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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Heteroaryl-Verbindungen sind wichtige Moleküle, die in der organischen Synthese, medizinischen und biologischen Chemie verwendet werden. Eine mikrowellengestützte Heteroarylation mit Palladiumkatalyse bietet eine schnelle und effiziente Methode, heteroaryl Moieties direkt an Ketonsubstraten anzubringen.

Zusammenfassung

Heteroarylation führt heteroaryle Fragmente in organische Moleküle ein. Trotz der zahlreichen verfügbaren Reaktionen, die über die Übergangsmetallkatalyse zur Arylation berichtet wurden, ist die Literatur über die direkte Heteroarylation rar. Das Vorhandensein von Heteroatomen wie Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff macht Heteroarylation aufgrund von Katalysatorvergiftungen, Produktzersetzung und dem Rest oft zu einem herausfordernden Forschungsfeld. Dieses Protokoll beschreibt eine hocheffiziente direkte Heteroarylation von Ketonen unter Mikrowellenbestrahlung. Schlüsselfaktoren für eine erfolgreiche Heteroarylation sind die Verwendung von XPhos Palladacycle Gen. 4 Catalyst, überschüssige Basis zur Unterdrückung von Seitenreaktionen und die hohe Temperatur und der hohe Druck, die in einer versiegelten Reaktionsflasche unter Mikrowellenbestrahlung erreicht werden. Die mit diesem Verfahren hergestellten Heteroarylationsverbindungen waren vollständig durch Protonen-Kernspinresonanzspektroskopie (1H NMR), Kohlenstoff-Kernspinresonanzspektroskopie (13C NMR) und hochauflösende Massenspektrometrie (HRMS) gekennzeichnet. Diese Methode hat mehrere Vorteile gegenüber Literaturpräzedenzfällen, einschließlich breiter Substratumfang, schnelle Reaktionszeit, grüneres Verfahren und operative Einfachheit durch die Beseitigung der Herstellung von Zwischenprodukten wie Silylenolether. Mögliche Anwendungen für dieses Protokoll sind unter anderem die diversitätsorientierte Synthese zur Entdeckung biologisch aktiver Kleinmoleküle, die Dominosynthese zur Herstellung natürlicher Produkte und die Ligandenentwicklung für neue Übergangsmetallkatalysatorsysteme.

Einleitung

Mikrowellen interagieren mit Materialien durch ionische Leitung oder dipolare Polarisation, um eine schnelle und homogene Erwärmung zu ermöglichen. Mikrowellenunterstützte organische Reaktionen haben in Forschungslaboratorien nach dem ersten Bericht über die schnelle organische Synthese 1986 an Popularität gewonnen1. Obwohl die genaue Art der Mikrowellenheizung nicht klar ist und das Vorhandensein eines "nichtthermalen" Mikrowelleneffekts noch diskutiert wird, wurden signifikante Ratenverbesserungen für Mikrowellen-unterstützte organische Reaktionen beobachtet und berichtet2. Sluggish Reaktionen, die normalerweise Stunden oder Tage dauern, um zu beenden, wurden berichtet, innerhalb von Minuten unter Mikrowellenbestrahlung3,4,5,6abgeschlossen werden. Schwierige organische Reaktionen, die eine hohe Aktivierungsenergie erfordern, wie Zimperisierungen und der Bau von sterisch behinderten Stellen, wurden berichtet, dass sie unter Mikrowellenbestrahlung mit verbesserter Reaktionsausbeute und Reinheit7erfolgreich waren. In Kombination mit anderen Merkmalen wie lösungsmittelfreien Reaktionen und Dominoreaktionen bietet die Mikrowellen-gestützte organische Synthese unvergleichliche Vorteile bei der Gestaltung umweltfreundlicher Reaktionen.

Im Gegensatz zu seinem Arylationsäquivalent, das weithin untersucht wurde, wurde die Heteroarylation, insbesondere auf dem '-C(sp3) von Carbonylverbindungen, selten in der Literatur berichtet8,9,10. Die wenigen Literaturberichte über die Heteroarylation von Carbonylverbindungen wiesen große Einschränkungen auf, wie z. B. eine stoichiometrische Menge an Katalysatoren, einen engen Substratumfang und die Isolierung der Reaktionszwischenprodukte11,12,13. Es gibt mehrere Herausforderungen für die direkte A-Heteroarylation von Ketonen, die noch gelöst werden müssen, um es zu einem allgemeinen Ansatz zu machen. Zunächst neigen Heteroatome dazu, sich mit dem Übergangsmetallkatalysator zu koordinieren und eine Katalysatorvergiftung zu verursachen14,15. Zweitens ist das A-H im Mono(Hetero-)Arylationsprodukt saurer als das im Ausgangsmaterial. Daher neigt sie dazu, weiter zu reagieren, um die unerwünschten (Bishetero)arylation oder (multihetero)arylation Produkte zu machen. Drittens haben Carbonylverbindungen oft niedrigere Kosten als heteroaryl Verbindungen, so dass es praktisch ist, überschüssige Carbonylverbindungen zu verwenden, um die Reaktion bis zur Vollendung anzutreiben. Überschüssige Carbonylverbindungen würden jedoch häufig zu Selbstkondensation führen, ein häufig auftretendes Problem bei der Übergangmetallkatalystik von Carbonylverbindungen.

In diesem Bericht beschreiben wir unsere jüngste Studie zur direkten Heteroarylation von Ketonen mit Hilfe eines Mikrowellen-unterstützten Reaktionsprotokolls. Um der ersten Herausforderung zu begegnen, wurden die oben diskutierten Katalysatorvergiftungen, stark koordinierende und sterisch behinderte Liganden eingesetzt, um die Katalysatorvergiftung durch Heteroatome zu minimieren. Auch sperrige Liganden sollten die Obenauftreten verlangsamen, wie z. B. (Bishetero-)Arylation oder (Multihetero-)Arylation16,17, die zweite oben erwähnte Herausforderung. Um die Wirkung der dritten Herausforderung, der Bildung der Keton-Selbstkondensations-Seitenprodukte, zu minimieren, wurden mehr als 2 Äquivalente der Basis verwendet, um Ketone in ihre entsprechenden Enolate umzuwandeln. Die lange Reaktionszeit und die hohe Reaktionstemperatur, zusammen mit den Herausforderungen, die speziell mit der direkten Heteroarylation von Ketonen verbunden sind, machen sie zu einem geeigneten Kandidaten für die Mikrowellen-gestützte organische Syntheseforschung.

Protokoll

Vorsicht:

  • Mikrowellen-Reaktionsfläschchen sollten unter 20 bar für den Mikrowellenreaktor betrieben werden, der mit einem 4 x 24MG5 Rotor ausgestattet ist. Wenn die Reaktion sehr flüchtige Lösungsmittel verwendet, Gas erzeugt oder sich Lösungsmittel zersetzen, ist es notwendig, den Druck bei bestimmten Reaktionstemperaturen zu berechnen, um sicherzustellen, dass der Gesamtdruck in der Durchstechflasche weniger als 20 bar beträgt.
  • In diesem Protokoll werden Standardtechniken in der organischen Synthese für Handschuhkasten, Blitzchromatographie und Kernspinresonanz (NMR) verwendet.
  • Während des Experiments sollte eine geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA) verwendet werden. Dazu gehören eine Schutzbrille, ein Labormantel, Nitrilhandschuhe, lange Hosen und geschlossene Schuhe.
  • Konsultieren Sie alle Sicherheitsdatenblätter (SDS) vor der Verwendung der Chemikalien in diesem Verfahren, da einige der Chemikalien gefährlich, korrosiv, giftig oder entzündlich sind.
  • Alle chemischen Abfälle sollten ordnungsgemäß in ausgewiesenen Abfallbehältern entsorgt werden.

1. Reaktion eingerichtet

  1. Verwenden Sie die folgenden Mengen an Reagenzien für die Beispielreaktion in Abbildung 1 - die Bildung von 1-Phenyl-2-(Pyridin-3-yl)Ethanon (Verbindung 1a) aus Acetophenon und 3-Iodopyridin.
  2. Ofentrockene Mikrowellen-Reaktionsfläschchen mit Rührstäben über Nacht ausgestattet. Argon vor der Anwendung kräftig in Toluin einfälten, um das Lösungsmittel zu entgasen.
  3. Herstellung von Reagenzien und Zubehör für den Einsatz von Handschuhboxen
    1. Sammeln Sie zwei 100-L-Spritzen, vier kleine Spachtel, zwei Glaspipeten, zwei Mikrowellendichtungen, zwei Mikrowellenkappen, zwei Mikrowellenrührstäbe, mindestens vier Teile vorgefaltetes Wägepapier, vier Kimwipes, vier Gummibänder und zwei 100 ml Becher sowie alle notwendigen Reaktanten/Lösungsmittel.
    2. Legen Sie die Mikrowellenfläschchen, Dichtungen und Kappen in einen der 100 ml Becher, dann bedecken Sie den Becher mit einem Kimwipe und wickeln Sie ein Gummiband um den Becher, um den Kimwipe an Ort und Stelle zu halten.
    3. Legen Sie den Becher und den Rest der Gegenstände ab Schritt 1.3.1 in die Transportbox und bringen Sie es in den Handschuhkastenarbeitsplatz.
  4. Transportieren Sie die Reagenzien und Vorräte in Schritt 1.3 in den Handschuhkasten.
    1. Im gesäuberten Handschuhkasten 115 mg NaOtBu (Molekulargewicht (MW) 96,1, 1,2 mmol, 2,4 eq.) direkt in die Mikrowellenreaktionsdurchfläschchen wiegen.
    2. Verwenden Sie eine Glaspipette, um die Hälfte des entgasten Toluins (1 ml) in eine Mikrowellenreaktionsdurchstechs zu geben.
    3. Wiegen Sie 9 mg Vorkatalysator XPhos Pd G4 (MW 860.5, 0.01 mmol, 2 mol%) und fügen Sie es in die Mikrowellen-Fläschigkeit. Tauchen Sie einen Spachtel in die Lösung in die Durchstechflasche und wirbeln Sie, um die vollständige Übertragung des Katalysators zu gewährleisten.
    4. Verwenden Sie eine geeignete Mikroliterspritze, um 64,4 l Acetophenon (MW 120,15, 66,1 mg, 0,55 mmol, 1,1 eq.) in die Mikrowellenflasche zu geben.
    5. Wiegen Sie 103 mg 3-Iodopyridin (MW 205,0, 0,5 mmol, 1,0 eq.) und fügen Sie es in die Mikrowellenflasche.
    6. Fügen Sie die restliche Hälfte des entgasten Toluens hinzu, so dass die Gesamtreaktionsmischung etwa 3 ml beträgt.
      HINWEIS: Das Volumen der Reaktionslösung sollte 3/4 der Gesamtvolumenkapazität der Mikrowellenreaktionsdurchstechs nicht überschreiten. Bei den in diesem Protokoll verwendeten Standard-Glasfläschchen beträgt das Durchstechflaschenvolumen 4 ml und das empfohlene Reaktionsvolumen 0,3 ml – 3 ml.
    7. Richten Sie die Dichtung und die Kappe sorgfältig aus und legen Sie sie auf die Mikrowellen-Reaktionsflasche. Die Kappe sollte fingerdicht sein.
    8. Nehmen Sie die Chemikalien, Vorräte und Denkaus aus dem Handschuhkasten.

2. Mikrowellenbestrahlung

  1. Nehmen Sie die montierte Reaktionsflasche zum Mikrowellenreaktor und legen Sie sie auf die Siliziumkarbidplatte (SiC) am Rotor. Für mehrere Reaktionsfläschchen, Abstand gleichmäßig über die vier Siliziumkarbid (SiC) Platten auf dem Rotor.
  2. Parametereinrichtung
    HINWEIS: Die wichtigsten Parameter sind die Temperaturgrenze des IR-Sensors, die Leistung der Mikrowelle und die Zeit.
    1. Stellen Sie die Temperaturgrenze des Infrarotsensors (IR) auf 113 °C ein.
      HINWEIS: IR-Sensorgemessene Temperaturen sind aufgrund eines nicht vermeidbaren Temperaturgradienten zwischen der Probe und der Außenseite des Behälters tendenziell niedriger als die Temperaturen der Reaktionslösung. Es besteht eine lineare Beziehung zwischen diesen beiden Temperaturen: IR T (°C) = Reaktion T (°C)/1.152. Wenn die IR-Sensortemperatur 113 °C beträgt, beträgt die tatsächliche Reaktionstemperatur 130 °C unter Verwendung der oben angegebenen Gleichung.
    2. Programmieren Sie die Mikrowellenleistung und -zeit für jeden Schritt:
      Schritt 1: Leistungsrampe = 1300 W, 10 min, Lüfterpegel = 1, Rührer = Hoch
      Schritt 2: Krafthaltekraft = 1300 W, 10 min, Lüfterpegel = 1, Rührer = Hoch
      Schritt 3: Kühlung = 60 °C, Lüfterpegel = 3
      HINWEIS: Die Mikrowellenleistung wird automatisch angepasst, wenn die tatsächliche Reaktionstemperatur die Zieltemperatur erreicht.
  3. Führen Sie die Reaktion unter Mikrowellenbestrahlung aus. Zeichnen Sie die tatsächliche Reaktionszeit und Temperatur auf.

3. Produktisolierung

  1. Nachdem die Mikrowellenreaktionsdurchstecher auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist, übertragen Sie das Reaktionsgemisch mit einer minimalen Menge Ethylacetat (EtOAc) in einen Trenntrichter.
  2. Verwenden Sie die Säure-Basen-Extraktion, um das Rohprodukt zu isolieren.
    1. Fügen Sie dem Trenntrichter 2 ml gesättigten NH4Cl hinzu.
    2. Fügen Sie dem Trenntrichter 10 ml EtOAc hinzu und extrahieren Sie das Produkt. Trennen Sie die organische Schicht und speichern Sie sie in einem sauberen, trockenen Becher. Wiederholen Sie die Extraktion zwei weitere Male, und kombinieren Sie die organischen Schichten.
    3. Trocknen Sie die kombinierte organische Schicht mit wasserfreien Na2SO4 für 20 min.
    4. Dekantieren Sie die klare Lösung in einen runden Bodenkolben und verdampfen Sie das Lösungsmittel durch rotatorische Verdampfung unter reduziertem Druck, um das Rohprodukt zu liefern.
    5. Zeichnen Sie form, farbe und masse des Rohprodukts auf.
  3. Nehmen Sie 1H und 13C NMR-Spektren für das Rohprodukt, um das Vorhandensein der charakteristischen Spitzen für das erwartete Produkt zu bestätigen.
  4. Kombinieren Sie das Rohprodukt aus der NMR-Probe mit dem Rest des Rohprodukts für die Blitzchromatographie-Reinigung unten.
  5. Verwenden Sie die automatische Flash-Chromatographie, um das Endprodukt zu reinigen.
    1. Probenbelastung: Lösen Sie das Rohprodukt in 1-2 ml Aceton, gefolgt von der Zugabe von 1,5 g Kieselgel, um eine Gülle herzustellen. Verwenden Sie die rotatorische Verdunstung, um Aceton sehr sorgfältig zu entfernen, so dass das Produkt auf das Kieselgel geladen wird. Übertragen Sie das resultierende Kieselgel auf eine leere Flash-Chromatographie-Ladepatrone.
    2. Montieren Sie die Ladepatrone, die vorverpackte Säule, das Reagenzrohrrack und die Lösemittelleitungen für das automatisierte Mitteldruck-Flüssigkeitschromatographie(MPLC)-System.
    3. Richten Sie den Lösungsmittelgradienten und andere Parameter für das MPLC-System ein und führen Sie die Blitzchromatographie aus.
      HINWEIS: Die automatisierten Blitzchromatographie LösungsmittelGradienten werden basierend auf den heteroären Produktstrukturmerkmalen vorgeschlagen:
      1) Wenn das Produkt ein oder null Stickstoffatome (N) oder Hydroxylgruppen (OH) hat, verwenden Sie EtOAc/Hexane (0% bis 100% über 12 min) mit einer Verlängerung bei 100% EtOAc Gradient für 2-6 min.
      2) Wenn das Produkt zwei oder mehr Stickstoffatome (N) oder Hydroxylgruppen (OH) aufweist, verwenden Sie CH3OH/CH2Cl2 (0% bis 30% über 12 min) mit einer Verlängerung bei 30% CH3OH Gradient für 1-3 min.
    4. Kombinieren Sie die gewünschten MPLC-Fraktionen und verdampfen Sie das Lösungsmittel, um das reine Produkt zu sammeln. Trocknen Sie das gereinigte Produkt unter Hochvakuum mindestens 1 h, um Restlösungsmittel zu entfernen.

4. Produktcharakterisierung

  1. Wiegen Sie 5 - 10 mg des endgültigen gereinigten Produkts, lösen Sie es in deuteriertem Chloroform (CDCl3) (oder einem anderen geeigneten deuterierten Lösungsmittel) auf und nehmen Sie ein 1H NMR-Spektrum.
  2. 10 - 30 mg des endgültigen gereinigten Produkts wiegen, in CDCl3 (oder einem anderen geeigneten deuterierten Lösungsmittel) auflösen und ein 13C NMR-Spektrum einnehmen.
  3. Analysieren Sie die NMR-Spektren, um die Produktstruktur zu bestätigen.
  4. Stellen Sie die NMR-Probe in einer 1-Dram-Durchstechflasche wieder her, indem Sie das Lösungsmittel verdampfen.
  5. Sobald die NMR-Spektren die richtige Struktur unterstützen, reichen Sie eine 1 mg-Probe für HRMS-Tests ein, um die molekulare Formel zu bestätigen.

Ergebnisse

Die direkte Heteroarylation von Ketonen kann mit diesem effizienten Mikrowellen-unterstützten Protokoll durchgeführt werden. Ausgewählte Beispiele für heteroaryle Ketone, die in dieser Studie synthetisiert werden, sind in Abbildung 1dargestellt. Insbesondere wurde die Verbindung 1a synthetisiert und als hellgelbes Öl isoliert (0,49 mmol, 192 mg, 98 %). Seine 1H und 13C NMR Spektren sind in Abbildung 2 dargestellt, um d...

Diskussion

Die hier beschriebene Methode wurde entwickelt, um auf wertvolle Synthesebausteine zuzugreifen – heteroaryle Verbindungen. Im Vergleich zu Präzedenzliteraturberichten über Heteroarylation zeigte die Wahl dieses aktuellen katalytischen Systems mehrere signifikante Vorteile. Erstens vermeidet es die Verwendung von Schutzgruppen, die Isolierung von reaktiven Zwischenprodukten, die Stoizimetrieanforderung von Katalysatoren und die verlängerten Reaktionszeiten11,17

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

Die Unterstützung dieser Forschung erfolgt an die Spender des American Chemical Society Petroleum Research Fund (PRF 54968-UR1). Diese Arbeit wurde auch von der National Science Foundation (CHE-1760393) unterstützt. Wir danken dem NKU Center for the Integration of Science and Mathematics, dem NKU-STEM International Research Program und dem Department of Chemistry and Biochemistry für finanzielle und logistische Unterstützung. Wir danken auch dem School of Chemical Sciences Mass Spectrometry Laboratory an der University of Illinois at Urbana-Champaign für die Beschaffung von HRMS-Daten.

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
Chloroform-d (99.8+% atome D)Acros OrganicsAC209561000contains 0.03 v/v% TMS
CombiFlash Rf Flash Chromatography systemTeledyne Iscoautomated flash chromatography system
CombiFlash Solid load catridges (5 gram)Teledyne Isco69-3873-235disposable
CombiFlash prepacked column (4g)Teledyne Isco69-2203-304RediSep Rf silica 40-60 um, disposable
Microwave Reactor - Multiwave ProAnton Paar108041Microwave Reactor
Microwave Reactor Rotor 4X24 MG5Anton Paar79114for parallel organic synthesis with with 4 SiC Well Plate 24
Microwave reaction vialsWheaton® glass224882disposible, 13-425, 15x46 mm, reaction solution 0.3 - 3.0 mL, working pressure 20 bar
Microwave reaction vial seals, setAnton Paar41186made of Teflon; disposable
Microwave reaction vial screw capAnton Paar41188made of PEEK; forever reusable
Microwave reaction vial stirring barCTechGlassS00001-0000Magnetic, PTFE, Length 9mm. Diameter: 3mm. (Package of 5)
NaOtBuSigma-Aldrich703788stored in a glovebox under nitrogen atmosphere
Nuclear Magnetic Resonance SpectrometerJoel500 MHz spectrometer
Silica gelTeledyne Isco60539447840-60 microns, 60 angstroms
TolueneSigma-Aldrich244511vigorously purged with argon for 2 h before use
XPhos Palladacycle Gen. 4 CatalystSTREM46-0327stored in a glovebox under nitrogen atmosphere
various ketonesSigma-Aldrich or Fisher or Ark Pharm.substrates for heteroarylation
various heteroaryl halidesSigma-Aldrich or Fisher or Ark Pharm.substrates for heteroarylation

Referenzen

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