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Chemistry

Síntese livre de metais de Ynones da Acil cloretos de potássio e sais Alkynyltrifluoroborate

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. Síntese de Ynone Usando uma balança analítica, pesam 0,15 mmol de potássio desejado sal alkynyltrifluoroborate (1,5 equivalentes) e adicionar a um frasco limpo equipado com uma barra magnética. Utilizando uma seringa de êmbolo de vidro equipada com uma agulha, adicionar 0,5 ml de DCM anidro para o frasco para se obter uma solução 0,3 M de trifluoroborato. NOTA: Uma vez que esta é uma nova metodologia, as reações têm sido realizadas para prova de conceito. De modo a reduzir o desperdício de terem sido realizados a uma escala pequena. A reacção pode ser dimensionado para produzir maiores rendimentos, conforme necessário. Usando uma seringa de vidro, adicionar 0,15 mmol de 1,0 M de solução de tricloreto de boro (1,5 equivalentes, 150? L) gota a gota, ao vaso da reacção à temperatura ambiente (20 ° C) com agitação. Recoloque a tampa. Segurar ou prender o recipiente de reacção tapado de modo a que a solução de reacção é abaixo da linha de água no sonicador. Sonicar a solução durante 30 segundos a 20 ° C e a uma frequência of 40 kHz. Agita-se a solução de reacção à temperatura ambiente (20 ° C) durante um adicional de 20 minutos. Dependendo da natureza do material de partida alkynyltrifluoroborate, observar uma mudança de cor. A mudança de cor do branco ao bege ou marrom escuro, vermelho ou roxo é comum. Adicionar 0,1 mmol do cloreto de acilo desejado (1,0 equivalente) para o frasco à temperatura ambiente (20 ° C) com agitação. Alternativamente, transferir o conteúdo do vaso da reacção para um balão carregado com uma barra de agitação magnética e 0,1 mmol de cloreto de acilo. Recoloque a tampa. Agita-se a solução de reacção à temperatura ambiente (20 ° C) durante 30 min. NOTA: De um modo geral, uma mudança de uma cor muito escura é uma indicação de que a reacção está a ter lugar. Usando uma cromatografia em camada fina (TLC) 34 monitorar o progresso da reacção por comparação com padrão de cloreto de acilo apropriado. NOTA: Dependendo da natureza dos materiais de partida, a reacção pode não ficar completa. A umcloreto cyl material de partida foi observada como um local de funcionamento mais elevada do que o produto final de todos os ynones preparados até à data usando este método. Prepare o padrão de cloreto de acilo por diluição de cerca de 10 mg do material de partida cloreto de acilo com 1 ml de acetato de etilo em um pequeno frasco. Usando um spotter TLC, manchar a solução de reacção e o padrão na linha de partida da placa de TLC. Um co-mancha com tanto a solução de reacção e padrão podem ser úteis para determinar se existe ainda materiais presentes na solução da reacção de partida. Determinar uma fase móvel adequada TLC por tentativa e erro. Para a preparação do produto 1a, uma fase móvel consistindo de 01:30 acetato de etilo: hexanos resulta em valores de Rf de cerca de 0,5 e 0,8 para o produto ynone e cloreto de benzoílo material de partida, respectivamente. Visualize a placa TLC desenvolvido sob a luz UV. Use um lápis para marcar todos os pontos visíveis. 2. O processamento aquoso Extingue-se a reacção por adição de 1 mL de água fria (cerca de 5 ° C) para o vaso de reacção. Usando uma pipeta de Pasteur, transferir a solução para um funil de separação limpa. Diluir o conteúdo do funil de decantação com 10 ml de água fria e extrai-se o produto uma vez em 15 ml de acetato de etilo. Rejeitar a camada aquosa inferior e lava-se a camada orgânica uma vez adicional com 10 ml de água e uma vez com 10 ml de salmoura. Recolher a camada orgânica para um balão de Erlenmeyer limpo e seco com sulfato de magnésio. Filtrar a solução para um balão de fundo redondo limpo usando filtração por gravidade. 3. Purificação de Ynone Usando cromatografia de camada fina, determinar uma fase móvel adequada para purificação através de cromatografia do produto. Um factor de retenção (Rf) de cerca de 0,5 é geralmente suficiente para separar o produto a partir de qualquer partida remanescenteing produtos materiais e laterais. NOTA: No caso de uma separação deficiente, um sistema solvente menos polar pode ser utilizado de tal modo que o produto tem um valor Rf inferior. Dependendo da polaridade dos materiais de partida, uma mistura de hexanos: acetato de etilo no intervalo de 30: 1 a 5: 1 é geralmente adequado. Prepara-se uma coluna contendo sílica gel húmida com a fase móvel adequada. Adicione uma camada de areia para a parte superior da coluna, a fim de evitar sílica perturbador após a adição do produto e eluente. Evapora-se a solução de processamento utilizando um evaporador rotativo com a temperatura do banho a 40 ° C e a rotação definido para 120 rpm. Dissolve-se o conteúdo do balão em um 2 ml de fase móvel e carregar cuidadosamente a solução uniformemente sobre a coluna. Assegure-se que a sílica está molhado, mas a linha de solvente não exceda a altura da sílica. Permitir que algum solvente de eluição tais que o produto está na sílica. Adicionar uma pequena quantidade de fase móvel e repita. Encha o column com a fase móvel determinado no passo 3.1; no caso do produto 1a, a 30: 1 hexanos: acetato de etila é apropriado. Recolher as fracções em tubos de ensaio, utilizando cromatografia flash, para acelerar o processo de purificação. Basta conectar um adaptador com tubulação para uma saída de ar. Ajustar a pressão do ar de tal modo que o eluente flui através da coluna a uma velocidade adequada. Detectar cada uma das fracções da coluna numa placa de TLC. Opcionalmente, detectar o padrão de cloreto de acilo, tal como uma referência. Desenvolver o TLC com a fase móvel considerada adequada na etapa 1.8. Marque todos os pontos visíveis sob luz UV, lembrando que o produto é esperado para ter um R f mais baixa do que o padrão de cloreto de acila. Recolha todas as frações contendo manchas visíveis em um balão de fundo redondo grande. Se mais de um local com um Rf inferior ao do material de partida está presente, recolher em frascos separados. Evapora-se o solvente usando um evaporador rotativo e secar o material recolhido under alto vácuo durante duas horas. Se necessário, efectuar uma lavagem com pentano sobre uma pequena coluna de modo a purificar ainda mais um produto ynone preparado a partir de um material de má electrões de partida cloreto de acilo. Numa pequena escala, este pode ser realizado utilizando uma pipeta de Pasteur, como a coluna. Dissolve-se o produto numa quantidade mínima de clorofórmio, DCM, ou éter dietílico e de carga numa coluna de sílica húmido com pentano. Comprimentos Elute 1-2 coluna de pentano através da coluna e recolher em um copo de resíduos. Eluir o produto ynone puro a partir da coluna usando pentano éter dietílico ou acetato de etilo. Recolhe eluente num balão separado, evapora-se, e colocar sob alto vácuo durante um mínimo de duas horas. Obter aproximadamente 10 mg de produto para caracterização por espectroscopia de RMN. 4. Caracterização de Ynone Caracterizar e avaliar a pureza do produto final, utilizando 1 H e 13 C RMN espectroscopia. 34Tipicamente, o desvio químico de carbono do carbonilo aparece perto de 177 ppm no espectro de 13 C RMN. Os dois átomos de carbono SP do grupo funcional ynone são representados por picos característicos próximos 87 e 93 ppm. Use espectroscopia de infravermelhos 34 para identificar o pico carbonilo característica do produto ynone. Electron deslocalização da ligação tripla adjacente normalmente faz com que o pico de carbonilo a aparecer entre 1.600 e 1.650 centímetros -1, dependendo das características do composto electrónicos. Determinar a massa molecular do produto e ainda validar a identidade utilizando espectrometria de massa de alta resolução. 34

Representative Results

Os esforços iniciais centraram-se em torno da preparação de ynone 1a de fenilacetileno trifluoroborato S1 e cloreto de benzoílo (Figura 1). A Tabela 1 ilustra os passos de optimização realizada, incluindo o rastreio de vários ácidos de Lewis, solventes, assim como o exame do efeito da água sobre o reaccional . Em seguida, o escopo da reacção foi explorado através da apresentação de fenilacetileno trifluoroborato para as condições optimizadas na presença de uma variedade de cloretos de acilo (Figura 2). Modesta a excelentes rendimentos podem ser obtidos, dependendo da natureza do substrato de cloreto de acilo. O âmbito de aplicação da reacção foi ainda avaliada através da preparação de vários exemplos adicionais de sais alkynyltrifluoroborate. A Figura 3 ilustra exemplos seleccionados de outros sais alkynyltrifluoroborate que podem ser empregues na preparação de ynones sob as condições desenvolvidas. Derivados de fenylacetylene electrões rolamento trifluoroborato substituintes doadores proporcionou os correspondentes produtos ynone em bons a excelentes rendimentos, enquanto derivados alifáticos de sais alkynyltrifluoroborate provou ser proporcionando rendimentos modestos ligeiramente menos reactivos. Figura 1: Preparação de Ynone 1a de fenilacetileno trifluoroborato S1 e cloreto de benzoílo Esquema que ilustra as condições para a preparação de ynone 1a incluindo a formação de dichloroborane intermediário reactivo.. Figura 2:. Representativas 1 H RMN espectro de ynone 1a Os desvios químicos e as integrações relativas dos protões característicos são rotulados. <p class = "jove_content" fo: manter-together.within-page = "always"> Figura 3:. Representativas 13 C, Espectro de RMN de ynone 1a desvios químicos dos carbonos característicos são rotulados. Figura 4:. HRMS espectro representativas de ynone 1a obtido através de ionização química à pressão atmosférica O valor m / z medido do [M + H] + ião é relatado. Figura 5: Reacções de sal phenylacetylenetrifluoroborate S1 com cloretos de ácido Estruturas e rendimentos para os produtos produzidos pela variação da identidade.do material de partida cloreto de acilo são ilustrados. As reacções foram corridas com 1 equivalente de cloreto de acilo, 1,5 equiv S1 phenylacetylenetrifluoroborate de potássio, e 1,5 equiv tricloreto de boro. Figura 6:. Reacções de vários alkynyltrifluoroborates com cloretos de acilo estruturas e os rendimentos para os produtos produzidos pela variação da identidade do material de partida alkynyltrifluoroborate são ilustrados. As reações foram executados com 1 equiv de cloreto de acila, 2,5 equiv sal de potássio organotrifluoroborate e 2,5 equiv tricloreto de boro. Entrada Ácido de Lewis Ácido de Lewis (equiv) Condições Rendimento (%) 1 b </ Sup> SiO2 16,5 CH 2 Cl 2 0 2 SiCl4 1 CH 2 Cl 2 traço 3 BF3 · OEt2 1 CH 2 Cl 2 traço 4 b FeCl3 1 CH 2 Cl 2 24 5 c AlCl3 1 CH 2 Cl 2 62 6 d AlCl3 1 CH 2 Cl 2 66 7 e AlCl3 1 CH 2 Cl 2 60 8 AlCl3 </sub> 1 THF traço 9 AlCl3 1 tolueno traço 10 AlCl3 2 ClCH 2 CH 2 Cl 33 11 AlCl3 1 DMSO traço 12 AlCl3 2 acetonitrila traço 13 AlCl 3 .6H 2 O 1 CH 2 Cl 2 0 14 b BCl3 1,5 CH 2 Cl 2 67 15 BBr3 1 CH 2 Cl 2 20 <strong> Tabela 1:. Optimização de condições para a preparação de um ynone 1a Rendimento do produto 1a mediante variação das condições de reacção e do catalisador de ácido de Lewis. As reacções foram corridas um cloreto de benzoilo com 1 equiv e 1 equiv phenylacetylenetrifluoroborate potássio S1. B 1,5 equiv S1. C condições anidras. D A reacção foi realizada em material de vidro não-seco sob ar. E condições anidras + 1 ml de água.

Discussion

A Tabela 1 ilustra os passos tomados para optimizar as condições para a reacção de fenilacetileno trifluoroborato com cloreto de benzoílo para formar o produto ynone correspondente. Inicialmente, catalisadores conhecidos para converter organotrifluoroborates para organodifluoroboranes foram testados. Infelizmente gel de sílica, 35 tetracloreto de silício, 36 e 31,32 de trifluoreto de boro não promover a formação do ynone desejado (Tabela 1, entradas 1-3). O uso de clorados catalisadores ácidos de Lewis provou ser mais bem sucedido. Um baixo rendimento do ynone 1a desejado foi obtido na presença de um catalisador de ferro (III), cloreto de (Tabela 1, entrada 4). Em seguida, alumínio (III), cloreto foi investigada como um resultado da sua capacidade bem estabelecido para promover a formação de iões oxocarbenium em acilações de Friedel-Crafts. 37-39 O produto desejado foi obtido com um rendimento de 62%, quando uma lata de alumínio (III), cloreto de catalisador foi employed.

Optimização adicional revelou que o ar e a humidade tem pouco efeito sobre o rendimento da reacção (Tabela 1, entradas 5-7). Como resultado, as reacções subsequentes foram realizadas em material de vidro não seca na presença de ar. As tentativas para optimizar o solvente revelou que diclorometano (DCM) é particularmente bem adequado para a reacção (Tabela 1, entradas 8-12). Inconsistências nos resultados de reacções catalisadas por alumínio (III), cloreto de solicitado a exploração de catalisadores alternativos. Comercialmente disponível de alumínio (III) de hexahidrato de cloreto era completamente inactivo sob as condições de reacção (Tabela 1, entrada 13). Este é um bom indicador de que a formação de hidrato de alumínio (III), cloreto de inibe a reacção. Tricloreto de boro foi encontrado para produzir rendimentos similares com melhor consistência (Tabela 1, entrada 14).

Após a interacção do potássio alkynyltrifluoroborate com tricloreto de boro, uma espécie organodichloroborane mais reactivos é formado. 40 Este passo inicial é crítica para a reacção com o cloreto de acilo e formação do ynone para prosseguir. Desde organotrifluoroborate sais não são solúveis em DCM, a reacção ocorre como uma mistura heterogénea. Depois da adição de tricloreto de boro, a solução é sonicada a fim de facilitar a formação das espécies reactivas dichloroborane aumentando a área de superfície do sal trifluoroborato disponível para reagir. Aplicação de ondas de ultra-sons à mistura de reacção provoca efeitos mecânicos, através da geração de bolhas de cavitação. Durante a sonicação, colapso de bolhas de cavitação nos resultados do fluido em áreas localizadas de altas temperaturas e pressões. 41 As ondas de choque são produzidas que criar turbulência microscópica resultando num aumento da energia cinética dos sais de trifluoroborato sólidos. O aumento da energia do sistema, durante sonificação promotes fragmentação do sal trifluoroborato resultante aumento da área de superfície disponível para interagir com tricloreto de boro. A sonicação da mistura de reacção antes da adição do material de partida cloreto de acilo garante uma formação eficiente das espécies reactivas alkynyldichloroborane sem a necessidade de condições de extracção ou mais tempos de reacção mais longos.

A Figura 2 ilustra os resultados obtidos quando fenilacetileno trifluoroborato foi feito reagir com uma variedade de cloretos de acilo sob as condições de reacção optimizadas. Neutral aromático (1B, 1C) e alifáticos (1-J-l) cloretos de acila fornecer os ynones correspondentes em rendimentos sinteticamente úteis. Esses cloretos de ácido que comportam grupos doadores de electrões (1D-g) proporcionar excelentes rendimentos, enquanto os grupos electrões resultar em rendimentos relativamente modestos (1h, 1i, 1M). Interestingly, quando o grupo de remoção de electrões está localizado na posição orto (1i, 59%), um aumento do rendimento significativo é observado em comparação com o parágrafo análogo substituído de cloreto de acilo (1 h, 30%). A interacção estérica do substituinte na posição orto podem forçar o grupo funcional carbonilo para fora do plano, compensando assim o carácter de remoção de electrões do anel aromático. Vale a pena notar que o cloreto de 4-bromobutirilo reagiram para produzir o produto desejado 1m em 39% de rendimento. Para nosso conhecimento, esta é a primeira protocolo para a síntese de ynones para tolerar um grupo funcional brometo de alquilo. Ocasionalmente, quando o material de partida cloreto de acilo é neutro ou deficiente em electrões, impurezas alifáticos aparece na RMN de protões. Isto pode necessitar de uma lavagem com pentano de modo a purificar ainda mais o produto. Embora possível, não é económico para realizar a lavagem com pentano durante a primeira fase de purificação sesde pentano é caro em comparação com hexano. Completando a purificação secundária separadamente numa escala mais pequena, tal como uma coluna de uma pipeta de Pasteur reduz significativamente a quantidade de pentano necessária.

A Figura 3 ilustra o efeito da identidade do sal alkynyltrifluoroborate sobre o rendimento da reacção. Em geral, os derivados do fenilacetileno trifluoroborato rolamento sal substituintes doadores de electrões no anel aromático reagir com cloretos de acilo aromáticos e alifáticos para produzir os ynones desejados com bons a excelentes rendimentos (2a-c, 3a-c). Sais alkynyltrifluoroborate alifáticos provaram ser substratos menos reactivos. Modestos rendimentos foram obtidos quando hexynyl- e sais cyclopentylethynyltrifluoroborate foram feitos reagir com derivados ricos em electrões de cloreto de benzoílo (4a, 5a).

Em conclusão, um novo método para a preparação of ynones de cloretos de acilo e sais de potássio alkynyltrifluoroborate tem sido desenvolvido. Os rendimentos obtidos para a síntese de ynones por este método gama de modesta a excelente, dependendo da natureza do cloreto de acilo e trifluoroborato materiais de partida. Em geral esses materiais de partida que ostentam elétrons substituintes doadores de sofrer a reação mais facilmente do que matérias-primas que possuem grupos funcionais neutros e electrões. O valor desta abordagem reside na simplicidade e grupo funcional tolerância operacional do método. Este, reacção de um só recipiente simples procede rapidamente a temperatura ambiente na presença de tricloreto de boro sem exclusão de ar e humidade. Este método conveniente pode ser empregue na preparação de ynones em excelentes rendimentos modestos a partir de uma variedade de cloretos de acilo e sais 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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