JoVE Journal > Chemistry
概要
Abstract
Introduction
Protocol
結果
Discussion
開示
Acknowledgements
Materials
参考文献
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
化学

Rimozione eterogenei di rutenio solubile in acqua dell'olefina metatesi catalizzatore da mezzi acquosi tramite interazione Host-Guest

Published: August 23, 2018
doi:
10.3791/58067
,
1Department of Chemical and Biomedical Engineering,Florida State University

概要

Un solubile in acqua rimovibile N-eterociclici carbene (NHC) ligando in mezzi acquosi tramite interazione ospite è stato sviluppato. Abbiamo dimostrato reazioni di metatesi di olefine rappresentante in acqua come bene come in diclorometano. Tramite l’interazione ospite / o estrazione, il catalizzatore residuo rutenio (Ru) era basso quanto 0,14 ppm dopo la reazione.

Abstract

Un metodo di rimozione di metalli di transizione altamente efficiente catalizzatore è sviluppato. Il catalizzatore solubile in acqua contiene un ligando NHC di nuova concezione per la rimozione del catalizzatore tramite interazioni host-guest. Il nuovo legante NHC possiede un’unità di glicole etilenico lineare adamantile (ospite) legato per inclusione idrofobo nella cavità di un host di β-ciclodestrina (β-CD) composto. Il nuovo legante NHC è stato applicato a un catalizzatore di metatesi di olefine Ru-basato. Il catalizzatore di Ru ha dimostrato attività eccellente in Rappresentante Ciclizzazione metatesi (RCM) e reazioni di polimerizzazione (ROMP) metatesi di anello-apertura in mezzi acquosi come solvente organico, CH2Cl2. Dopo la reazione è stata completata, il residuo persistente di Ru è stato rimosso dalla soluzione acquosa con l’efficienza di oltre il 99% (53 ppm di residuo di Ru) per semplice filtrazione utilizzando un ospite / interazione tra silice-innestati insolubile β-CD (host) e il adamantile frazione (ospite) sul catalizzatore. Il nuovo catalizzatore Ru inoltre ha dimostrato l’efficienza elevata rimozione tramite estrazione quando la reazione viene eseguita in solvente organico partizionando la miscela di reazione greggio tra strati di etere etilico ed acqua. In questo modo, il catalizzatore rimane in strato acquoso solo. In strato organico, il residuo Ru è solo 0,14 ppm nelle reazioni RCM di diallyl composti.

Introduction

La rimozione della catalisi metallorganica omogenea dal prodotto è una questione importante in chimica moderna1,2. Catalizzatore residuo provoca non solo un problema di tossicità da relativo elemento di metallo pesante, ma anche una trasformazione indesiderata del prodotto dalla sua potenziale reattività. Catalizzatore omogeneo fornisce molti vantaggi, come ad alta attività, velocità di reazione rapida e chemoselettività3, tuttavia, la sua rimozione dal prodotto è molto più difficile di catalizzatore eterogeneo che viene semplicemente rimosso mediante filtrazione o decantazione. La combinazione dei vantaggi di catalizzatori omogenei ed eterogenei, cioè, reazione omogenea ed eterogenea rimozione, rappresenta un concetto importante per catalizzatori organometallici altamente reattivo e facilmente rimovibile. Figura 1 illustrato il principio di funzionamento per reazione omogenea ed eterogenea rimozione del catalizzatore via interazione ospite /.

Chimica ospite sono non covalente legame riconoscimento molecolare tra molecole ospitanti e molecole ospite in chimica supramolecolare4,5,6,7,8. Ciclodestrine (CDs), oligosaccaridi ciclici, sono rappresentante host molecole9,10,11,12, e sono state applicate nei grandi settori della scienza, come la scienza dei polimeri 13 , 14, catalisi15,16, applicazioni biomediche6,10e chimica analitica17. Una molecola ospite, adamatane, si lega fortemente alla cavità idrofobica di β-CD (host, 7-membered saccaride ciclico) con costante alta associazione, Ka (log Kun = 5,04)18. Questa affinità di legame supramolecolare è abbastanza forte per rimuovere il catalizzatore residuo complesso dalla soluzione acquosa reazione con solida β-CD supportati.

Tra molti catalizzatori che sono idonei per la rimozione di host-guest, catalizzatore di metatesi delle olefine Ru è stato studiato a causa di alta utilità pratica ed elevata stabilità contro aria e umidità. La reazione di metatesi delle olefine è uno strumento importante in chimica sintetica per formare un doppio legame carbonio-carbonio in presenza di un metallo di transizione catalizzatore19,20,21,22. Lo sviluppo di catalizzatore di metatesi delle olefine Ru stabile innescato la metatesi come un importante campo in chimica sintetica (ad es., RCM e croce metatesi (CM)) così come scienza dei polimeri (ad es., ROMP e metatesi aciclici diene (ADMET)). In particolare, il RCM sintetizza macrocicli e anelli di medie dimensioni che hanno lavorato sodo costruire23.

Nonostante sintetico utilities di Ru catalizzata metatesi olefinica, rimozione completa di catalizzatore di Ru usato dal prodotto desiderato è una sfida importante per molte applicazioni pratiche24. Ad esempio, 1912 ppm di residuo di Ru è stata osservata nel prodotto di metatesi di ciclizzazione dopo il gel di silice colonna cromatografia25. Ru residuo può causare problemi come isomerizzazione di olefine, decomposizione, colorazione e la tossicità dei prodotti farmaceutici26. Conferenza internazionale sull’armonizzazione (ICH) pubblicato una guida di riferimento dei reagenti metallo residui nel settore farmaceutico. Il massimo consentito è di livello Ru nel prodotto farmaceutico 10ppm27. Per questi motivi, vari approcci sono stati provati per rimuovere residui di Ru dal prodotto soluzione28,29,30,31,32,33. Inoltre, gli sviluppi di catalizzatori Ru rimovibili sono stati studiati per purificazione senza alcun trattamento speciale dopo la reazione. Tra i vari metodi di purificazione, modifiche di ligando del catalizzatore sono state provate per migliorare l’efficienza di filtrazione di gel di silice e di estrazione liquido. Ad esempio, gel di silice altamente efficiente filtrazione può essere ottenuta tag introdotti ioni su benzilidene34 o backbone di NHC ligando35,36. Il catalizzatore cuscinetto poly(ethylene glycol)37 o ione tag35 su un ligando NHC può migliorare l’efficienza di estrazione acquosa per rimozione catalizzatore Ru.

Recentemente, abbiamo riferito un altamente solubile in acqua Ru olefina metatesi catalizzatore, che ha dimostrato non solo elevata reattività, ma anche tasso di rimozione del catalizzatore alta. Inoltre, la rimozione di metatesi e catalizzatore si è verificato in diclorometano sia l’acqua34,35,36,37. La caratteristica fondamentale del nuovo catalizzatore è che il nuovo NHC porta adamantile legato oligo(ethylene glycol). Oligo(Ethylene Glycol) fornisce elevata solubilità in acqua del catalizzatore intero complesso. In più, il oligo(ethylene glycol) possiede adamantile fine gruppo che può essere utilizzato nell’interazione ospite con β-CD esterno.

Qui, abbiamo descritto i protocolli per la sintesi di catalizzatore, reazioni di metatesi e rimozione del catalizzatore in diclorometano sia l’acqua.

Protocol

Nota: Abbiamo presentato la sintesi di 4-(97-(adamantan-1-yloxy)-2,5,8,11,14,17,20,23,26,29,32,35,38,41,44,47,50,53,56,59,62,65,68,71,74,77,80,83,86,89,92,95-dotriacontaoxaheptanonacontyl)-1,3-dimesityl-4,5-dihydro-1H-imidazol-3-ium tetrafluoroborate (imidazolio sale A) e host complesso, β-CD innestate silice, nel nostro precedente carta38. Nel protocollo, descriviamo una sintesi delle nostre idrosolubile Ru olefina metatesi catalizzatore e metatesi reazioni (RCM e ROMP). <p class="jove_title…

Representative Results

Figura 2 descrive la reazione di scambio ligando per nostro catalizzatore 1. Spettro 1H NMR 1è illustrato nella Figura 3. La figura 4 Mostra il RCM in soluzione acquosa e successiva rimozione del catalizzatore usato dalla miscela di reazione tramite interazione ospite, e la tabella 1 riassume RC…

Discussion

Abbiamo descritto la sintesi di catalizzatore metatesi delle olefine rimovibile omogeneo Ru e la sua rimozione da soluzioni acquose ed organiche. Catalisi omogenea offre numerosi vantaggi rispetto ai catalizzatori eterogenei, quali elevata reattività e velocità di reazione rapida; Tuttavia, la rimozione del catalizzatore usato dal prodotto è più difficile di catalizzatore eterogeneo3. La caratteristica fondamentale del catalizzatore sintetizzato è il ligando NHC, che porta il adamantile tethe…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dall’iniziativa Florida State University energia e assunzione di materiali e la FSU dipartimento di chimica e ingegneria biomedica.

Materials

Hoveyda-Grubbs Catalyst 1st Generation Sigma-Aldrich 577944 Air sensitivie. Light sensitivie.
Diethyl diallylmalonate Sigma-Aldrich 283479
Ethyl vinyl ether Sigma-Aldrich 422177 Air sensitive.
Aluminum oxide Sigma-Aldrich 06300 Activated, neutral, Brockmann Activity I
Potassium bis(trimethylsilyl)amide solution (0.5 M in toluene) Sigma-Aldrich 277304 Moisture sensitive.
Etyhl acetate VWR BDH1123 Flammable liquid.
Methanol VWR BDH1135 Flammable liquid. Toxic.
Deuterium Oxide 99.8%D TCI W0002
Methylene Chloride-D2 (D, 99.8%) Cambridge Isotope Laboratories, Inc. DLM-23 Flammable liquid. Toxic.
Activated carbon Sigma-Aldrich 242276
Magnesium sulfate EMD Millipore MX0075
Ethyl ether EMD Millipore EX0190 Flammable liquid.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

参考文献

  1. Allen, D. P. . Handbook of Metathesis. , (2015).
  2. Vougioukalakis, G. C. Removing Ruthenium Residues from Olefin Metathesis Reaction Products. Chemistry-A European Journal. 18 (29), 8868-8880 (2012).
  3. Hartwig, J. F. . Organotransition Metal Chemistry: From Bonding to Catalysis. , (2010).
  4. Lehn, J. M. Toward complex matter: Supramolecular chemistry and self-organization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (8), 4763-4768 (2002).
  5. Chen, G., Jiang, M. Cyclodextrin-based inclusion complexation bridging supramolecular chemistry and macromolecular self-assembly. Chemical Society Reviews. 40 (5), 2254-2266 (2011).
  6. Ma, X., Zhao, Y. Biomedical Applications of Supramolecular Systems Based on Host-Guest Interactions. Chemical Reviews. 115 (15), 7794-7839 (2015).
  7. Shetty, D., Khedkar, J. K., Park, K. M., Kim, K. Can we beat the biotin-avidin pair?: cucurbit[7]uril-based ultrahigh affinity host-guest complexes and their applications. Chemical Society Reviews. 44 (23), 8747-8761 (2015).
  8. Schmidt, B. V. K. J., Barner-Kowollik, C. Dynamic Macromolecular Material Design-The Versatility of Cyclodextrin-Based Host-Guest Chemistry. Angewandte Chemie International Edition. 56 (29), 8350-8369 (2017).
  9. Khan, A. R., Forgo, P., Stine, K. J., D’Souza, V. T. Methods for Selective Modifications of Cyclodextrins. Chemical Reviews. 98 (5), 1977-1996 (1998).
  10. Szejtli, J. Introduction and General Overview of Cyclodextrin Chemistry. Chemical Reviews. 98 (5), 1743-1754 (1998).
  11. Li, J., Loh, X. J. Cyclodextrin-based supramolecular architectures: Syntheses, structures, and applications for drug and gene delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (9), 1000-1017 (2008).
  12. Crini, G. Review: A History of Cyclodextrins. Chemical Reviews. 114 (21), 10940-10975 (2014).
  13. Zhang, Z. X., Liu, K. L., Li, J. A Thermoresponsive Hydrogel Formed from a Star-Star Supramolecular Architecture. Angewandte Chemie International Edition. 52 (24), 6180-6184 (2013).
  14. Harada, A., Takashima, Y., Nakahata, M. Supramolecular Polymeric Materials via Cyclodextrin-Guest Interactions. Accounts of Chemical Research. 47 (7), 2128-2140 (2014).
  15. Ballester, P., Vidal-Ferran, A., van Leeuwen, P. W. N. M. Modern Strategies in Supramolecular Catalysis. Advances in Catalysis. 54 (1), 63-126 (2011).
  16. Raynal, M., Ballester, P., Vidal-Ferran, A., van Leeuwen, P. W. N. M. Supramolecular catalysis. Part 1: non-covalent interactions as a tool for building and modifying homogeneous catalysts. Chemical Society Reviews. 43 (5), 1660-1733 (2014).
  17. Szente, L., Szemán, J. Cyclodextrins in Analytical Chemistry: Host-Guest Type Molecular Recognition. Analytical Chemistry. 85 (17), 8024-8030 (2013).
  18. Fourmentin, S., Ciobanu, A., Landy, D., Wenz, G. Space filling of β-cyclodextrin and β-cyclodextrin derivatives by volatile hydrophobic guests. Beilstein Journal of Organic Chemistry. 9, 1185-1191 (2013).
  19. Astruc, D. . Olefin Metathesis: Theory and Practice. , (2014).
  20. Samojłowicz, C., Bieniek, M., Grela, K. Ruthenium-Based Olefin Metathesis Catalysts Bearing N-Heterocyclic Carbene Ligands. Chemical Reviews. 109 (8), 3708-3742 (2009).
  21. Vougioukalakis, G. C., Grubbs, R. H. Ruthenium-Based Heterocyclic Carbene-Coordinated Olefin Metathesis Catalysts. Chemical Reviews. 110 (3), 1746-1787 (2010).
  22. Herbert, M. B., Grubbs, R. H. Z-Selective Cross Metathesis with Ruthenium Catalysts: Synthetic Applications and Mechanistic Implications. Angewandte Chemie International Edition. 54 (17), 5018-5024 (2015).
  23. Maier, M. E. Synthesis of Medium-Sized Rings by the Ring-Closing Metathesis Reaction. Angewandte Chemie International Edition. 39 (12), 2073-2077 (2000).
  24. Clavier, H., Grela, K., Kirschning, A., Mauduit, M., Nolan, S. P. Sustainable Concepts in Olefin Metathesis. Angewandte Chemie International Edition. 46 (36), 6786-6801 (2007).
  25. Cho, J. H., Kim, B. M. An Efficient Method for Removal of Ruthenium Byproducts from Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 5 (4), 531-533 (2003).
  26. Skowerski, K., Gułajski, &. #. 3. 2. 1. ;. . Olefin Metathesis: Theory and Practice. , (2014).
  27. Committee for medicinal products for human use (CHMP). . Guideline on the specification limits for residues of metal catalysts or metal reagents (Doc.Ref. EMEA/CHMP/SWP/4446/2000). , 1-34 (2008).
  28. Maynard, H. D., Grubbs, R. H. Purification technique for the removal of ruthenium from olefin metathesis reaction products. Tetrahedron Letters. 40 (22), 4137-4140 (1999).
  29. Paquette, L. A., et al. A Convenient Method for Removing All Highly-Colored Byproducts Generated during Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 2 (9), 1259-1261 (2000).
  30. Ahn, Y. M., Yang, K., Georg, G. I. A Convenient Method for the Efficient Removal of Ruthenium Byproducts Generated during Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 3 (9), 1411-1413 (2001).
  31. Westhus, M., Gonthier, E., Brohm, D., Breinbauer, R. An efficient and inexpensive scavenger resin for Grubbs’ catalyst. Tetrahedron Letters. 45 (15), 3141-3142 (2004).
  32. McEleney, K., Allen, D. P., Holliday, A. E., Crudden, C. M. Functionalized Mesoporous Silicates for the Removal of Ruthenium from Reaction Mixtures. Organic Letters. 8 (13), 2663-2666 (2006).
  33. Galan, B. R., Kalbarczyk, K. P., Szczepankiewicz, S., Keister, J. B., Diver, S. T. A Rapid and Simple Cleanup Procedure for Metathesis Reactions. Organic Letters. 9 (7), 1203-1206 (2007).
  34. Michrowska, A., et al. A green catalyst for green chemistry: Synthesis and application of an olefin metathesis catalyst bearing a quaternary ammonium group. Green Chemistry. 8 (8), 685-688 (2006).
  35. Skowerski, K., et al. Easily removable olefin metathesis catalysts. Green Chemistry. 14 (12), 3264-3268 (2012).
  36. Kosnik, W., Grela, K. Synthesis of functionalised N-heterocyclic carbene ligands bearing a long spacer and their use in olefin metathesis. Dalton Transactions. 42 (20), 7463-7467 (2013).
  37. Hong, S. H., Grubbs, R. H. Efficient Removal of Ruthenium Byproducts from Olefin Metathesis Products by Simple Aqueous Extraction. Organic Letters. 9 (10), 1955-1957 (2007).
  38. Kim, C., Ondrusek, B. A., Chung, H. Removable Water-Soluble Olefin Metathesis Catalyst via Host-Guest Interaction. Organic Letters. 20 (3), 736-739 (2018).
  39. Hong, S. H., Wenzel, A. G., Salguero, T. T., Day, M. W., Grubbs, R. H. Decomposition of Ruthenium Olefin Metathesis Catalysts. Journal of the American Chemical Society. 129 (25), 7961-7968 (2007).
  40. Qi, M., Chew, B. K. J., Yee, K. G., Zhang, Z. X., Young, D. J., Hor, T. S. A. A catch-release catalysis system based on supramolecular host-guest interactions. RSC Advances. 6 (28), 23686-23692 (2016).

タグ

RutheniumOlefin Metathesis CatalystWater-SolubleAqueous MediaHost-Guest InteractionCatalyst RemovalRecyclable Homogeneous CatalysisTransition Metal CatalystPolymer SciencePharmaceutical IndustryPurificationChromatographyImidazolium SaltHoveyda-Grubbs CatalystTolueneKH MDS Solution

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
記事を引用
Kim, C., Chung, H. Heterogeneous Removal of Water-Soluble Ruthenium Olefin Metathesis Catalyst from Aqueous Media Via Host-Guest Interaction. J. Vis. Exp. (138), e58067, doi:10.3791/58067 (2018).
引用ダウンロード
転載と許可

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image