JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Química

הסרת הטרוגנית רותניום מסיסים במים אולפין זרז שיכול עיצורים ממדיה מימית באמצעות אינטראקציה מארח-אורח

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

Summary

מסיסים במים נשלף של N-אורגנית carbene (NHC) ליגנד בתקשורת מימית באמצעות אינטראקציה מארח-אורח פותחה. להדגים אולפין נציג שיכול עיצורים בתגובות המים גם כן כמו דיכלורומתאן. דרך האינטראקציה מארח-אורח או חילוץ, הזרז רותניום שיורית (Ru) היה נמוך כמו 0.14 ppm לאחר התגובה.

Abstract

הוא פיתח שיטה להסרת זרז מתכות מעבר יעיל ביותר. הזרז מסיסים במים מכיל של ליגנד NHC החדש תוכנן עבור הסרת זרז דרך אינטראקציות מארח-אורח. ליגנד NHC החדש הנו של יחידות ליניארי אתילן גליקול adamantyl (אורחים) קשורה להכללה הידרופובי לתוך החלל של מחשב מארח β-cyclodextrin (β-CD) מורכבים. ליגנד NHC חדש הוחל על זרז שיכול עיצורים אולפין מבוסס-Ru. הזרז Ru הפגינו פעילות מצוינת נציג טבעת סגירה שיכול עיצורים (RCM) ותגובות פתיחת הטבעת שיכול עיצורים הפילמור (השתוללו) מדיה מימית, כמו גם הממס האורגני, CH2Cl2. אחרי התגובה הייתה מלאה, השאריות Ru משתרכים שהוסר הפתרון מימית ביעילות של יותר מ 99% (53 ppm של שאריות Ru) על ידי סינון פשוט ניצול של המארח-אורח האינטראקציה בין לא מסיסים הושתל סיליקה β-CD (מארח) ו adamantyl moiety (אורחים) על הזרז. הזרז Ru חדש גם הדגימו יעילות גבוהה הסרה באמצעות מיצוי כאשר התגובה פועל בתוך הממס האורגני על ידי חלוקה למחיצות את תערובת התגובה גסה בין שכבות של דיאתיל אתר ומים. בדרך זו, הזרז נשאר רק שכבה מימית. בשכבה אורגני, הסכום Ru שיורית היה רק 0.14 ppm בתגובות RCM תרכובות diallyl.

Introduction

הסרת זרז אורגנומתכתית הומוגנית של המוצר היא סוגיה חשובה הכימיה המודרנית1,2. Catalyst שיורית גורם לא רק בעיה רעילות ויסודו מטאל, אלא גם של טרנספורמציה בלתי רצויה של מוצר מבית תגובתיות הפוטנציאלי שלה. זרז הומוגני מספק יתרונות רבים, כגון פעילות גבוהה, קצב התגובה המהירה chemoselectivity3, אולם, הוצאתה של המוצר הוא הרבה יותר קשה מאשר זרז הטרוגניות אשר יוסר פשוט על-ידי סינון או שפייה. שילוב היתרונות של זרז הומוגנית, הטרוגנית, כלומר, התגובה הומוגנית והסרת הטרוגנית, מייצג תפיסה חשובה עבור זרז אורגנומתכתית תגובתי ו נשלף בקלות. איור 1 מאויר עקרון הפעולה התגובה הומוגנית והסרת הטרוגנית של הזרז באמצעות אינטראקציה מארח-אורח.

המארח-אורח כימיה היא noncovalent מליטה הכרה מולקולרית בין מולקולות מארח חוות מולקולות ב כימיה סופרא מולקולרית4,5,6,7,8. Cyclodextrins (תקליטורים), oligosaccharides מחזורית, הן מארח נציג מולקולות9,10,11,12, הם יושמו רחב תחומי מדע כגון, מדע פולימרי 13 , 14,15,זרז16, ביו יישומים6,10וכימיה אנליטית17. מולקולה חוות, adamatane, נקשר בחוזקה חלל הידרופובי של β-CD (המארח, אנחנו שמרנו אותו 7 saccharide מחזורית) בקבוע האגודה גבוהה, K (כניסה K = 5.04)18. זיקה מחייבת סופרא מולקולרית זו היא חזקה מספיק כדי להסיר מורכבים שיורית זרז הפתרון התגובה מימית עם מלא נתמך β-CD.

בין זרזים רבים כי הם זכאים עבור הסרת מארח-אורח, Ru אולפין שיכול עיצורים זרז נחקר בשל כלי מעשי גבוהה ויציבות גבוהה נגד אוויר ולחות. התגובה שיכול עיצורים אולפין היא כלי חשוב בכימיה סינתטיים כדי ליצור קשר כפול פחמן-פחמן בנוכחות מתכות מעבר זרז19,20,21,22. פיתוח יציבה Ru אולפין שיכול עיצורים זרז trigged את שיכול עיצורים כשדה העיקריים בכימיה סינתטי (למשל, RCM, הצלב שיכול עיצורים (ס מ)) כמו גם מדע פולימרי (למשל, השתוללו, שיכול עיצורים acyclic diene (ADMET)). בפרט, RCM מסנתז macrocycles וטבעות בגודל בינוני זה היה קשה לבנות23.

למרות utilities סינתטי של Ru מזורז אולפין שיכול עיצורים, הסרה מלאה של זרז Ru בשימוש של המוצר הרצוי היא אתגר גדול עבור יישומים מעשיים רבים24. לדוגמה, ppm 1912 שאריות Ru נצפתה במוצר שיכול עיצורים טבעת סגירה לאחר סיליקה ג’ל עמודה כרומטוגרפיה25. Ru שיורית עלול לגרום לבעיות כמו אולפין isomerization, ריקבון, הצביעה, רעילות של מוצרים פרמצבטיים26. כנס בינלאומי על משלים (ICH) לאור קו מנחה של ריאגנטים מתכת שיורית תרופות. המרבי המותר Ru רמת מוצר התרופות היא 10 עמודים לדקה27. מסיבות אלו, נשפטו בגישות שונות כדי להסיר שאריות Ru המוצר פתרון28,29,30,31,32,33. כמו כן, ההתפתחויות של זרזים Ru נשלף נחקרו לטיהור ללא טיפול מיוחד לאחר התגובה. בין שיטות שונות של טיהור, נשפטו זרז ליגנד שינויים כדי לשפר את היעילות של סינון סיליקה ג’ל, מיצוי נוזלי. לדוגמה, סינון יעיל ביותר סיליקה ג’ל יכולה להיות מושגת על ידי יון הציג תג benzylidene34 או עמוד השדרה של NHC ליגנד35,36. הזרז הנושאת poly(ethylene glycol)37 או יון תג35 -ליגנד NHC באפשרותך לשפר את היעילות של מיצוי מימית להסרת זרז Ru.

לאחרונה, דווח כאן מאוד מסיסים במים Ru אולפין שיכול עיצורים זרז, אשר הראו תגובתיות גבוהה אלא גם זרז גבוה להסרת שער. יתר על כן, הסרת שיכול עיצורים, זרז אירעה מים והן דיכלורומתאן34,35,36,37. תכונת המפתח של הזרז החדש הוא NHC החדש נושא adamantyl קשורה oligo(ethylene glycol). Oligo(ethylene glycol) מספק מים גבוהה המסיסות של הזרז כולו מורכב. בנוסף, oligo(ethylene glycol) בעל קבוצה סוף adamantyl יכול לשמש באינטראקציה מארח-אורח עם β-CD חיצוני.

במסמך זה, אנחנו תיאר את הפרוטוקולים זרז סינתזה, שיכול עיצורים תגובות של זרז להסרת מים והן דיכלורומתאן.

Protocol

הערה: הצגנו את הסינתזה של 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 (imidazolium א מלח), המארח מורכבים, β-CD הושתל סיליקה, נייר הקודם שלנו38. בפרוטוקול, נתאר סינתזה של שלנו מסיסים במים Ru אולפין שיכול עיצורים זרז ש…

Representative Results

איור 2 מתאר את התגובה החלפת ליגנד שלנו זרז 1. ספקטרום H NMR 1מוצג באיור3. איור 4 מציג את RCM תמיסה מימית והסרה עוקבות של זרז בשימוש מעירוב תגובה באמצעות אינטראקציה מארח-אורח, טב…

Discussion

אנחנו תיאר הסינתזה של הומוגניות נשלף Ru אולפין שיכול עיצורים זרז והסרה שלו מפתרונות מימית וגם אורגני. זרז הומוגני מספק יתרונות רבים לעומת זרזים הטרוגנית, כמו תגובתיות גבוהה וקצב התגובה המהירה; עם זאת, ההסרה של הזרז בשימוש מהמוצר קשה יותר מזרז הטרוגנית3. תכונת המפתח של הזרז מסונ…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי יוזמת האנרגיה אוניברסיטת מדינת פלורידה והעסקה חומרים חמ ע המחלקה של כימיים ואת הנדסה ביו-רפואית.

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

Referências

  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).

Tags

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
Citar este artigo
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).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image