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Methodenartikel

Heterogene Entfernung von wasserlöslichen Ruthenium Olefin-Metathese-Katalysator von wässrigen Medien über Wirt-Gast-Interaktion

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DOI:

10.3791/58067

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23. August 2018

 , 
1Department of Chemical and Biomedical Engineering, Florida State University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Eine abnehmbare wasserlösliche N-heterozyklische Carben (NHC) Liganden in wässrigen Medien über Wirt-Gast-Interaktion entwickelt wurde. Wir zeigen repräsentative Olefin Metathese-Reaktionen im Wasser so gut wie in Dichlormethan. Entweder über Wirt-Gast-Interaktion oder Extraktion war der Rest Ruthenium (Ru) Katalysator nach der Reaktion so niedrig wie 0,14 ppm.

Zusammenfassung

Eine hocheffiziente Übergangsmetall-Katalysator-Haarentfernungs-Methode entwickelt. Die wasserlösliche Katalysator enthält eine neu gestaltete NHC Liganden für die Katalysator-Entfernung über Wirt-Gast-Interaktionen. Die neue NHC-Ligand besitzt eine Adamantyl (Gast) angebunden lineare Ethylenglykol Einheiten für die hydrophoben Aufnahme in den Hohlraum eines zusammengesetzten β-Cyclodextrin (β-CD)-Hosts. Der neue NHC-Liganden wurde an Katalysator Ru-basierte Olefin-Metathese ausgeglichen. Der Ru Katalysator zeigte ausgezeichnete Aktivität in repräsentativer Ring-Schließung Metathese (RCM) und Ringöffnende Metathese-Polymerisation (ROMP) Reaktionen in wässrigen Medien sowie organischen Lösungsmitteln, CH2Cl2. Nachdem die Reaktion abgeschlossen war, der anhaltende Ru Rückstand wurde entfernt aus der wässrigen Lösung mit der Effizienz von mehr als 99 % (53 ppm von Ru-Rückstand) durch einfache Filtration unter Verwendung einer Wirt-Gast-Interaktion zwischen unlösliche Kieselsäure gepfropft β-CD (Host) und die Adamantyl Glyko-(Gast) am Katalysator. Der neuen Ru Katalysator zeigte auch hohe Entfernung Effizienz durch Extraktion, wenn die Reaktion in organischen Lösungsmittel ausgeführt wird, durch die Partitionierung der rohen Reaktionsgemisch zwischen Schichten von Diethylether und Wasser. Auf diese Weise bleibt der Katalysator in wässrigen Schicht nur. In der organischen Schicht war die Restmenge Ru nur 0,14 ppm in der RCM-Reaktionen von Diallyl-Verbindungen.

Einleitung

Die Entfernung von der homogenen metallorganische Katalyse aus dem Produkt ist ein wichtiges Thema in der modernen Chemie1,2. Verbleibende Katalysator verursacht nicht nur ein Problem der Toxizität von seiner Heavy-Metal-Element, sondern auch eine unerwünschte Transformation des Produkts von seiner potenziellen Reaktivität. Homogene Katalysatoren bietet viele Vorteile, wie hohe Aktivität, schnelle Reaktionsgeschwindigkeit und Chemoselectivity3, seine Entfernung aus dem Produkt ist jedoch viel schwieriger als heterogener Katalysator, der einfach durch Filtration entfernt wird oder Dekantieren. Die Kombination der Vorteile der homogenen und heterogenen Katalysator, d. h., homogenen Reaktion und heterogenen Entfernung stellt wichtiges Konzept für sehr reaktionsfreudig und leicht entfernbare metallorganischen Katalysator. Abbildung 1 illustriert das Prinzip für homogene Reaktion und heterogenen Entfernung des Katalysators durch Wirt-Gast-Interaktion.

Wirt-Gast-Chemie ist nichtkovalente Bindung molekulare Erkennung zwischen Molekülen Host und Gastmoleküle in der supramolekularen Chemie4,5,6,7,8. Cyclodextrine (CDs), zyklische Oligosaccharide sind repräsentative Host Moleküle9,10,11,12wurden, und sie in weiten Bereichen der Wissenschaft wie Polymer science 13 , 14, Katalyse15,16, biomedizinische Anwendungen6,10und analytische Chemie17. Ein Gastmolekül, Adamatane, bindet stark an den hydrophoben Hohlraum der β-CD (Host, 7-gliedriger zyklische Saccharid) mit hohen Verband Konstante Ka (melden Sie sich Kein = 5.04)18. Diese supramolekularen Bindungsaffinität ist stark genug, um komplexe residual Katalysator aus der wäßrigen Reaktionslösung mit festen unterstützten β-CD zu entfernen.

Unter den vielen Katalysatoren, die für die Wirt-Gast-Entfernung in Frage kommen, wurde Ru Olefin-Metathese-Katalysator durch hohe praktische Dienstprogramme und hohe Stabilität gegen Luft und Feuchtigkeit untersucht. Die Olefin-Metathese-Reaktion ist ein wichtiges Instrument in der synthetischen Chemie, eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung in der Gegenwart ein Übergangsmetall Katalysator19,20,21,22zu bilden. Die Entwicklung von stabilen Ru-Olefin-Metathese-Katalysator trigged die Metathese als Hauptfach in der synthetischen Chemie (z.B., RCM und Kreuz Metathese (CM)) sowie Polymer Science (z.B., TOBEN und azyklische dien Metathese (ADMETOS)). Insbesondere synthetisiert das RCM makrozyklen und mittleren Ringe, die schwer zu23zu konstruieren.

Trotz synthetischer Dienstprogramme von Ru katalysierte Olefin-Metathese ist die vollständige Entfernung des verwendeten Ru Katalysator aus dem gewünschten Produkt eine große Herausforderung für viele praktische Anwendungen24. Zum Beispiel wurde 1912 ppm Ru Rückstände in Ring-Schließung Metathese Produkt nach Kieselgel Spalte Chromatographie25beobachtet. Verbleibende Ru verursachen Probleme wie Olefin Isomerisierung, Zersetzung, Einfärbung und Toxizität von pharmazeutischen Produkten26. Internationale Konferenz auf Harmonisierung (ICH) veröffentlicht eine Leitlinie der restlichen Metall Reagenzien in der Pharmaindustrie. Die maximal zulässige Ru in pharmazeutischen Produktes 10ppm27ist. Aus diesen Gründen wurden verschiedene Ansätze versucht, aus dem Produkt Lösung28,29,30,31,32,33Ru Rückstände zu entfernen. Außerdem wurden die Entwicklungen der abnehmbaren Ru Katalysatoren zur Reinigung ohne spezielle Behandlung nach der Reaktion untersucht. Unter verschiedenen Reinigungsverfahren wurden Katalysator Liganden Änderungen zur Verbesserung der Effizienz der Silica-Gel-Filtration und flüssige Extraktion ausprobiert. Zum Beispiel kann hocheffiziente Silica-Gel-Filtration durch eingeführte Ion-Tag auf Benzylidene34 oder Rückgrat der NHC Liganden35,36erreicht werden. Der Katalysator mit Poly(ethylene glycol)37 oder Ionen-Tag35 auf einem NHC-Liganden kann die Effizienz der wässrigen Extraktion für Ru Katalysator Entfernung verbessern.

Vor kurzem berichteten wir hoch wasserlöslich Ru Olefin Metathese Katalysator, der nicht nur hohe Reaktivität, sondern auch hohe Katalysator Abtragrate unter Beweis gestellt. Darüber hinaus erfolgte die Metathese und Katalysator Entfernung in Wasser und Dichlormethan34,35,36,37. Das Hauptmerkmal der neuen Katalysator ist, dass das neue NHC Adamantyl angebunden Oligo(ethylene glycol) trägt. Oligo(Ethylene Glycol) bietet hohe Wasserlöslichkeit des gesamten Katalysators Komplex. Darüber hinaus besitzt die Oligo(ethylene glycol) Adamantyl Ende-Gruppe, die in Wirt-Gast-Interaktion mit externen β-CD verwendet werden kann.

Hier beschrieben wir die Protokolle für Katalysator-Synthese, Metathese-Reaktionen und Katalysator Entfernung in Wasser und Dichlormethan.

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Protokoll

Hinweis: Wir präsentierten die Synthese von 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 Salz A) und Host komplexe gepfropft β-CD Kieselsäure in unsere bisherigen Papier-38. In dem Protokoll beschreiben wir eine Synthese aus unsere wasserlöslichen Ru Olefin Metathese Katalysator und Metathese Reaktionen (RCM und TOBEN).

(1) (4-(97-((adamantan-1-yl)oxy)-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-dimesitylimidazolidinylidene)dichloro ( o - Synthese Isopropoxyphenylmethylene) Ruthenium (Katalysator-1)

  1. Trocknen Sie ein 25 mL Runde Talsohle Fläschchen mit einem Rührstab, ein 20 mL Fläschchen und einem Spatel im Ofen.
  2. Stecken Sie 118 mg Imidazolium Salz pro (0.060 Mmol) in einem 4 mL Fläschchen
  3. Legen Sie die vorbereitete Imidazolium Salz A in getrockneten Glaswaren, ein Septum und dem Spatel in einem Handschuhfach Kammer und Vakuum für 2 h.
  4. Bereinigen Sie nach vollständig entfernen der Luft im Handschuhfach Kammer das Edelgas in die Kammer, dann verschieben Sie sie in das Handschuhfach.
  5. Im Handschuhfach, setzen 54 mg Hoveyda-Grubbs (H-G) 1St Generation (0,090 Mmol, 1,5 Äquiv) in ein 20 mL Fläschchen.
  6. Man löst das vorbereitete Imidazolium Salz in 2,0 mL Toluol, dann in den 50 mL Runde Talsohle Kolben mit dem Rührstab zu übertragen.
  7. Fügen Sie 0,18 mL Kalium BIZ (Trimethylsilyl) Amid (KHMDS) Lösung (0,5 M Toluol Lösung, 0,090 Mmol, 1,5 Äquiv) in die Imidazolium Salzlösung.
  8. Schwenken Sie den Kolben der Reagenzien zu mischen.
  9. Lösen Sie die H-G-1St -Generation in 3,0 mL Toluol zu, dann fügen Sie diese Lösung in der Reaktionskolben.
  10. Versiegeln Sie die Küvette mit Septum zu, dann entfernen Sie diese aus dem Handschuhfach.
  11. Rühren Sie das Reaktionsgemisch für 3 h bei 80 ° C.
  12. Nach 3 h, reinigen den Katalysator durch Chromatographie auf neutrales Aluminiumoxid, eluiert mit EtOAc/MeOH = 15/1. Sammeln Sie die dunkle grüne Lösung.
    Hinweis: Verdunstung des Lösungsmittels muss nicht vor der Chromatographie. Rf -Wert ist 0.46 auf neutrales Aluminiumoxid, eluiert mit EtOAc/MeOH = 15/1.
  13. Entfernen des Lösungsmittels unter vermindertem Druck.
  14. Vakuum der letzte Rückstände, dunkle grüne wachsartige Solid zu erhalten.

(2) Metathese Reaktion und Entfernung der Katalysator Rückstände in wässrigen Medien

  1. Bereiten Sie entgast Deuteriumoxid (D2O) oder deionisiertes Wasser durch sprudelnden D2O oder entionisiertem Wasser mit Stickstoffgas über 2 h.
  2. Setzen Sie 4,4 mg Katalysator 1 (0,0020 Mmol) und 41 mg 2-Allyl -N,N,N- Trimethylpent-4-En-1-Aminium Chlorid (Tetraalkyl Ammonium Substrat) (0,20 Mmol) in jedes 4,0 mL Fläschchen.
  3. Auflösen der Tetraalkyl Ammonium Substrat in 0,5 mL entgast D2O (oder H2O), dann fügen Sie die Lösung in Katalysator- 1.
  4. Versiegeln Sie die Reaktion Phiole zu, dann erhitzen Sie das Reaktionsgemisch für 24 h bei 45 ° C. Überwachen Sie die Reaktion Umwandlung von 1H NMR.
    Hinweis: Überwachen der 1H NMR Peak Umstellung von 3,25 ppm (Wams, -NCH2CH - Substrat) auf 3,52 ppm (Wams, -NCH2CH - Produkt).
  5. Nach Abschluss der Reaktion die Reaktion Phiole bei Raumtemperatur abkühlen.
  6. Fügen Sie 150 mg β-CD gepfropft Kieselsäure in das Reaktionsgemisch.
    Hinweis: Veredelte β-CD-Einheit auf der Silica-Gel wurde in 1,57 10-4 Mmol/mg durch Thermogravimetrische Analyse (TGA) berechnet.
  7. Rühren Sie das Reaktionsgemisch für 10 h bei Raumtemperatur.
  8. Filtern Sie das Reaktionsgemisch durch Baumwolle Stecker.
  9. Entfernen Sie das Lösungsmittel in einer Gefriertrocknungsanlage.

(3) Ringöffnende Metathese-Polymerisation und Entfernung der Katalysator Rückstände in wässrigen Medien

  1. Bereiten Sie entgast D2O oder deionisiertes Wasser durch sprudelnden D2O oder entionisiertem Wasser mit Stickstoffgas über 2 h.
  2. Setzen Sie 4,4 mg Katalysator 1 (0,0020 Mmol) und 17,1 mg 2-((3aR*,4S*,7R*,7aS*)-1,3-Dioxo-1,3, 3a, 4, 7, 7a-Hexahydro-2H-4,7-Methanoisoindol-2-Yl)- N,N,N- Trimethylethan-1-Aminium Chlorid (Monomer, Abbildung 5) (0.060 Mmol) in jedes 4,0 mL Fläschchen.
  3. Lösen Sie das Monomer in 0,5 mL entgast D2O (oder H2O auf), dann fügen Sie die Lösung in Katalysator- 1.
  4. Versiegeln Sie die Reaktion Phiole zu, dann erhitzen Sie das Reaktionsgemisch für 2 h bei 45 ° C. Überwachen Sie die Reaktion Umwandlung von 1H NMR.
    Hinweis: Überwachen der 1H NMR Gipfel verschwinden bei 6,14 ppm (-C-H= CH- in Monomer).
  5. Nach Abschluss der Reaktion die Reaktion Phiole bei Raumtemperatur abkühlen.
  6. Die Reaktion mit 0,1 mL Ethylether Vinyl zu stillen.
    Hinweis: Abschrecken ist notwendig, Ru Katalysator aus Polymerkette terminal zu distanzieren.
  7. Fügen Sie 150 mg β-CD gepfropft Kieselsäure in das Reaktionsgemisch.
  8. Rühren Sie das Reaktionsgemisch für 10 h bei Raumtemperatur.
  9. Filtern Sie das Reaktionsgemisch durch Baumwolle Stecker.
  10. Entfernen Sie das Lösungsmittel in einer Gefriertrocknungsanlage.

4. Metathese Reaktion und Entfernung der Katalysator Rückstände aus CH2Cl2

  1. Setzen Sie 4,4 mg Katalysator 1 (0,0020 Mmol) und 48 mg Diethyl-Diallylmalonate (0,20 Mmol) in jedes 4,0 mL Fläschchen.
  2. Lösen Sie die Diethyl-Diallylmalonate in 0,5 mL CH2Cl2 auf, dann fügen Sie die Lösung in Katalysator 1.
  3. Versiegeln Sie die Reaktion Phiole zu, dann halten Sie der Reaktionsmischung bei Raumtemperatur für 1 h Monitor die Reaktion-Konvertierung von 1H NMR.
    Hinweis: Überwachen der 1H NMR-Peak-Konvertierung von 2,63 ppm (Wams, -CCH2CH = CH2 im Substrat) auf 3,01 ppm (Singulett -CCH2CH = CHCH2C - Produkt).
  4. Übertragen Sie nach Abschluss der Reaktion das daraus resultierende Reaktionsgemisch in ein 30 mL Fläschchen.
  5. Die Reaktionslösung mit 15 mL Diethylether zu verdünnen.
  6. Waschen Sie die organische Lösung mit 15 mL Wasser fünfmal.
  7. Trocken Sie die organische Schicht mit MgSO4, dann Filtern Sie die Lösung durch Baumwolle Stecker MgSO4 Partikel zu entfernen.
  8. Fügen Sie 60 mg Aktivkohle in die resultierende Lösung hinzu, dann rühren Sie die Mischung für 24 h bei Raumtemperatur.
  9. Filtern Sie die Lösung durch Baumwolle Stecker mit Aktivkohle entfernen, dann entfernen Sie das Lösungsmittel unter vermindertem Druck.

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Ergebnisse

Abbildung 2 beschreibt die Liganden-Austausch-Reaktion für unsere Katalysator- 1. Die 1H-NMR-Spektrum ist in Abbildung 3dargestellt.

Abbildung 4 zeigt das RCM in wässriger Lösung und spätere Entfernung des verwendeten Katalysator aus dem Reaktionsgemisch über Wirt-Gast-Interaktion und Tabelle 1 f...

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Diskussion

Wir beschrieben die Synthese von abnehmbaren homogene Ru Olefin-Metathese-Katalysator und seine Entfernung von wässrige und organische Lösungen. Homogene Katalyse bietet viele Vorteile im Vergleich zu heterogenen Katalysatoren, wie hohe Reaktivität und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit; die Entfernung des verwendeten Katalysators vom Produkt ist jedoch schwieriger als heterogener Katalysator3. Das Hauptmerkmal der synthetisierten Katalysator ist der NHC-Liganden, der Adamantyl angebunden Wasser lö...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von der Florida State University Energie und Materialien zu mieten-Initiative und der FSU Department of Chemical und biomedizinische Technik unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Hoveyda-Grubbs Katalysator der 1. GenerationSigma-Aldrich577944Air Sensitivie. Lichtempfindlichkeit.
DiethyldialylmalonatSigma-Aldrich283479
EthylvinyletherSigma-Aldrich422177Air sensitive.
AluminiumoxidSigma-Aldrich06300Aktiviert, neutral, Brockmann-Aktivität I
Kaliumbis(trimethylsilyl)amid-Lösung (0,5 M in Toluol)Sigma-Aldrich277304Feuchtigkeitsempfindlich.
EtyhlacetatVWRBDH1123Entzündbare Flüssigkeit.
MethanolVWRBDH1135Entzündbare Flüssigkeit. Giftig.
Deuteriumoxid 99,8 %DTCIW0002
Methylenchlorid-D2 (D, 99,8 %)Cambridge Isotope Laboratories, Inc.DLM-23Entzündbare Flüssigkeit. Giftig.
AktivkohleSigma-Aldrich242276
MagnesiumsulfatEMD MilliporeMX0075
EthyletherEMD MilliporeEX0190Entzündbare Flüssigkeit.

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