano, compensando così il carattere elettron-attrattore dell'anello aromatico. Vale la pena notare che il cloruro di 4-bromobutirril reagito permettere il 1m prodotto desiderato nel 39% di rendimento. A nostra conoscenza, questo è il primo protocollo per la sintesi di ynones tollerare un gruppo funzionale alchilico bromuro. Occasionalmente, quando il cloruro acilico materiale di partenza è neutro o deficiente di elettroni, impurità alifatici appaiono sul NMR protonica. Ciò può richiedere un lavaggio pentano per purificare ulteriormente il prodotto. Mentre possibile, non è economico per effettuare il lavaggio pentano durante la prima fase di purificazione since pentano è costoso in confronto a esani. Completano la purificazione secondaria separatamente su scala minore, come una colonna pipetta Pasteur riduce significativamente la quantità di pentano necessaria.

La figura 3 illustra l'effetto dell'identità del sale alkynyltrifluoroborate sulla resa della reazione. In generale, i derivati ​​di cuscinetti sale sostituenti elettron-donatori il fenilacetilene trifluoroborate sull'anello aromatico reagito con cloruri acilici aromatici e alifatici per produrre i ynones desiderati in buono a rendimenti eccellenti (2a-c, 3a-c). Sali alkynyltrifluoroborate alifatici dimostrato di essere substrati meno reattivi. I rendimenti modesti sono stati ottenuti quando hexynyl- e sali cyclopentylethynyltrifluoroborate stati reagire con derivati ​​ricchi di elettroni di cloruro di benzoile (4a, 5a).

In conclusione, un nuovo metodo per la preparazione of è stato sviluppato ynones da cloruri acilici e potassio sali alkynyltrifluoroborate. Le rese ottenute per la sintesi di ynones da questo intervallo metodo dal modesto eccellente a seconda della natura del cloruro acilico e trifluoroborate materiali di partenza. In generale, tali materiali di partenza recanti sostituenti elettron donatori subiscono la reazione più facilmente di materiali di partenza recanti gruppi funzionali neutri e elettron. Il valore di questo approccio risiede nella semplicità e gruppo funzionale tolleranza operativa del metodo. Questo semplice, reazione one-pot procede rapidamente a temperatura ambiente in presenza di boro tricloruro senza esclusione di aria e umidità. Questo metodo conveniente può essere impiegato nella preparazione di ynones in modesto ottime rese da una varietà di cloruri acilici e sali 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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