Usunięcie jednorodnej katalizy metaloorganicznej z produktu jest ważnym zagadnieniem w nowoczesnej chemii1,2. Katalizator resztkowy powoduje nie tylko problem z toksycznością pierwiastka metalu ciężkiego, ale także niepożądaną przemianę produktu w wyniku jego potencjalnej reaktywności. Katalizator jednorodny ma wiele zalet, takich jak wysoka aktywność, szybkość reakcji i chemoselektywność3, jednak jego usunięcie z produktu jest znacznie trudniejsze niż katalizatora heterogenicznego, który jest po prostu usuwany przez filtrację lub dekantację. Połączenie zalet katalizatora jednorodnego i niejednorodnego, tj. jednorodnej reakcji i niejednorodnego usuwania, stanowi ważną koncepcję wysoce reaktywnego i łatwo usuwalnego katalizatora metaloorganicznego. Rysunek 1 ilustruje zasadę działania reakcji jednorodnej i heterogenicznego usuwania katalizatora poprzez interakcję gospodarz-gość.
Chemia gospodarz-gość to niekowalencyjne wiązanie molekularne rozpoznające molekularne między cząsteczkami gospodarza a cząsteczkami gościa w chemii supramolekularnej4,5,6,7,8. Cyklodekstryny (CD), cykliczne oligosacharydy, są reprezentatywnymi cząsteczkami gospodarza9,10,11,12, i zostały zastosowane w szerokich dziedzinach nauki, takich jak: nauka o polimerach13,14, kataliza15,16, zastosowania biomedyczne6,10, oraz chemia analityczna17. Cząsteczka gościa, adamatan, silnie wiąże się z hydrofobową jamą β-CD (gospodarz, 7-członowy cykliczny sacharyd) o wysokiej stałej asocjacji, Ka (log Ka = 5,04)18. To powinowactwo do wiązania supramolekularnego jest wystarczająco silne, aby usunąć resztki kompleksu katalizatora z wodnym roztworem reakcyjnym ze stałym nośnikiem β-CD.
Wśród wielu katalizatorów, które kwalifikują się do usunięcia hosta-gościa, badano katalizator metatezy olefiny Ru ze względu na wysoką praktyczność i wysoką odporność na powietrze i wilgoć. Reakcja metatezy olefin jest ważnym narzędziem w chemii syntetycznej do tworzenia podwójnego wiązania węgiel-węgiel w obecności katalizatora metalu przejściowego19,20,21,22. Opracowanie stabilnego katalizatora metatezy olefin Ru sprawiło, że metateza stała się główną dziedziną chemii syntetycznej (np. RCM i metateza krzyżowa (CM)) oraz nauki o polimerach (np. ROMP i acykliczna metateza dienowa (ADMET)). W szczególności RCM syntetyzuje makrocykle i średniej wielkości pierścienie, które były trudne do zbudowania23.
Pomimo syntetycznych zastosowań metatezy olefiny katalizowanej Ru, całkowite usunięcie zużytego katalizatora Ru z pożądanego produktu jest głównym wyzwaniem dla wielu praktycznych zastosowań24. Na przykład 1912 ppm pozostałości Ru zaobserwowano w produkcie metatezy zamykającej pierścień po chromatografii kolumnowej z żelem krzemionkowym25. Pozostałości Ru mogą powodować problemy, takie jak izomeryzacja olefin, rozkład, zabarwienie i toksyczność produktów farmaceutycznych26. Międzynarodowa Konferencja Harmonizacji (ICH) opublikowała wytyczne dotyczące pozostałości odczynników metalowych w farmaceutykach. Maksymalny dopuszczalny poziom Ru w produkcie farmaceutycznym wynosi 10 ppm27. Z tych powodów próbowano różnych podejść do usunięcia pozostałości Ru z produktu solution28,29,30,31,32,33. Badano również rozwój wymiennych katalizatorów Ru pod kątem oczyszczania bez specjalnej obróbki po reakcji. Wśród różnych metod oczyszczania próbowano modyfikacji ligandów katalizatora w celu poprawy efektywności filtracji żelu krzemionkowego i ekstrakcji cieczy. Na przykład, wysoce wydajną filtrację żelem krzemionkowym można osiągnąć poprzez wprowadzenie znacznika jonowego na benzylidene34 lub szkielecie ligandu NHC35,36. Poli(glikol etylenowy)37 lub znacznik jonowy35 na ligandzie NHC może poprawić wydajność ekstrakcji wodnej w celu usunięcia katalizatora Ru.
Niedawno opisaliśmy wysoce rozpuszczalny w wodzie katalizator metatezy olefiny Ru, który wykazał nie tylko wysoką reaktywność, ale także wysoką szybkość usuwania katalizatora. Co więcej, metateza i usunięcie katalizatora zaszły zarówno w wodzie, jak i w dichlorometanie34,35,36,37. Kluczową cechą nowego katalizatora jest to, że nowy NHC zawiera oligo(glikol etylenowy) na uwięzi adamantylu. Oligo(glikol etylenowy) zapewnia wysoką rozpuszczalność w wodzie całego kompleksu katalizatora. Ponadto oligo(glikol etylenowy) posiada adamantylową grupę końcową, która może być stosowana w interakcji gospodarz-gość z zewnętrznym β-CD.
Tutaj opisaliśmy protokoły syntezy katalizatora, reakcji metatezy i usuwania katalizatora zarówno w wodzie, jak i w dichlorometanie.