Characterizing Lewis Pairs Using Titration Coupled with In Situ Infrared Spectroscopy

Carly  S. Hanson; James J. Devery

doi:10.3791/60745

JoVE Journal > Chemistry

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화학

Charakterisieren von Lewis-Paaren mit Titration gekoppelt mit In Situ-Infrarotspektroskopie

Published: February 20, 2020

doi:

10.3791/60745

Carly S. Hanson¹, James J. Devery¹

¹Department of Chemistry & Biochemistry,Loyola University Chicago

Summary

Hier stellen wir eine Methode zur Beobachtung von Lösungswechselwirkungen zwischen Lewis-Säuren und Basen vor, indem wir die In-situ-Infrarotspektroskopie als Detektor für die Titration unter synthetisch relevanten Bedingungen einsetzen. Durch die Untersuchung von Lösungswechselwirkungen stellt diese Methode eine Ergänzung zur Röntgenkristallographie dar und stellt eine Alternative zur NMR-Spektroskopie dar.

Abstract

Die Lewis-Säure-Aktivierung von kohlenstoffylhaltigen Substraten ist eine grundlegende Grundlage, um Transformationen in der organischen Chemie zu erleichtern. Historisch gesehen war die Charakterisierung dieser Wechselwirkungen auf Modelle beschränkt, die stoichiometrischen Reaktionen entsprechen. Hier berichten wir über eine Methode, bei der die In-situ-Infrarotspektroskopie verwendet wird, um die Lösungswechselwirkungen zwischen Lewis-Säuren und Carbonylen unter synthetisch relevanten Bedingungen zu untersuchen. Mit dieser Methode konnten wir eine 1:1-Komplexierung zwischen GaCl₃ und Aceton und einen stark ligaierten Komplex für FeCl₃ und Aceton identifizieren. Der Einfluss dieser Technik auf das mechanistische Verständnis wird durch die Anwendung auf den Mechanismus der Lewis-Säure-vermittelten Carbonyl-Olefin-Metathese veranschaulicht, bei der wir wettbewerbsfähige Bindungswechselwirkungen zwischen Substratcarbonyl und Produktcarbonyl mit dem Katalysator beobachten konnten.

Introduction

Die Verwendung von Lewis-Säuren zur Aktivierung von Kohlencarbonen-haltigen Substraten ist in organischen synthetischen Methoden¹^,²^,³^,⁴allgegenwärtig. Die Untersuchung dieser Wechselwirkungen stützte sich auf die Festkörper-Röntgenkristallographie sowie die In-situ-NMR-Spektroskopie². Einschränkungen dieser Techniken manifestieren sich durch Artefakte, die aus der Kristallisation entstehen, oder die Unfähigkeit, paramagnetische Lewis-Säuren mittels NMR-Analyse zu untersuchen. Um diese Probleme zu überwinden, haben Chemiker Infrarot -spektroskopie (IR) eingesetzt, um die genaue Struktur von Lewis-Paaren zu bestimmen. Darüber hinaus wurde IR verwendet, um Lewis Säure⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹. Das Susz-Labor untersuchte die Festkörper-Wechselwirkungen von Lewis-Säuren und Carbonylen im stoichiometrischen Regime. Unter Verwendung von IR in Verbindung mit elementarer Analyse war die Susz-Gruppe in der Lage, die Strukturen von ordentlichen 1:1-Mischungen von Lewis-Paaren aufzuklären. Diese Analyse lieferte einen großen Einblick in die strukturellen Auswirkungen der Wechselwirkungen einfacher Carbonylverbindungen mit häufig verwendeten Lewis-Säuren im Festen Zustand und von besonderem Interesse für unser Labor: FeCl₃¹⁰^,¹¹. Wir haben behauptet, dass wir das bestehende Verständnis der Wechselwirkungen dieser wichtigen Lewis-Paare über eine In-situ-Methode, die synthetisch relevante Bedingungen untersucht, ergänzen könnten.

In situ IR ermöglicht es Chemikern, Echtzeitmessungen von funktionellen Gruppenkonvertierungen vor Ort durchzuführen. Diese Daten liefern wichtige Erkenntnisse über Reaktionsraten, um Hypothesen über die Betriebsmechanismen eines Prozesses zu unterstützen und die Reaktionsleistung zu beeinflussen. Echtzeitbeobachtungen ermöglichen es Chemikern, die Interkonversion von Reaktionskomponenten im Verlauf der Reaktion direkt zu verfolgen, und die gewonnenen Informationen können vom synthetischen Chemiker bei der Entwicklung neuer Verbindungen und der Optimierung von synthetischen Wegen und neuen chemischen Prozessen.

Unter Verwendung der In-situ-IR-Spektroskopie als Detektionsmethode untersuchten wir die Substrate und Zwischenprodukte, die am katalytischen Zyklus der metallvermittelten Carbonyl-Olefin-Metathese¹²beteiligt sind. Das vom Schindler-Labor entwickelte Fe(III)-katalysierte Carbonyl-Olefin-Metathese-Verfahren ist ein Beispiel für eine leistungsfähige Methode zur Herstellung von C=C-Bindungen aus funktionellen Gruppen, die bei der Konstruktion komplexer Moleküle allgegenwärtig eingesetzt werden¹³^,¹⁴^,¹⁵. Seit dem ursprünglichen Bericht hat dieser Prozess eine Fülle von synthetischen Entwicklungen über die Verwendung von Fe(III)¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵. Wichtig ist, dass diese Reaktion erfordert, dass der Lewis-Säurekatalysator zwischen einem Substratcarbonyl und einem Produktcarbonyl für eine erfolgreiche Reaktivität unterscheidet. Um diese Wettbewerbsinteraktion unter synthetisch relevanten Bedingungen zu beobachten, kombinierten wir die Titration mit der kontinuierlichen Beobachtung durch in situ IR.

Wir glauben, dass diese Methode von allgemeiner Bedeutung für Chemiker ist, die kohlenylzentrierte Reaktionen untersuchen, die durch Lewis-Säuren katalysiert werden. Diese detaillierte Demonstration soll Chemikern helfen, diese Technik auf ihr Studiensystem anzuwenden.

Protocol

1. Open-Air-Referenzspektrum Öffnen Sie die Datenerfassungssoftware. Klicken Sie auf Instrument. Klicken Sie auf der Registerkarte Konfigurieren auf Hintergrund sammeln. Klicken Sie auf Weiter. Legen Sie Scans auf 256 fest, und klicken Sie auf OK, um einen Hintergrund zu sammeln.HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass sich der Prüfpunkt an der gleichen Position befindet, an der die Datensammlung stattfindet. Positionsänderungen der Sonde können Spektren beeinflussen. 2. Lösungsmittel-Referenzspektrum Klicken Sie in der Datenerfassungssoftware auf Datei. Klicken Sie auf Neu. Klicken Sie auf QuickStart. Legen Sie Dauer auf 15 min und Sample-Intervall auf 15 s fest. Klicken Sie auf Erstellen, um Experimente zu erstellen.HINWEIS: An dieser Stelle muss das chemische System an der in situ IR-Sonde befestigt werden, um fortzufahren. Die folgenden Schritte sind für die Vorbereitung des chemischen Systems zu untersuchen. Unter inereiniger Atmosphäre LewisSäure zu einem flammengetrockneten 25 mL 2-Hals-Rundkolben mit Rührstab hinzufügen (Abbildung 1B). Versiegeln Sie den Kolben mit Gummisepta und befestigen Sie einen Ar-gefüllten Ballon an der Flasche. Das gewünschte Volumen des wasserfreien Lösungsmittels über eine Spritze (mindestens 3 ml) hinzufügen (Abbildung 1C).HINWEIS: FeCl3 ist in Dichlorethan (DCE) nicht löslich. GaCl3 ist in DCE löslich. Entfernen Sie ein Septum und befestigen Sie den Kolben an der in situ IR-Sonde (Abbildung 1D). Stellen Sie den Kolben in ein temperaturgeregeltes Bad, das auf die gewünschte Temperatur eingestellt ist (Abbildung 1E). Starten Sie das Experiment in der Datenerfassungssoftware, indem Sie auf die Schaltfläche klicken, um mit dem Sammeln von Daten zu beginnen, und beenden Sie das Sammeln von Daten nach 2 min.HINWEIS: Der Name dieser Datei ist das Lösungsmittel-Referenzspektrum, das Sie in Schritt 3.1.3 verwenden werden. 3. Titrationssoftware-Setup Erstellen eines neuen Titrationsexperiments Klicken Sie in der Datenerfassungssoftware auf Datei | Neu | Schnellstart. Stellen Sie die Dauer auf 8 h und das Sample-Intervall auf 15 s fest.HINWEIS: Die Datenerfassung hat die Möglichkeit, die Experimentdauer zwischen 15 min und 2 d und das Probenintervall zwischen 15 s und 1 h einzustellen. Klicken Sie auf Erstellen, um experimentezuerstellen. Wechseln Sie in der Datenerfassungssoftware zur Registerkarte Spectra und klicken Sie auf Spectra hinzufügen. Klicken Sie auf Aus Datei und öffnen Sie das entsprechende Lösungsmittel-Referenzspektrum, das in Schritt 2 erreicht wurde. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen mit der Zeitsignatur. Klicken Sie auf OK. Starten Sie das Experiment in der Datenerfassungssoftware, indem Sie auf die Schaltfläche klicken, um mit dem Sammeln von Daten zu beginnen. Klicken Sie auf Solvent Subtraction, und wählen Sie das entsprechende Referenzspektrum aus, das in Schritt 3.1.3 hinzugefügt wurde. 15 min rühren, um die Temperatur zu erreichen. Verwenden Sie die In-situ-IR-Sonde, um die Temperatur zu bestimmen. 4. Titrationsverfahren 10 l Carbonylanalyt über Spritze hinzufügen (Abbildung 1F). Beobachten Sie die Signalantwort bei der Datenerfassung (Abbildung 2). Das System wird sich vom Gleichgewicht absetzen und sich mit der Zeit verändern. Wenn sich das IR-Signal stabilisiert und konstant bleibt, sammeln Sie das IR-Spektrum.HINWEIS: Die Datenerfassung erfasst Spektren mit einer festgelegten Frequenz. Die Daten in unserem Labor werden alle 15 s gesammelt. Wir beachten den Zeitpunkt, zu dem das System das Gleichgewicht erreicht, und nutzen das zu diesem Zeitpunkt gesammelte Spektrum für die Analyse. Wiederholen Sie die Schritte 4.1-4.3, bis die gewünschte Menge an Analyt hinzugefügt wird.HINWEIS: DieFeCl-3-Mischung wird homogen, sobald 1 Äquiv 1 zugegeben wird und die GaCl3-Mischung homogen bleibt, unabhängig von der Menge von 1 hinzugefügt. 5. Analyse von IR-Spektren Exportieren Sie Daten für die Datenerfassungssoftware. Klicken Sie auf Datei | Export | Multi-Spektrum-Datei. Überprüfen Sie unter Format, überprüfen Sie CSV und überprüfen Sie unter Daten, überprüfen Sie Raw. Klicken Sie auf Exportieren, um IR-Daten in Tabellenkalkulationoder- oder mathematische Verarbeitungssoftware zu exportieren. Plotten Sie den gewünschten Bereich des IR-Spektrums, wie in Abbildung 3A,Ddargestellt. Untersuchen Sie das Spektrum auf Übergänge und/oder isosbestische Punkte. Getrennte Spektren nach Progression, wie in Abbildung 3B,C für GaCl3 und Abbildung 3E,F für FeCl3dargestellt. 6. Komponentenanalyse Identifizieren Sie dieHöchstgröße jeder interessierten Art, wie in Abbildung 4A für GaCl3 und 1 und Abbildung 4D für FeCl3 und 1dargestellt, um eine Tabelle der Absorption vs. äquivalent des hinzugefügten Analyten zu erzeugen, wie in Abbildung 4B für GaCl3 und Abbildung 4E für FeCl3dargestellt. Um die Verdünnung zu berücksichtigen, multiplizieren Sie die Absorption mit dem Gesamtvolumen der Lösung für jedes Spektrum, wie in Abbildung 4B für GaCl3 und Abbildung 4E für FeCl3dargestellt. Plotprodukt der Absorption*Volumen in Abhängigkeit von Äquivalenten von Analyt, wie in Abbildung 4C für GaCl3 und Abbildung 4F für FeCl3dargestellt. 7. Analyse des Artenverbrauchs Für in situ generierte Arten, die identifiziert werden können, zeichnen Sie eine Beer-Lambert-Beziehung, wie in Abbildung 5Adargestellt. Messen Sie bei bekannten Arten den Einfluss der Konzentration auf die Absorption an der gewünschtenMax und zeichnen Sie eine Beer-Lambert-Beziehung. Anhand der beiden Beer-Lambert-Beziehungen bestimmen Sie die beobachteten In-situ-Mengen der interessierten Art, wie in Abbildung 5Bdargestellt.HINWEIS: CMAX = 2 mmol, wie durch die Menge an FeCl3 definiert. CADD ist die Maulwürfe von Aceton (1) hinzugefügt. CCOORD ist der Maulwurf des FeCl3-Aceton-Komplexes (3). COBS ist der Maulwurf von ungebunden 1. CND ist der Maulwurf von 1 nicht nachgewiesen. CMAX – CCOORD ist der Maulwurf von 3, die verbraucht wurden. Plot CND vs. (CMAX – CCOORD), um festzustellen, ob eine Korrelation besteht, wie in Abbildung 5Cdargestellt.HINWEIS: Die Steigung dieser Linie wird in Maulwürfen der Art 1 pro Maulwurf der Art 3sein.

Representative Results

In dieser Studie wurde die in situ IR-überwachte Titration verwendet, um die Wechselwirkungen von 1 und GaCl3 sowie 1 und FeCl3 (Abbildung 6)12zu beobachten. Anhand dieser Protokollsammlung konnten wir feststellen, dass GaCl3 und 1 in Lösung 1:1 komplex 2 bilden. Alternativ, wenn FeCl3 und 1 kombiniert werden, wird komplexeres Verhalten beobachtet. Abbildung 6 zeigt die Gleichgewichte, die wir untersucht haben. Abbildung 1 zeigt die physikalische Einrichtung der Titration von FeCl3 mit 1. Abbildung 2 zeigt den Rohzulauf der von der in situ IR erhaltenen Daten mithilfe der Datenerfassungssoftware für die Titration von FeCl3 mit 1. Abbildung 3 zeigt den Prozess des Extrahierens der Übergänge, die sich aus dieser Titrationsmethode ergeben, die auf GaCl3 und FeCl3angewendet wird. Abbildung 4 zeigt die Extraktion derMax-Daten der Titration von GaCl3 mit 1 und die Titration von FeCl3 mit 1. Abbildung 5 zeigt die Extraktion des komplexen Koordinationsverhaltens aus der Titration von FeCl3 mit 1. Abbildung 7 zeigt eine Anwendung dieser Protokolle für die Prüfung des wettbewerbsfähigen Zugangs zu einer Lewis-Säure. Abbildung 8 zeigt die Anwendung dieser Protokolle auf die Überarbeitung des Mechanismus der metallkatalysierten Carbonyl-Olefin-Metathese. Abbildung 1: Visuelle Anleitung zur Systemeinrichtung. Erforderliche Komponenten für die Durchführung der Titration (A). Montierte Komponenten vor der Befestigung an der in situ IR (B). Flasche mit Ar und bereit für Lösungsmittelzugabe (C). Kolben, der mit Lösungsmittel (D) am In-situ-IR befestigt ist Flasche unter Temperaturregelung (E). Bereit für die Zugabe von Analyt (F). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2: Analytsignalantwort in der Datenerfassungsschnittstelle bei 1636 cm-1 bei Titration von 2 mmol FeCl3 in 12 ml DCE mit 1. Das Spektrum wird gesammelt, wenn sich das System im Gleichgewicht befindet, nach Analytaddition. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 3: Analyse von IR-Spektren. Spectra gesammelt für die Titrationen GaCl3 mit 0-4 Equiv 1 (A) und FeCl3 mit 0-4 äquiv 1 (D). Aufschlüsselung der Titration von GaCl3 mit 0-1 Äquiv 1 zeigt die Bildung von 2 (B) und mit 1-4 Äquiv 1 zeigt das Vorhandensein von 1 (C). Aufschlüsselung der Titration von FeCl3 mit 0-1 Äquiv 1 zeigt die Bildung von 3 (E) und mit 1-4 Äquiv 1 zeigt das Vorhandensein von 1, der Verbrauch von 3, und die Bildung einer neuen Art (F). Nachdruck (angepasst) mit Genehmigung von Hanson, C. S., et al12. Copyright 2019 American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 4: Extraktion vonmax. Daten aus IR für die Komponentenanalyse. Spektren für die Titrationen GaCl3 mit 0-4 Äquiv 1 mit demangegebenen Max für 1 und 2 (A) und FeCl3 mit 0-4 Equiv 1 mit dem- max für 1 und 3 angegebenen (D) gesammelt. Tabelle mit repräsentativen Daten normalisiert, um die Verdünnung für GaCl3 (B) und für FeCl3 (E) zu berücksichtigen. Daten aus (B) für die Komponentenanalyse der Titration von GaCl3 mit 1 (C) und für die Komponentenanalyse der Titration von FeCl3 mit 1 (F) dargestellt. Nachdruck (angepasst) mit Genehmigung von Hanson, C. S., et al12. Copyright 2019 American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 5: Verbrauchsanalyse der Titration von FeCl3 mit 1. Segment der IR-Daten, die verwendet werden, um eine Beer-Lambert-Beziehung für [3] und das Segment der IR-Daten zu generieren, die verwendet werden, um den Verbrauch von 3 (A )zu bestimmen. Maulwürfe jeder 1-enthaltenden Art, gemessen aus IR (B). Plot der Maulwürfe von 1 nicht entdeckt vs. Maulwürfe von 3 verbraucht (C). Nachdruck (angepasst) mit Genehmigung von Hanson, C. S., et al12. Copyright 2019 American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 6: Lewis-Säure-Basen-Gleichgewichte, die in dieser Studie untersucht wurden. Titrationen von GaCl3 mit 1 bis Form 2 und FeCl3 mit 1 bis Form 3 und 4 werden gemeldet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 7: Wettbewerbsfähiges Bindungsexperiment. Carbonyl-Region des IR-Spektrums von 3 (A) und des IR-Spektrums von 5 (B). Gleichgewicht in Titration von 3 mit 6 (C )untersucht. IR-Daten der Titration von 3 mit 1 Äquiv 6 (D). Nachdruck (angepasst) mit Genehmigung von Hanson, C. S., et al12. Copyright 2019 American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 8: Anwendung von In-situIR-Daten im mechanistischen Vorschlag. Carbonyl-Olefin-Metathesereaktion von 7 (A). Der überarbeitete mechanistische Vorschlag der Carbonyl-Olefin-Metathese, der durch Titration in Verbindung mit in situ IR-Spektroskopie (B) erleichtert wird Nachdruck (angepasst) mit Genehmigung von Hanson, C. S., et al12. Copyright 2019 American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Unter wasserfreien Bedingungen können Lewis-Säuren eine Reihe von Löslichkeiten haben. Die beiden Beispiele, die wir vorgestellt haben, sind GaCl₃ und FeCl₃ in DCE. GaCl₃ ist zu Beginn der Titration homogen, während FeCl₃ weitgehend unlöslich ist. Beginnend mit der homogenen Lösung von GaCl₃haben wir eine Titration von 0-4 Äquiv 1 in 10-L-Schritten abgeschlossen und die IR-Spektren extrahiert (Abbildung 3A). Die Untersuchung der Übergänge, die im Laufe der Titrationen auftreten, zeigt die Bildung einer einzelnen Art im Carbonylbereich bei 1630 cm^-1, die von 0-1 Äquiv 1 (Abbildung 3B) ²⁶^,²⁷wächst. Wenn der Lösung mehr als 1 Äquiv 1 hinzugefügt wird, tritt keine Änderung des Peaks bei 1630 cm^-1 auf und ungebunden 1 wird bei 1714 cm^-1 beobachtet (Abbildung 3C). Diese Ergebnisse stimmen mit der Bildung von 2überein. Wenn die gleiche Titration mit FeCl₃ (Abbildung 3D) durchgeführt wird, bildet sich ein Spitzenwert bei 1636 cm^-1 von 0-1 Äquiv 1, was mit 3 (Abbildung 3E) übereinstimmt. Wichtig ist, dass die Mischung homogen wird, sobald 1 Äquiv 1 erreicht ist. Wenn die Titration über 1 Äquiv 1hinausgeht, wird ungebunden 1 bei 1714 cm^-1beobachtet, 3 nimmt die Intensität ab, ein isosbestischer Punkt löst sich bei 1648 cm^-1auf und ein neuer Peak bei 1663 cm^-1 bildet sich.

Anhand der Titrations-IR-Daten können die Äquivalente des verwendeten Analyten verwendet werden, um die Komponentenanalyse der Lösungsinteraktionen durchzuführen (Abbildung 4). Um die Verdünnung zu berücksichtigen, können wir eine Normalisierung in Bezug auf das Volumen der Beer-Lambert-Gleichung (1:

wobei 1) sowohl Absorption (A) als auch Volumen (V) messbare Begriffe sind; 2) Die molare Absorptivity ()) und die Pfadlänge (l) sind konstant, so dass die Anzahl der Mol (n) 3) untersucht werden kann. Die normalisierte Absorption kann leicht in einer Kalkulationstabelle berechnet werden (Abbildung 4B,D), und dann kann dieser Begriff mit Äquivalenten von Analyt dargestellt werden. In Abbildung 4Ckönnen wir sehen, dass das Signal für 2 linear in Bezug auf 1 bis 1 Äquiv ansteigt, an dem Punkt das Signal für 1 linear ansteigt und 2 unverändert ist. In Abbildung 4Fsehen wir eine ähnliche lineare Erhöhung des Signals von 3 bis 1 Äquiv 1, gefolgt von der Anwesenheit von 1 jenseits 1 Äquiv hinzugefügt. Wir beobachten jedoch auch eine lineare Abnahme der Intensität von 3, und wir beobachten weniger 1, als wir sollten, vorausgesetzt, dass ein ähnliches Verhalten wie GaCl₃angenommen wird.

Weitere Informationen finden Sie aus den IR-Daten zur Titration von FeCl₃ mit 1. Die maximale Menge von 3, die sich bilden kann, wird durch die Menge an FeCl₃ hinzugefügt (C_MAX = 2 mmol FeCl₃ in der Beispieltitration) definiert. Wir kennen die Menge von 1, die wir dem Kolben (C_ADD) hinzufügen, und wir können die Menge an ungebundenen 1 messen, die wir bei 1714 cm^-1 (C_OBS) beobachten, und die Menge von 3, die wir bei 1636 cm^-1 (C_COORD) mit Beer-Lambert-Beziehungen beobachten. Schließlich wissen wir, dass wir nicht alle 1, die dem Kolben hinzugefügt werden, als kostenlos 1 oder 3verbuchen können, was darauf hinweist, dass einige 1 nicht erkannt werden (C_ND). Wir können diese Begriffe für 1 in der folgenden Massenbilanz (2:

Wir können die Titrationsdaten verwenden, um die Werte dieser Begriffe in jedem IR-Spektrum zu berechnen, das während der Titration erzeugt wurde (Abbildung 5B). Mit diesen Werten können wir die Menge von 1 fehlen (C_ND) als Funktion der verbrauchten Menge 3 (C_MAX-C_COORD) darstellen, um festzustellen, ob eine Korrelation besteht (Abbildung 5C). Diese Korrelation stimmt mit 3 Äquiv 1 verbrauchen1 Äquiv 3, die einen Komplex ähnlich 4bilden können. Wir haben weitere Unterstützung für diese Anzahl von befestigten Ketonen durch Untersuchung der Lösungsleitfähigkeit erhalten, die mit einem oder mehreren der Chloride, die in die äußere Sphäre von Fe(III) verdrängt werden, und Röntgenkristallographie einer analogen Struktur mit Benzaldehyd¹²übereinstimmt. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass es eine Mischung verschiedener Arten von hochligaten Strukturen gibt, die in Lösung gebildet werden, wie unsere nicht-ganzen Zahlenneigungen in unserer Verbrauchsanalyse in Abbildung 5angezeigt werden, und die Kristallstruktur, die wir beobachten, kann einfach der einzige Komplex sein, der ausfällt.

Zusätzlich zu den Wechselwirkungen zwischen zwei Arten kann diese Methode verwendet werden, um Wettbewerbsinteraktionen zu untersuchen (Abbildung 7). Durch die Ermittlung der Formations- und Spektraleigenschaften von 3 (Abbildung 7A) und 5 (Abbildung 7B) kann der Wettbewerb von Carbonylen um den Zugang zur Lewis-Säure beobachtet werden. Durch Vorformen 3 in Lösung können wir untersuchen, wie 6 Verdrängungen 1 (Abbildung 7C). Wenn wir dieses System untersuchen, sehen wir, dass, wenn wir 6 bis 3hinzufügen, nicht alle 6 Bindungen an FeCl_3. Wir beobachten jedoch den Verbrauch von 3 mit gleichzeitiger Anwesenheit von 1,sowie die Bildung von 5.

Mit dieser Art von Wettbewerbsexperiment konnten wir den Zustand von FeCl₃ als Katalysator in der Carbonyl-Olefin-Metathese simulieren (Abbildung 8). Wir haben zuvor gezeigt, dass bei geringen Umsätzen die Carbonyl-Olefin-Metathese über den Primärzyklus in Abbildung 8B²⁸funktioniert. Substrat 7 interagiert mit FeCl_3, um komplexe 9 als Ruhezustand des Zyklus zu bilden. Komplex 9 erfährt dann umsatzbegrenzende [2+2]-Zykloaddition zum Oxetankomplex 10. Retro-[2+2] ergibt Cycloalkenprodukt 8 und 3, das wiederum das Molekül von 1 durch ein Molekül von 7verdrängt haben muss. Mit zunehmender [1] wird 3 jedoch in Komplex 4umgewandelt. Koordinativ gesättigt4 dann entweder Sequester FeCl₃ oder ist katalytisch kompetent, was zu einem parallelen Zyklus über Ketonkomplex 11 und Oxetan-Komplex 12führt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung von In-situ-IR zur Überwachung der Titration von Lewis-Säuren mit Carbonylverbindungen es Chemikern ermöglicht, Einblicke in Wechselwirkungen zwischen Lewis-Säure/Basenlösung unter synthetisch relevanten Bedingungen zu gewinnen. Diese Technik kann nicht nur eingesetzt werden, um diskrete Strukturen zu identifizieren, sondern sie kann auch eingesetzt werden, um den Übergang einer diskreten Art in eine andere zu beobachten. Die Ergebnisse dieser Methode wurden verwendet, um den Mechanismus anderer Metathesenreaktionen vorzuschlagen²⁹. Wir verwenden derzeit Daten, die über diese Methode gesammelt werden, um die Reaktivität widerspenstiger Substrate in der Carbonyl-Olefin-Metathese zu erleichtern und neue Formen von Metathesereaktionen zu entwickeln. Schließlich wirken sich die Wettbewerbswechselwirkungen zwischen Substratcarbonylen und Produktcarbonylen wahrscheinlich auf andere Lewis-Säure-katalysierte Reaktionen aus. Wir verwenden diese Methode, um diese anderen katalytischen Regime zu untersuchen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken der Loyola University Chicago, Merck, Co., Inc. und dem NIH/National Institute of General Medical Sciences (GM128126) für die finanzielle Unterstützung. Wir danken Mettler-Toledo Autochem Inc. für die Unterstützung bei der Produktion dieses Artikels.

Materials

Acetone	BDH	BDH1101-19L	Dried over potassium carbonate
Balloon	VWR	470003-408	Round Balloons, Assorted Colors, 9" dia.
Detector LN2 RiR15	Mettler Toledo	14474603
1,2 Dichloroethane	Beantown	223375-2.5L	Dried over 3Å molecular sieves
Gallium (III) Chloride	Beantown	127270-100G	Anhydrous ≥99.999% (trace metals basis)
25 µL glass syringe	Hamilton	80285
Inert Argon Gas	Airgas		Ultra High Purity
Iron (III) Chloride	Sigma Aldrich	157740-100G	Reagent Grade, 97%
100-mL Jacketed Beaker	AceGlass	5340-03
3Å Molecular Sieves	Alfa Aesar	L05335
25-mL 2 neck flask	CTechGlass	FL-0143-003
18G Needle	BD Biosciences	305196	Needles with Regular Bevel, 38.1 mm (11/2")
Potassium Carbonate	Sigma Aldrich	60109-1KG-F	Anhydrous
Prism 8	GraphPad		Mathematical Processing Software
Probe DST 6.35 x 1.5m X 203 DiComp	Mettler Toledo	14474510	in situ IR probe
Rice Stir Bar	Dynalon	303495	Diameter: 3 mm (1/8"), Length: 10 mm (3/8")
14/20 Rubbber Septa	VWR	89097-554
5-mL Syringe	AIR-TITE	53548-005	HSW Norm-Ject Sterile Luer-Slip Syringes, Air-Tite
10-mL Syringe	AIR-TITE	53548-006	HSW Norm-Ject Sterile Luer-Slip Syringes, Air-Tite
System ReactIR 15	Mettler Toledo	1400003	in situ IR system
Thermostatic Bath	Haake		Haake A82

References

. . NATO ASI Series, Ser. C: Mathematical and Physical Sciences: Selectivities in Lewis Acid Promoted Reactions. 289, (1989).
Santelli, M., Pons, J. M. . Lewis Acids and Selectivity in Organic Synthesis. , (1996).
Yamamoto, H. . Lewis Acids in Organic Synthesis. , (2000).
Satchell, D. P. N., Satchell, R. S. Quantitative Aspects of the Lewis Acidity of Covalent Metal Halides and Their Organo Derivatives. Chemical Reviews. 69, 251-278 (1969).
Mohammad, A., Satchell, D. P. N., Satchell, R. S. Quantitative Aspects of Lewis Acidity. Part VIII. The Validity of Infrared Carbonyl Shifts as Measures of Lewis Acid Strength. The Interaction of Lewis Acids and Phenalen-1-one(Perinaphthenone). Journal of the Chemical Society B: Physical Organic. , 723-725 (1967).
Satchell, D. P. N., Satchell, R. S. Quantitative Aspects of Lewis Acidity. Q. Chemical Society Reviews. 25, 171-199 (1971).
Driessen, W. L., Groeneveld, W. L. Complexes with Ligands Containing the Carbonyl Group. Part I: Complexes with Acetone of Some Divalent Metals Containing Tetrachloro-ferrate(III) and -indate(III) Anions. Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. 88, 977-988 (1969).
Driessen, W. L., Groeneveld, W. L. Complexes with Ligands Containing the Carbonyl Group. Part III: Metal (II) Acetaldehyde, Propionaldehyde and Benzaldehyde Solvates. Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. 90, 87-96 (1971).
Driessen, W. L., Groeneveld, W. L. Complexes with Ligands Containing the Carbonyl Group. Part IV Metal(II) Butanone, Acetophenone, and Chloroacetone Solvates. Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. 90, 258-264 (1971).
Chalandon, P., Susz, B. P. Etude de Composés d’Addition des Acides de Lewis. VI Spectre d’Absorption Infrarouge de l’Acétone-Trifluorure de Bore; Spectre d’Absorption Infrarouge et Moment de Dipǒle du Di-propyl-cétone-trifluorure de Bore. Helvetica Chimica Acta. 41, 697-704 (1958).
Susz, B. P., Chalandon, P. Etude de Composés d’Addition des Acides de Lewis. IX. – Spectres d’Absorption Infrarouge des Composés Formés par la Benzophénone et l’Acétophénone avec BF3, FeCl3, ZnCl2 et AlCl3 et Nature de la Liaison Oxygène-Métal. Helvetica Chimica Acta. 41, 1332-1341 (1958).
Hanson, C. S., Psaltakis, M. C., Cortes, J. J., Devery, J. J. III Catalyst Behavior in Metal-Catalyzed Carbonyl-Olefin Metathesis. Journal of the American Chemical Society. 141, 11870-11880 (2019).
Ludwig, J. R., Schindler, C. S. Lewis Acid Catalyzed Carbonyl-Olefin Metathesis. Synlett. 139, 2960 (2017).
Becker, M. R., Watson, R. B., Schindler, C. S. Beyond Olefins: New Metathesis Directions for Synthesis. Chemical Society Reviews. 47, 7867-7881 (2018).
Riehl, P. S., Schindler, C. S. Lewis Acid-Catalyzed Carbonyl-Olefin Metathesis. Trends in Analytical Chemistry. 1, 272-273 (2019).
Ludwig, J. R., Zimmerman, P. M., Gianino, J. B., Schindler, C. S. Iron(III)-Catalysed Carbonyl-Olefin Metathesis. Nature. 533, 374-379 (2016).
Ma, L., et al. FeCl3-Catalyzed Ring-Closing Carbonyl-Olefin Metathesis. Angewandte Chemie International Edition. 55, 10410-10413 (2016).
McAtee, C. C., Riehl, P. S., Schindler, C. S. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons via Iron(III)-Catalyzed Carbonyl-Olefin Metathesis. Journal of the American Chemical Society. 139, 2960-2963 (2017).
Groso, E. J., et al. 3-Aryl-2,5-Dihydropyrroles via Catalytic Carbonyl-Olefin Metathesis. ACS Catalysis. 8, 2006-2011 (2018).
Ludwig, J. R., et al. Interrupted Carbonyl-Olefin Metathesis via Oxygen Atom Transfer. Science. 361, 1363-1369 (2018).
Albright, H., et al. GaCl3-Catalyzed Ring-Opening Carbonyl-Olefin Metathesis. Organic Letters. 20, 4954-4958 (2018).
Albright, H., et al. Catalytic Carbonyl-Olefin Metathesis of Aliphatic Ketones: Iron(III) Homo-Dimers as Lewis Acidic Superelectrophiles. Journal of the American Chemical Society. 141, 1690-1700 (2019).
Tran, U. P. N., Oss, G., Pace, D. P., Ho, J., Nguyen, T. V. Tropylium-Promoted Carbonyl-Olefin Metathesis Reactions. Chemical Science. 9, 5145-5151 (2018).
Tran, U. P. N., et al. Carbonyl-Olefin Metathesis Catalyzed by Molecular Iodine. ACS Catalysis. 9, 912-919 (2019).
Catti, L., Tiefenbacher, K. Brønsted Acid-Catalyzed Carbonyl-Olefin Metathesis inside a Self-Assembled Supramolecular Host. Angewandte Chemie International Edition. 57, 14589-14592 (2018).
Greenwood, N. N. The Ionic Properties and Thermochemistry of Addition Compounds of Gallium Trichloride and Tribromide. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 8, 234-240 (1958).
Greenwood, N. N., Perkins, P. G. Thermochemistry of the Systems which Boron Trichloride and Gallium Trichloride Form with Acetone and Acetyl Chloride, and the Heat of Solution of Boron Tribromide in Acetone. Journal of the Chemical Society Resumed. , 356 (1960).
Ludwig, J. R., et al. Mechanistic Investigations of the Iron(III)-Catalyzed Carbonyl-Olefin Metathesis Reaction. Journal of the American Chemical Society. 139, 10832-10842 (2017).
Djurovic, A. Synthesis of Medium-Sized Carbocycles by Gallium-Catalyzed Tandem Carbonyl-Olefin Metathesis/Transfer Hydrogenation. Organic Letters. 21, 8132-8137 (2019).

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Hanson, C. S., Devery, J. J. Characterizing Lewis Pairs Using Titration Coupled with In Situ Infrared Spectroscopy. J. Vis. Exp. (156), e60745, doi:10.3791/60745 (2020).