Desarrollo de catalizadores enantioselectivos heterogéneos utilizando marcos metálicos-orgánicos quirales (MOF)
17 de enero de 2020
Aquí, presentamos un protocolo para la validación activa del sitio de catalizadores de marcos metal-orgánicos comparando las reacciones estequiométricas y catalíticas carbonilo-ene para averiguar si se produce una reacción en la superficie interna o externa de los marcos metal-orgánicos.
Nuestra idea para la validación del sitio de reacción del catalizador basado en MOF proporciona datos fiables sobre si una reacción tiene lugar en la superficie interna o externa de los MOF. Estos métodos se pueden utilizar para evaluar sitios de reacción, que pueden ser cruciales en el diseño de catalizador basado en MOF. Los estudios de investigación sobre el desarrollo de catalizadores basados en MOF pueden utilizar estos métodos para lograr una perspectiva objetiva para la caracterización del catalizador.
La demostración visual de estos métodos es esencial, ya que las técnicas son difíciles de ejecutar solo a través de la instrucción de texto. Demostrando el procedimiento estará Jeehwan Han, un estudiante de posgrado de mi equipo de investigación. Para la síntesis de tamaño pequeño KUMOF-1, disolver 0,2 miligramos de cobre (II)nitrato, 0,24 miligramos de ligando de ácido dicarboxílico en cuatro mililitros de DEF en metanol.
Tapa la celda de reacción con una tapa de PTFE y coloca la célula en un reactor de microondas a 65 grados Celsius, 100 libras por pulgada cuadrada y 50 vatios durante 20 minutos. Al final de la reacción, batir suavemente con una pequeña espátula para flotar los cristales cúbicos azules obtenidos y decantar los cristales sobre el papel de filtro. Y lave los cristales tres veces con tres mililitros de DEF caliente por lavado seguido de tres lavados con tres mililitros de DCM anhidro por lavado antes de transferir los cristales a DCM anhidro fresco para su almacenamiento.
Para la síntesis de tamaño medio KUMOF-1, disolver 7,2 miligramos de nitrato de cobre en 1,5 mililitros de metanol y nueve miligramos de ligando de ácido dicarboxílico en 1,5 mililitros de DEF. Combine las dos soluciones en un vial de cuatro mililitros y cubra el vial con cinta de PTFE. Perfore la cinta con una aguja y coloque el vial de cuatro mililitros en un vial de 20 mililitros.
Añadir un mililitro de DMA en el espacio entre los viales pequeños y grandes. Tapa el vial grande firmemente durante una incubación de 24 horas en un horno Celsius de 65 grados. Al día siguiente, batir suavemente la solución del vial de litro de fórmula con una pequeña espátula para flotar los cristales cúbicos azules resultantes y decantar los cristales sobre un pedazo de papel de filtro.
Lave tres cristales tres veces con tres mililitros de DEF y metanol calientes frescos, como se ha demostrado antes de almacenar los cristales en tres mililitros de DCM fresco. Para la preparación de cristales de zinc/KUMOF-1, agregue 680 microlitros de dimetil zinc a 180 miligramos de suspensión de KUMOF-1 en dos mililitros de DCM a menos 78 grados Celsius. Agitar la mezcla a esta temperatura a 180 rotaciones por minuto durante tres horas.
Al final de la incubación decantar el sobrenadante y lavar el producto resultante con tres mililitros de DCM frío varias veces para la eliminación completa de cualquier dimetil zinc no reaccionado. Y siga el protocolo de preparación de cristales KUMOF-1 como se demostró para obtener cristales de zinc/KUMOF-1 pequeños, medianos y de gran tamaño. Para sintetizar cristales de titanio/KUMOF-1 añadir 59 microlitros de isopropóxido de titanio a una suspensión de 24 miligramos de KUMOF-1 en dos mililitros de DCM.
Agitar la mezcla durante cinco horas a 180 rotaciones por minuto a temperatura ambiente. Al final de la incubación, decantar el sobrenadante, lavar el producto resultante con tres mililitros de DCM frío varias veces para la eliminación completa de cualquier isopropóxido de titanio residual. Y siga el protocolo de preparación de cristales KUMOF-1 como se demostró para obtener cristales de titanio/KUMOF-1 pequeños, medianos y de gran tamaño.
Para una reacción heterogénea de carbonilo-ene estequiométrica por zinc/KUMOF-1, agregue la solución de sustrato en 100 microlitros de DCM a una suspensión de 102 miligramos de zinc/KUMOF-1 en dos mililitros de DCM a menos 78 grados Celsius. Coloque la mezcla de reacción en un baño de enfriamiento criogénico durante tres horas y media con temblores. Al final de la incubación, apagar la reacción con tres mililitros de una solución acuosa de ácido clorhídrico normal 6 y filtrar la mezcla resultante a través de una almohadilla de sílice de diatomeas.
Para la reacción heterogénea catalítica de carbonil-ene por titanio/KUMOF-1, agregue la solución de sustrato en 100 microlitros de DCM a una suspensión de 12 miligramos de titanio/KUMOF-1, en dos mililitros de DCM a grado cero Celsius. Agitar la solución durante 36 horas a esta temperatura a 180 rotaciones por minuto. Al final de la incubación recoger el sobrenadante y lavar los cristales resultantes tres veces con tres mililitros de DCM fresco por lavado.
La reacción enantioselectiva de carbonil-ene utilizando el reactivo de zinc es estequiométrica debido a la diferencia en las afinidades de unión de los grupos de carbonilo alkoxy al metal. Los resultados de la reacción heterogénea de carbonilo-ene enantioselectiva de sustratos por zinc/KUMOF-1 mostraron que el sustrato más pequeño podía difundirse dentro del cristal y convertirse al producto en un alto rendimiento que demostraba que todos los sitios de reacción de los marcos orgánicos metálicos estaban disponibles. El rendimiento y el exceso enantiomérico disminuyeron a medida que aumentaba el tamaño del sustrato, lo que sugiere que los sustratos más grandes no podían acceder a los sitios de reacción dentro del cristal de estructura orgánica metálica.
El sustrato más grande no sufrió la reacción en este sistema posiblemente porque el canal de reacción fue bloqueado por los productos de reacción correspondientes. Si el tamaño del sustrato es demasiado grande, el sitio de reacción de la superficie hace el primer contacto y bloquea directamente la entrada del canal, lo que hace imposible que otros sustratos penetren. Cuando el tamaño del sustrato es lo suficientemente pequeño en comparación con el tamaño del vacío, sustratos adicionales pueden penetrar en el cristal.
A diferencia del sistema mediado por zinc, el sistema catalizado de titanio proporciona más información sobre los eventos que ocurren en los sitios de reacción catalítica sin discriminación por tamaño de sustrato. De hecho, la mayoría de las reacciones ocurren en o debajo de la superficie y los productos se retiraron inmediatamente a la solución. Siguiendo cuidadosamente los pasos de los procedimientos de reacción de carbonil-ene como se demostró, es importante para obtener resultados experimentales confiables.
Las mediciones de microscopía de dos fotones proporcionarán datos adicionales para el sitio de reacción real de varios tipos de catalizador basado en MOF. Como procedimiento de verificación para el sitio de reacción del catalizador MOF es necesario. Nuestro método se puede utilizar como un medio para comprobar los resultados.
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Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para validar el sitio activo de catalizadores de estructuras organometálicas (MOF). Al comparar reacciones estequiométricas y catalíticas de tipo carbonilo-eno, los investigadores pueden determinar si las reacciones ocurren en las superficies interna o externa de las MOF.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Catálisis
- Armaduras metal-orgánicas
- Validación del sitio de reacción
Antecedentes
- Los marcos organometálicos (MOF) son materiales prometedores para la catálisis.
- Comprender los sitios de reacción es fundamental para el diseño eficaz de catalizadores.
- La validación del sitio activo puede mejorar la caracterización de catalizadores basados en MOF.
- Las demostraciones visuales ayudan a comprender procedimientos complejos.
Objetivo del estudio
- Validar los sitios de reacción de los catalizadores basados en MOF.
- Proporcionar datos confiables sobre la ubicación de las reacciones dentro de los MOF.
- Apoyar el diseño de catalizadores MOF más eficientes.
Métodos Utilizados
- Comparación de reacciones carbonilo-eno estequiométricas y catalíticas.
- Evaluación de sitios de reacción en MOFs.
- Demostración visual del protocolo por un estudiante de posgrado.
- Síntesis de KUMOF-1 de tamaño reducido para validación experimental.
Resultados principales
- Los métodos proporcionan información sobre los sitios activos de los MOF.
- Los resultados indican si las reacciones ocurren en superficies internas o externas.
- Las demostraciones visuales mejoran la comprensión de las técnicas.
- Los datos respaldan la caracterización de catalizadores basados en MOF.
Conclusiones
- La validación del sitio activo es esencial para el desarrollo de catalizadores MOF.
- Los datos confiables pueden orientar estrategias futuras de diseño de catalizadores.
- Los recursos visuales son cruciales para ejecutar protocolos experimentales complejos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La validación de sitios de reacción en catalizadores de estructuras metal-orgánicas (MOF) es fundamental para la catálisis enantioselectiva en la síntesis farmacéutica, donde el acceso del sustrato a entornos quirales afecta directamente el rendimiento y la estereoselectividad. Este método permite reducir los riesgos mecanicistas al distinguir entre rutas de reacción mediadas por la superficie o por los poros, aportando información clave para el diseño de catalizadores en la validación de objetivos y la identificación de compuestos prometedores. Al determinar si participa todo el cristal del MOF o únicamente su superficie en la reacción, los equipos de I+D adquieren mayor confianza predictiva sobre el rendimiento catalítico frente a sustratos de diferentes tamaños, apoyando decisiones tempranas en el descubrimiento.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Interroga hipótesis terapéuticas al aclarar si la inducción quiral ocurre dentro de los poros del MOF o en las superficies externas, vinculando directamente la estructura del catalizador con resultados enantioselectivos.
- Valor operativo: Permite la reducción de riesgos biológicos mediante ensayos de discriminación por tamaño del sustrato que validan la homogeneidad de los entornos quirales en los sitios de reacción.
- Valor predictivo: Apoya la selección de carteras al identificar catalizadores MOF en los que la accesibilidad interna de los poros se correlaciona con altos rendimientos y exceso enantiomérico para sustratos pequeños.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Valor científico: Prepara sistemas biológicos validados mediante la confirmación de la ubicación del sitio de reacción, asegurando la idoneidad del ensayo para la evaluación posterior de reacciones carbonyl-eno.
- Valor operativo: Aborda la normalización del ensayo mediante protocolos reproducibles que comparan sistemas estequiométricos (mediados por Zn) y catalíticos (mediados por Ti) en condiciones definidas de medio.
- Escalabilidad: Destaca la reutilización de la plataforma al permitir la síntesis de cristales de KUMOF-1 con tamaño de partícula controlado, para la evaluación consistente de entornos quirales.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: Conecta el descubrimiento con la validación preclínica al demostrar que la participación del poro interno ejerce control quiral en reacciones estequiométricas, un aspecto clave para sistemas relacionados con enfermedades.
- Avance Ajustado al Riesgo: Se centra en la reducción del riesgo mecanicista cuando la reactividad exclusiva en la superficie limita la penetración del sustrato, orientando decisiones de avance o interrupción según la compatibilidad entre el tamaño del sustrato y del catalizador.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método se sitúa dentro del continuo de descubrimiento que va desde la validación del blanco hasta la identificación de compuestos iniciales, donde la comprensión de la accesibilidad del sitio de reacción orienta el diseño de catalizadores enantioselectivos heterogéneos para su evaluación preclínica.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis al revelar si la reacción ocurre en la superficie del catalizador o dentro de los poros, aclarando las relaciones estructura-función en sistemas basados en MOF.
- Selección: Describe la preparación del ensayo mediante la comparación cuantitativa de velocidades de reacción entre diferentes tamaños de sustrato en reacciones carbonyl-ene mediadas por Zn y catalizadas por Ti.
- Análisis: Destaca las mediciones de rendimiento y exceso enantiomérico como resultados cuantitativos que permiten a los equipos correlacionar el tamaño del sustrato con la accesibilidad del sitio de reacción.
- Investigación Traducional: Se vincula con la continuidad preclínica al mostrar que la participación de los poros internos es fundamental para el control quiral, lo cual es relevante para rutas catalíticas alineadas con biomarcadores.
- Reutilización Empresarial: Presenta el método como una capacidad reutilizable para validar sitios de reacción en distintas químicas de MOF, reduciendo esfuerzos redundantes de caracterización.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en la validación de objetivos mediante una comprensión mecanicista de la homogeneidad del entorno quiral y los límites de difusión del sustrato.
- Valor operativo: Normalización y reproducibilidad mediante protocolos definidos de síntesis y lavado de cristales de KUMOF-1 en tamaños pequeños, medianos y grandes.
- Valor estratégico: Mejores decisiones de avance o interrupción del proyecto al identificar catalizadores en los que la accesibilidad de los poros permite un alto rendimiento y enantioselectividad, reduciendo así el riesgo biológico en fases tardías.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo según si la validación del sitio de reacción confirma la participación de los poros internos en la inducción quiral.
Consideraciones de Implementación
- Conocimientos científicos especializados necesarios en la síntesis de MOF, coordinación de ligandos quirales y técnicas sensibles al aire para la metalación de Zn/Ti bajo condiciones criogénicas.
- Los requisitos de instrumentación e infraestructura analítica incluyen reactores de microondas, baños criogénicos, sistemas de filtración y HPLC quiral o polarimetría para la medición del exceso enantiomérico.
- Los requisitos de estandarización entre equipos implican la armonización del control del tamaño de partícula, las secuencias de lavado con disolvente y los procedimientos de interrupción de reacción entre los grupos de química medicinal y catálisis.
- Las consideraciones de adaptación entre sistemas modelo incluyen evaluar si el protocolo de reacción carbonilo-eno se puede trasladar a otras transformaciones enantioselectivas relevantes para intermediarios farmacéuticos.
- Limitaciones prácticas respaldadas por la bibliografía: el tamaño del sustrato que supera las dimensiones de los poros bloquea los canales de reacción, impidiendo el acceso interno y limitando la utilidad para sustratos voluminosos en sistemas estequiométricos.
