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方法論記事

水溶性ルテニウム オレフィン メタセシス触媒ホスト-ゲスト相互作用による水溶液からの異機種混在環境の除去

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DOI:

10.3791/58067

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2018年8月23日

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

この記事について

サマリー

取り外し可能な水溶性N-ホスト-ゲスト相互作用による水溶液中における複素環カルベン (NHC) を配位子が開発されています。ジクロロ メタンと同様に水で代表的なオレフィンのメタセシス反応を示しました。ホスト-ゲスト相互作用または抽出のいずれかを介して残留ルテニウム (Ru) 触媒は反応後 0.14 ppm と低かった。

要約

非常に効率的な遷移金属触媒除去方法が開発されています。水溶性の触媒には、ホスト-ゲスト相互作用による触媒除去のため新設計 NHC 配位子が含まれています。新しい NHC 配位子では、β-シクロデキストリン (CD) ホスト化合物の空洞に疎水性の包含のためアダマンチル (ゲスト) テザー エチレング リコール線形単位を所有しています。新しい NHC 配位子は、Ru ベース オレフィン メタセシス触媒に適用されました。Ru 触媒は、代表的な閉環メタセシス (RCM) の優れた活動と水性メディアだけでなく、有機溶剤、CH2Cl2開環メタセシス重合 (楽勝) 反応を示した。残留 Ru 残渣が不溶性シリカをグラフトした β-CD (ホスト) のホスト-ゲスト相互作用を利用した簡単なろ過によって 99% (Ru 残渣の 53 ppm) 以上の効率で水溶液から削除された反応が完了した後、アダマンチル基 (ゲスト) の触媒。新しい Ru 触媒はまた粗反応混合物のジエチル エーテル層と水の間を分割することで有機溶媒中で反応を実行抽出による高い除去効率を示した。このように、触媒は水層のみに留まります。有機層の Ru 残量ジアリル化合物の RCM 反応でのみ 0.14 ppm であった。

概要

製品から均一な有機金属触媒の除去は、現代化学1,2の重要な問題です。残留触媒からの重金属元素だけでなく、その潜在的な反応から製品の不要な変換だけでなく、毒性の問題が発生します。均一系触媒に高活性、急速な反応速度、担体3など、多くの利点が提供しています、しかし、製品からの除去は単に濾過により除去が不均一触媒反応よりもはるかに困難またはデカンテーション。均一・不均一触媒、すなわち、均一反応と不均一除去の利点の組み合わせは、反応性の高い、容易に取り外し可能な有機金属触媒の重要な概念を表します。図 1は、均一系反応とホスト-ゲスト相互作用による触媒の異種の除去のための動作原理を説明します。

ホスト ・ ゲスト化学は noncovalent ホスト分子や超分子化学4,5,6,7,8のゲスト分子間の分子認識を接着します。シクロデキストリン (Cd)、環状オリゴ糖、代表的なホスト分子9,10、11,12、ポリマー科学など科学の幅広い分野で適用されています。13,14、触媒15,16バイオメディカル6,10、および分析化学17。ゲスト分子、adamatane、結合 β-CD の (ホスト、7 員環の環状糖) 高会定数、 Kは疎水性空洞に強く ( Kログ = 5.04)18。この分子結合親和性はしっかりサポートされている β-CD の水溶液反応液から複雑な残留触媒を削除するには十分に強いです。

ホスト ・ ゲストの除去の対象となる多くの触媒の中で高い実用的なユーティリティと空気と水分に対する安定性が高いため Ru オレフィン メタセシス触媒を調べた。オレフィンのメタセシス反応は、遷移金属触媒19,20,21,22の存在下での炭素-炭素二重結合を形成する合成化学で重要なツールです。安定した Ru オレフィン メタセシス触媒の開発は、高分子科学 (例えば楽勝、非環式ジエン オレフィンメタセシス (アドメット)) だけでなく、合成化学 (例えばRCM、クロス オレフィンメタセシス (CM)) の主要なフィールドとして、メタセシスをおり。特に、RCM は、大環状化合と23を構築するは難しいされている中型のリングを合成します。

オレフィンのメタセシスを Ru 触媒の合成ユーティリティにもかかわらず目的の製品から Ru 触媒の使用の完全な除去は多くの実用的なアプリケーション24の主要な課題です。たとえば、1912 ppm Ru 残渣の閉環メタセシス製品シリカゲル列クロマトグラフィー25後観察されました。残留 Ru オレフィン異性化、分解、色づけ、医薬品26の毒性などの問題が生じる。国際会議調和 (ICH) では、医薬品の残留金属試薬のガイドラインを公表しました。医薬品の Ru レベルは 10 ppm27最大です。これらの理由から、製品・ ソリューション28,29,30,31,32,33から Ru の残基を削除する様々 なアプローチを試みた。また、反応後の特別な治療なしの浄化のため取り外し可能な Ru 触媒の開発が研究されている.様々 な浄化法、触媒配位子変更はケイ酸ゲルろ過や液抽出法の効率を改善するために試みられました。たとえば、ベンジリデン34または NHC 配位子35,36のバックボーンの導入イオン タグで非常に効率的なシリカのゲル濾過が可能します。NHC 配位子の poly(ethylene glycol)37またはイオンのタグのための35を軸受の触媒は、Ru 触媒除去の水溶液抽出における効率を向上できます。

最近、我々 は、高い水溶性 Ru オレフィン メタセシス触媒、高反応性だけでなく、高触媒除去率を示した報告。また、メタセシスと触媒の除去は、水とジクロロ メタン34,35,36,37で発生しました。新しい触媒の主な機能は、つなぎ縄でつながれたアダマンチル oligo(ethylene glycol) を新しい健保に負担です。Oligo(ethylene glycol) は、複雑な全体の触媒の高水容解性を提供します。さらに、oligo(ethylene glycol) には、外部 β CD とホスト-ゲスト相互作用で使用できるアダマンチル エンド グループが所有しています。

水中でジクロロ メタン触媒除去、メタセシス反応触媒合成のためのプロトコルを記載しました。

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プロトコル

注: 我々 は、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 の合成を提示テトラフルオロホウ酸 (イミダゾリウム塩 A) および複雑なホストで、β CD は私たちの以前の紙38中のシリカを移植しました。プロトコルでは、私たち水溶性 Ru オレフィン メタセシス触媒メタセシス反応 (RCM と楽勝) の合成について述べる。

1 (( o - 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 の合成isopropoxyphenylmethylene) ルテニウム (触媒 1)

  1. 撹拌棒、20 mL バイアル オーブンでヘラと 25 mL の丸底フラスコを乾燥させます。
  2. 4 mL バイアルに 118 mg 、イミダゾリウム塩 (0.060 mmol) を置きます。
  3. 乾燥したガラス、中隔と 2 h のグローブ ボックス チャンバーと真空でヘラに準備イミダゾリウム塩Aを配置します。
  4. グローブボックス室の空気を完全に除去した後、チャンバ内に不活性ガスをパージし、それらをグローブ ボックスに移動します。
  5. グローブ ボックスに入れて 54 mg 反応-グラブス (H G) の 1st世代 (1.5 0.090 モル当量) 20 mL バイアルで。
  6. 2.0 mL のトルエンにプリペアド イミダゾリウム塩を溶解し、撹拌棒で 50 mL の丸底フラスコにそれを転送します。
  7. 0.18 mL カリウム ビス (トリメチルシリル) アミド (KHMDS) ソリューションの追加 (0.5 M トルエン溶液、1.5 0.090 モル当量) イミダゾリウム塩溶液に。
  8. 試薬を混合するフラスコを旋回します。
  9. トルエン、3.0 ml H G 1st世代を溶解し、反応フラスコにこのソリューションを追加します。
  10. 中隔とフラスコを密封し、グローブ ボックスからこれを削除します。
  11. 80 ° C で 3 h の反応混合物をかき混ぜる
  12. 3 h、中性アルミナ、エチル/メタノールで溶出のクロマトグラフィーによる触媒の浄化後は = 15/1 です。暗い緑のソリューションを収集します。
    注: 溶媒の蒸発はクロマトグラフィーの前に不要です。Rf値は中性アルミナ、エチル/メタノールで溶出 0.46 = 15/1。
  13. 減圧下で溶媒を除去します。
  14. 暗い緑の蝋のような固体を取得する最終的な残渣を真空します。

2. メタセシス反応と水溶液中における触媒残渣の除去

  1. 脱重水素酸化物 (D2O) またはバブル D2O で脱イオン水や窒素ガス 2 h 以上で脱イオン水を準備します。
  2. 4.4 mg (0.0020 モル) 触媒1のと 2 の 41 mg を置く-アリル-N,N,N- trimethylpent-4-en-1-aminium クロリド (テトラアルキル アンモニウム基質) (0.20 mmol) 各 4.0 mL バイアルで。
  3. 脱 D2O (または H2O) の 0.5 mL でテトラアルキル アンモニウム基質を溶解し、触媒1にソリューションに追加します。
  4. 反応バイアルをシールし、45 ° C で 24 時間の反応混合物を加熱1H-NMR による反応変換を監視します。
    注: は、 1H NMR ピーク変換 3.25 ppm (ダブレット、NCH2CH - 基板) から 3.52 ppm (ダブレット、NCH2CH - 製品) を監視します。
  5. 反応終了後、室温で反応バイアルを冷やします。
  6. 反応混合物に β-CD 接木シリカの 150 mg を追加します。
    注: シリカゲルに接木された β CD ユニットは熱重量分析 (TGA) して 1.57 10-4モル/mg で計算しました。
  7. 10 h の反応混合物を室温で攪拌します。
  8. 綿のプラグを反応混合物をフィルター処理します。
  9. 凍結乾燥機で溶剤を削除します。

3. 開環メタセシス重合と水溶液中における触媒残渣の除去

  1. 脱 D2O またはバブル D2O で脱イオン水や窒素ガス 2 h 以上で脱イオン水を準備します。
  2. 4.4 mg 触媒1 (0.0020 モル) と 2-((3aR*,4S*,7R*,7aS*)-1, 3-dioxo-1, 3, 3 a, 17.1 mg を入れて 4, 7, 7 a-ヘキサヒドロ-2H-4, 7-methanoisoindol-2-イル)-N,N,N- trimethylethan-1-aminium クロリド (単量体、図 5) (0.060 モル) 各 4.0 mL バイアルで。
  3. 脱 D2O (または H2O) の 0.5 mL 中のモノマーに溶解し、触媒1にソリューションに追加します。
  4. 反応バイアルをシールし、45 ° C で 2 時間反応混合物を加熱1H-NMR による反応変換を監視します。
    注: モニター 1H NMR ピーク消失 6.14 ppm (-CHCH- モノマーを =)。
  5. 反応終了後、室温で反応バイアルを冷やします。
  6. 0.1 mL とエチル ビニール エーテルの反応を消します。
    注: 焼入れ高分子鎖のターミナルから Ru 触媒を分離する必要があります。
  7. 反応混合物に β-CD 接木シリカの 150 mg を追加します。
  8. 10 h の反応混合物を室温で攪拌します。
  9. 綿のプラグを反応混合物をフィルター処理します。
  10. 凍結乾燥機で溶剤を削除します。

4. メタセシス反応と CH2Cl2から触媒残渣の除去

  1. 4.4 mg 触媒1 (0.0020 モル)、ジエチル diallylmalonate (0.20 mmol) の 48 mg を各 4.0 mL バイアルに入れてください。
  2. 0.5 ml の CH2Cl2、ジエチル diallylmalonate を溶解し、触媒1にソリューションに追加します。
  3. 反応バイアルをシールし、 1H NMR による反応変換 1 h. モニターの室温で反応混合物を維持します。
    注: モニター 1H NMR ピーク変換 2.63 ppm から (ダブレット、CCH2CH = CH2基板) 3.01 ppm (一重項、CCH2CH = CHCH2C - 製品)。
  4. 反応の完了後に、30 mL バイアルに得られた反応混合物を転送します。
  5. 15 ml のジエチル エーテルの反応液を希釈します。
  6. 5 倍の 15 mL の水で有機溶液を洗います。
  7. MgSO4、有機層を乾燥し、MgSO4粒子を除去する綿のプラグを使用してソリューションをフィルター処理します。
  8. 得られた溶液に活性炭の 60 mg を追加し、室温で 24 時間の混合物をかき混ぜます。
  9. 活性炭を削除する綿のプラグを使用してソリューションをフィルター処理し、減圧下で溶媒を除去します。

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結果

図 2では、当社の触媒1の配位子交換反応について説明します。1H NMR スペクトルを図 3に示します。

図 4は、水溶液やホスト-ゲスト相互作用による反応混合物から触媒の使用の後の除去の RCM を示しが表 1水溶液中における RCM をまとめたものです。第四級アンモニウム基質だった触媒1の 1 mol % で対応する製品に完全に変換し、変換は、 1H NMR によって監視されました。メタセシス反応後、得られた反応混合物は 10 h の β CD 接ぎ木したシリカゲルと攪拌しました。図 4...

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ディスカッション

取り外し可能な Ru オレフィン メタセシス触媒の合成と水溶液と有機の両方のソリューションからの除去について述べる。同質な触媒作用が高い反応性と迅速な反応率などの不均一系触媒と比較して多くの利点を提供しますただし、製品から使用される触媒の除去は、異種触媒3よりも難しい。合成触媒の主な機能は、つなぎ縄でつながれたアダマンチル水可溶性 oligo(ethylene glycol) を担う NHC 配位子です。提示された触媒水溶液と有機のソリューションと Ru は、ホスト-ゲスト相互作用4,5,6,を利用した濾過により除去した簡単に残留で均一な反応を示した7,8と液体抽出。

図...

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開示事項

著者は競争の経済的利害関係を宣言しません。

謝辞

この作品は、フロリダ州立大学エネルギーと材料採用イニシアティブ FSU 化学科と医用生体工学によって支持されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Hoveyda-Grubbs 触媒 第 1 世代Sigma-Aldrich577944空気感作機。光感度。
ジエチルジアリルマロン酸Sigma-Aldrich283479
エチルビニルエーテルSigma-Aldrich422177空気に敏感です。
酸化アルミニウムSigma-Aldrich06300活性化、中性、ブロックマン活性 I
カリウムビス(トリメチルシリル)アミド溶液 (0.5 M in トルエン)Sigma-Aldrich277304湿気に敏感です。
EtyhlアセテートVWRBDH1123可燃性液体。
メタノールVWRBDH1135可燃性液体。毒性。
酸化重水素 99.8%DTCIW0002
塩化メチレン-D2 (D, 99.8%)ケンブリッジアイソトープラボラトリーズDLM-23可燃性液体。毒性。
活性炭Sigma-Aldrich242276
硫酸マグネシウムEMD ミリポアMX0075
エチルエーテルEMD ミリポアEX0190可燃性液体。

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