Summary

פיתוח זרזים הטרוגנית אנאנטיוניקטיביים באמצעות מתכת כיאלית-אורגנית מסגרות (MOFs)

Published: January 17, 2020
doi:

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור אימות האתר הפעיל של מתכת-אורגני מסגרת זרזים על ידי השוואת stoichiometric והתגובות קטליטיים-ene קטליטי כדי לגלות אם התגובה מתרחשת על פני השטח הפנימי או החיצוני של מתכת-אורגני מסגרות.

Abstract

האפליה גודל המצע על ידי גודל הנקבובית והומוגניות של סביבת המאצ באתרי התגובה הם בעיות חשובות באימות של אתר התגובה במסגרת מתכת אורגנית מסגרת (MOF)-מבוססי זרזים בתגובה קטליטית סלקטיבית מערכת. לכן, שיטה לאימות אתר התגובה של זרזים מבוססי MOF נחוצה כדי לחקור בעיה זו. האפליה גודל המצע על ידי גודל הנקבוביות הושגה על ידי השוואת גודל המצע לעומת שיעור התגובה בשני סוגים שונים של התגובות קרבונל-ene עם שני סוגים של MOFs. מזרזים MOF שימשו כדי להשוות את הביצועים של שני סוגי התגובה (Zn-תיווך stoichiometric ו-Ti-מיזרז-התגובות) בשני מדיה שונים. באמצעות השיטה המוצעת, זה נצפה כי גביש MOF כולו השתתפו בתגובה, ואת הפנים של נקבובית הגביש שיחק תפקיד חשוב במהלך הפעלת שליטה כאשר התגובה היה stoichiometric. הומוגניות של סביבת השיראאל של הזרזים של MOF הוקמה על ידי שיטת השליטה בגודל של חלקיק המשמש במערכת התגובה הסטושמטרית של Zn-בתיווך. הפרוטוקול שהוצע לתגובה הקטליטית חשף שהתגובה התרחשה בעיקר על משטח הזרז, ללא קשר לגודל המצע, החושף את אתרי התגובה הממשיים בזרזים הטרוגנית מבוססי MOF. שיטה זו לאימות אתר התגובה של זרזים MOF מציעה שיקולים שונים לפיתוח זרזים הטרוגנית אנאנטיוזה סלקטיבי של MOF.

Introduction

MOFs נחשבים זרז הטרוגנית שימושי עבור תגובות כימיות. ישנם שימושים רבים ושונים מדווחים על mofs עבור מזרזאנאנטיו1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 ,18,19. עדיין, עדיין לא נקבע אם התגובות מתקיימים על המשטח הפנימי או החיצוני של ה-MOFs. מחקרים שנעשו לאחרונה העלו שאלות בנוגע לניצול השטח הזמין והפחתת דיפוזיה20,21,22,23. בעיה מרשימה יותר היא כי הסביבה כיראאל משתנה עם המיקום של כל חלל בגביש MOF. הטרוגניות הזאת של סביבת האצ מרמזת על כך שהסטריאוסלקטיביות של מוצר התגובה תלויה באתר התגובה24. לפיכך, תכנון זרז בררני מקומי יעיל דורש זיהוי של המיקום שבו התגובה יתקיים. כדי לעשות זאת, יש צורך להבטיח כי התגובה מתרחשת רק על פני השטח הפנימי או רק על פני השטח החיצוני של MOF בעת שעזב את הפנים ללא פגע. המבנה הנקבובי של MOFs והשטח הגדול שלהם המכיל אתרים פעילים בסביבה ניתן לנצל עבור הזרז enantioselective סלקטיבי. מסיבה זו, MOFs הם תחליפים מצוינים של זרזים הטרוגנית נתמך מוצק25. השימוש ב-MOFs כמו זרזים הטרוגנית צריך לשקול מראש אם התגובה לא מתרחשת בתוכם. המיקום של אתר התגובות הוא חשוב, כמו גם את גודל החלל. בחומרים נקבובי, גודל החלל קובע את המצע המבוסס על גודלה. יש כמה דיווחים של זרזים מבוססי MOF המשקיפים על גודל חלל בעיה25. הרבה זרזים מבוססי MOF מציגים מינים קטליטי מגושם (למשל, Ti (O-iPr)4) למבנה המסגרת המקורי3,8,13. יש שינוי בגודל החלל כאשר מינים קטליטי מגושם מאומצים במבנה המסגרת המקורית. גודל החלל המוקטן שנגרם על-ידי מינים קטליטיים מגושם הופך את המצע לטשטוש מלא לתוך ה-MOFs. לפיכך, האפליה של גודל המצע לפי גודל החלל של המונים צריכה להיחשב למקרים אלה. תגובות קטליטי על ידי MOFs לעתים קרובות מקשה לתמוך ראיות של תגובות המתרחשים בתוך חלל ה-MOF. מחקרים מסוימים הראו כי מצעים גדולים יותר מאשר חללים MOF מומרים למוצרים צפויים בקלות, אשר נראה סתירה8,13. ניתן לפרש תוצאות אלה כקשר בין הקבוצה הפונקציונלית של המצע והאתר הקטליטי היוזם את התגובה הקטליטית. במקרה זה, אין צורך מצע לפזר לתוך MOFs; התגובה מתרחשת על פני השטח של קריסטלים MOF26 וגודל החלל אינו מעורב ישירות באפליה של המצע המבוסס על גודלה.

כדי לזהות את אתרי התגובה של MOFs, הידועה לואיס חומצה לקדם התגובה פחמן-ene נבחר2. באמצעות 3-מתילגראל והקונגסטרים שלה כסובסטרטים, ארבעה סוגים של התגובות הסלקטיבית של פחמן (איור 1) נחקרו27. התגובות, אשר דווחו בעבר, סווגו לשני כיתות: תגובה סטואיטומטרית באמצעות מגיב Zn ותגובות קטליטי באמצעות מגיב Ti27. התגובה של המצע הקטן ביותר דורש כמות סטויכמטרי של Zn/הקושל-1 (מסגרת האוניברסיטה האורגנית של אוניברסיטת קוריאה מטאל); נמסר כי תגובה זו מתרחשת בתוך הגביש27. בשיטה זו נעשה שימוש בשני סוגים של מונים, Zn/הקושל -1 עבור תגובת סטואיצ’יט ו-Ti/קושל -1 לתגובה הקטליטית. בשל מנגנוני התגובה ברורים של שני סוגים אלה של mofs, השוואה בין שיעור התגובה לעומת גודל המצע אפשרי2,28,29. ההשפעה של גודל החלקיקים על התגובה פחמן-ene עם Zn/קושל-127 הפגינו כי, כפי שנראה בדוח הקודם, את הסביבה כלאצ של המשטח החיצוני היה שונה מהצד הפנימי של קריסטל MOF24. מאמר זה מדגים שיטה הקובעת את אתרי התגובה על ידי השוואת התגובות של שלושה סוגים של מצעים עם שני כיתות של זרזים והשפעת גודל החלקיקים כפי שדווח על הנייר הקודם27.

Protocol

1. הכנת (י)-הקריסטלים-1 בשלושה גדלים הערה: כל צעד מלווה בסעיף הנסיוני ובמידע המשלים של הדוחות הקודמים2,24,27. שלושה גדלים שונים של (של)-קומשל -1 היו מוכנים : גדול (s)-הקומשל -1-(L), בינוני (s)-קומש…

Representative Results

התגובה הסלקטיבית של קרבונש-פן באמצעות מגיב Zn היא סטואיצ’ימטרי בגלל ההבדל בעיטורים הכריכה של הקבוצות alkoxy ו קרבוניל למתכת (איור 2). מסיבה זו הוסבו הסובפנים למוצרים באתר התגובות ונותרו שם. המוצרים הרצויים הושגו על ידי פירוק הקריסטלים, כמפורט בסעיף 4 לפרוטוקול. התוצאות של הטרוג?…

Discussion

לאחר סינתזה של (S)-הקומבין 1, גבישים בבקבוקונים מסוימים נראה אבקתי ואינם מתאימים לשימוש בזרז. לכן, הקריסטלים המתאימים של (ים)-קומשל -1 צריך להיבחר. התשואה של (של)-הקומב1 מחושבת באמצעות מבחנות שבהן הוא מסונתז בהצלחה. כאשר מנסוג מן הממס, (עם)-קומש…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי קרן מחקר לאומי של קוריאה (NRF) מחקר בסיסי תוכנית המדע NRF-2019R1A2C4070584 ואת מרכז מחקר המדע NRF-2016R1A5A1009405 ממומן על ידי ממשלת קוריאה (MSIP). ש. קים נתמכת על ידי ה-NRF הגלובלי של הדוקטורט (NRF-2018H1A2A1062013).

Materials

Acetone Daejung 1009-4110
Analytical Balance Sartorius CP224S
Copper(II) nitrate trihydrate Sigma Aldrich 61194
Dichloromethane Daejung 3030-4465
Dimethyl zinc Acros 377241000
Ethyl acetate Daejung 4016-4410
Filter paper Whatman WF1-0900
Methanol Daejung 5558-4410
Microwave synthesizer CEM Discover SP
Microwave synthesizer 10 mL Vessel Accessory Kit CEM 909050
N,N-Diethylformamide TCI D0506
N,N-Dimethylaniline TCI D0665
n-Hexane Daejung 4081-4410
Normject All plastic syringe 5 mL luer tip 100/pk Normject A5
Pasteur Pipette 150 mm Hilgenberg HG.3150101
PTFE tape KDY TP-75
Rotary Evaporator Eyela 243239
Shaker DAIHAN Scientific DH.WSO04010
Silica gel 60 (230-400 mesh) Merck 109385
Synthetic Oven Eyela NDO-600ND
Titanium isopropoxide Sigma Aldrich 87560
Vial (20 mL) SamooKurex SCV2660
Vial (5 mL) SamooKurex SCV1545

Referências

  1. Yoon, M., Srirambalaji, R., Kim, K. Homochiral Metal-Organic Frameworks for Asymmetric Heterogeneous Catalysis. Chemical Reviews. 112, 1196-1231 (2012).
  2. Jeong, K. S., et al. Asymmetric Catalytic Reactions by NbO-Type Chiral Metal-organic Frameworks. Chemical Science. 2, 877-882 (2011).
  3. Ma, L., Falkowski, J. M., Abney, C., Lin, W. A Series of Isoreticular Chiral Metal-Organic Frameworks as a Tunable Platform for Asymmetric Catalysis. Nature Chemistry. 2, 838-846 (2010).
  4. Férey, G., et al. A Chromium Terephthalate-Based Solid with Unusually Large Pore Volumes and Surface Area. Science. 309, 2040-2042 (2005).
  5. Doitomi, K., Xu, K., Hirao, H. The Mechanism of an asymmetric Ring-Opening Reaction of Epoxide with Amine Catalyzed by a Metal-Organic Framework: Insights from Combined Quantum Mechanics and Molecular Mechanics Calculations. Dalton Transactions. 46, 3470-3481 (2017).
  6. Mo, K., Yang, Y., Cui, Y. A Homochiral Metal-Organic Framework as an Effective Asymmetric Catalyst for Cyanohydrin Synthesis. Journal of the American Chemical Society. 136, 1746-1749 (2014).
  7. Wu, C., Hu, A., Zhang, L., Lin, W. A Homochiral Porous Metal-Organic Framework for Highly Enantioselective Heterogeneous Asymmetric Catalysis. Journal of the American Chemical Society. 127, 8940-8941 (2005).
  8. Tanaka, K., Oda, S., Shiro, M. A Novel Chiral Porous Metal-Organic Framework: Asymmetric Ring Opening Reaction of Epoxide with Amine in the Chiral Open Space. Chemical Communications. , 820-822 (2008).
  9. Inagaki, S., Guan, S., Ohsuna, T., Terasaki, O. An Ordered Mesoporous Organosilica Hybrid Material with a Crystal-like Wall Structure. Nature. 416, 304-307 (2002).
  10. Fang, Q. R., et al. Mesoporous Metal-Organic Framework with Rare Etb Topology for Hydrogen Storage and Dye Assembly. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6638-6642 (2007).
  11. Gheorghe, A., Tepaske, M. A., Tanase, S. Homochiral Metal-organic Frameworks as Heterogeneous Catalysts. Inorganic Chemistry Frontiers. 5, 1512-1523 (2018).
  12. Cho, S. -. H., Ma, B., Nguyen, S. T., Hupp, J. T., Albrecht-Schmitt, T. E. A Metal-Organic Framework Material That Functions as an Enantioselective Catalyst for Olefin Epoxidation. Chemical Communications. , 2563-2565 (2006).
  13. Lin, W. Homochiral Porous Metal-Organic Frameworks: Why and How. Journal of Solid State Chemistry. 178, 2486-2490 (2005).
  14. Dybtsev, D. N., et al. Homochiral Metal-Organic Material with Permanent Porosity, Enantioselective Sorption Properties, and Catalytic Activity. Angewandte Chemie International Edition. 45, 916-920 (2006).
  15. Seo, J., et al. Homochiral Metal-Organic Porous Material for Enantioselective Separation and Catalysis. Nature. 404, 982-986 (2000).
  16. Park, Y. K., et al. Crystal Structure and Guest Uptake of a Mesoporous Metal-Organic Framework Containing Cages of 3.9 and 4.7 Nm in Diameter. Angewandte Chemie International Edition. 46, 8230-8233 (2007).
  17. Tanaka, K., et al. Asymmetric Ring- Opening Reaction of meso-Epoxides with Aromatic Amines Using Homochiral Metal-Organic Frameworks as Recyclable Heterogeneous Catalysts. RSC Advances. 8, 28139-28146 (2018).
  18. Jaroniec, M. Organosilica the Conciliator. Nature. 442, 638-640 (2006).
  19. Tanaka, K., Sakuragi, K., Ozaki, H., Takada, Y. Highly Enantioselective Friedel-Crafts Alkylation of N,N-Dialkylanilines with trans-β-Nitrostyrene Catalyzed by a Homochiral Metal-Organic Framework. Chemical Communications. 54, 6328-6331 (2018).
  20. Cao, L., et al. Self-Supporting Metal-Organic Layers as Single-Site Solid Catalysts. Angewandte Chemie International Edition. 55, 4962-4966 (2016).
  21. Hu, Z., et al. Kinetically controlled synthesis of two-dimensional Zr/Hf metal-organic framework nanosheets via a modulated hydrothermal approach. Journal of Materials Chemistry A. 5, 8954-8963 (2017).
  22. Ashworth, D. J., Foster, J. A. Metal-organic framework nanosheets (MONs): a new dimension in materials chemistry. Journal of Materials Chemistry A. 6, 16292-16307 (2018).
  23. Zhao, M., et al. Two-dimensional metal-organic framework nanosheets: synthesis and applications. Chemical Society Reviews. 47, 6267-6295 (2018).
  24. Lee, M., Shin, S. M., Jeong, N., Thallapally, P. K. Chiral Environment of Catalytic Sites in the Chiral Metal-organic Frameworks. Dalton Transactions. 44, 9349-9352 (2015).
  25. Wang, C., Zheng, M., Lin, W. Asymmetric Catalysis with Chiral Porous MetalOrganic Frameworks: Critical Issues. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2, 1701-1709 (2011).
  26. Thiele, E. W. Relation between Catalytic Activity and Size of Particle. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 31, 916-920 (1939).
  27. Han, J., Lee, M. S., Thallapally, P. K., Kim, M., Jeong, N. Identification of Reaction Sites on Metal-Organic Framework-Based Asymmetric Catalysts for Carbonyl-Ene Reaction. ACS Catalysis. 9, 3969-3977 (2019).
  28. Sakane, S., Maruoka, K., Yamamoto, H. Asymmetric Cyclization of Unsaturated Aldehyde Catalyzed by a Chiral Lewis Acid. Tetrahedron. 42, 2203-2209 (1986).
  29. Sakane, S., Maruoka, K., Yamamoto, H. Asymmetric Cyclization of Unsaturated Aldehydes Catalyzed by a Chiral Lewis Acid. Tetrahedron Letters. 26, 5535-5538 (1985).
  30. Shin, S. M., Lee, M. S., Han, J. H., Jeong, N. Assessing the Guest-Accessible Volume in MOFs Using Two-Photon Fluorescence Microscopy. Chemical Communications. 50, 289-291 (2014).

Play Video

Citar este artigo
Han, J., Kim, S., Lee, M. S., Kim, M., Jeong, N. Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks (MOFs). J. Vis. Exp. (155), e60624, doi:10.3791/60624 (2020).

View Video