Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Heterogene fjernelse af vandopløselige Ruthenium Olefin Metathesis katalysator fra vandige medier Via vært-gæst interaktion

Published: August 23, 2018 doi: 10.3791/58067
Automatic Translation
1, 1
1Department of Chemical and Biomedical Engineering, Florida State University

Summary

En aftagelig vandopløselige N-Heterocycliske carbene (NHC) ligand i vandige medier via vært-gæst interaktion er blevet udviklet. Vi viste repræsentative olefin metathesis reaktioner i vand samt dichlormethan. Via enten vært-gæst interaktion eller udvinding var resterende ruthenium (Ru) katalysatoren så lavt som 0,14 ppm efter reaktionen.

Abstract

En yderst effektiv overgang metal katalysator fjernelse metode er udviklet. De vandopløselige katalysator indeholder en nyligt designet NHC ligand for katalysator fjernelse via vært-gæst interaktioner. Den nye NHC ligand besidder en adamantyl (gæst) tøjret lineær ethylenglycol enheder for hydrofobe medtagelse i hulrummet af en β-cyclodextrin (β-CD) vært sammensatte. Den nye NHC ligand blev anvendt til Ru-baserede olefin metathesis katalysator. Ru katalysator udvist fremragende aktivitet i repræsentative ring-lukning metathesis (RCM) og ring-åbning metathesis polymerisation (BOLTRE) reaktioner i vandige medier såvel som organisk opløsningsmiddel, CH2Cl2. Efter reaktionen var komplet, dvælende Ru rester blev fjernet fra den vandige opløsning med effektiviteten af mere end 99% (53 ppm af Ru rest) ved simpel filtrering udnytter en vært-gæst interaktion mellem uopløselige silica-podet β-CD (vært) og den adamantyl gruppe (gæst) på katalysatoren. Den nye Ru katalysator også demonstreret høj fjernelse effektivitet via udvinding når reaktionen køres i organisk opløsningsmiddel ved partitionering rå reaktionsmiljøet mellem lag af diethylether og vand. På denne måde bliver katalysatoren i vandige lag kun. I organiske lag var det resterende beløb, Ru kun 0,14 ppm i RCM reaktioner af diallyl-forbindelser.

Introduction

Fjernelse af den homogene metalorganiske katalyse fra produktet er et vigtigt spørgsmål i moderne kemi1,2. Resterende katalysator forårsager ikke kun en toksicitet problem fra sin heavy metal element, men også en uønsket transformation af produktet fra sine potentielle reaktivitet. Homogen katalysator giver mange fordele, såsom høj aktivitet, hurtig reaktion sats og kemoselektivitet3, men dens fjernelse fra produktet er meget vanskeligere end heterogene katalysator, som er blot fjernes ved filtrering eller dekantering. Kombinationen af fordelene ved homogene og heterogene katalysator, dvs, homogen reaktion og heterogene fjernelse, repræsenterer vigtigt begreb for meget reaktive og let aftageligt metalorganiske katalysator. Figur 1 illustreret Funktionsprincip for homogene reaktion og heterogene fjernelse af katalysator via vært-gæst interaktion.

Vært-gæst kemi er noncovalent limning molekylære anerkendelse mellem vært molekyler og gæst molekyler i Supramolekylær kemi4,5,6,7,8. Cyclodextrins (CDs), cyklisk oligosaccharider, er repræsentative vært molekyler9,10,11,12, og de har været anvendt i store områder af videnskab som polymer videnskab 13 , 14, katalyse15,16, biomedicinske anvendelser6,10og analytisk kemi17. En gæst molekyle, adamatane, binder stærkt til at de hydrofobe hulrum af β-CD (vært, 7-leddede cyklisk saccharid) med høj association konstant, Ka (log Ken = 5,04)18. Denne Supramolekylær bindende affinitet er stærk nok til at fjerne resterende katalysator komplekse fra vandige reaktion løsning med solid understøttede β-CD.

Blandt mange katalysatorer, der er berettiget til vært-gæst fjernelse, blev Ru olefin metathesis katalysator undersøgt på grund af høje praktiske værktøjer og høj stabilitet mod luft og fugt. Olefin metathesis reaktion er et vigtigt redskab i syntetisk kemi til at danne en kulstof-kulstof-dobbeltbinding i overværelse af en overgang metal katalysator19,20,21,22. Udviklingen af stabil Ru olefin metathesis katalysator trigget metathesis som et stort felt i syntetisk kemi (fx, RCM og cross metathesis (CM)) samt polymer videnskab (fx, BOLTRE og acycliske Dien metathesis (ADMET)). Især syntetiserer RCM'EN macrocycles og mellemstore ringe, der har været svært at konstruere23.

På trods af syntetiske utilities af Ru katalyseret olefin metathesis er fuldstændig fjernelse af brugte Ru katalysator fra den ønskede vare en stor udfordring for mange praktiske anvendelser24. For eksempel, blev 1912 ppm af Ru rester observeret i ring-lukning metathesis produkt efter silicagel kolonne kromatografi25. Resterende Ru kan forårsage problemer som olefin isomerisation, nedbrydning, farvelægningsmetode og toksicitet af farmaceutiske produkter26. Internationale konference om harmonisering (ICH) offentliggjort en retningslinje af resterende metal reagenser i pharmaceuticals. Maksimalt tilladte Ru niveau i farmaceutiske produkt er 10 ppm27. Af disse grunde var forskellige tilgange forsøgte at fjerne Ru rester fra produkt løsning28,29,30,31,32,33. Også, udviklingen af flytbare Ru katalysatorer er blevet undersøgt for rensning uden nogen særlig behandling efter reaktionen. Blandt forskellige rensning metoder, blev katalysator ligand ændringer forsøgt at forbedre effektiviteten af silicagel filtrering og flydende udvinding. For eksempel, kan højeffektive silicagel filtrering opnås af indførte ion tag på bensylidencamphor34 eller rygraden i NHC ligand35,36. Katalysatoren forsynet med poly(ethylene glycol)37 eller ion tag35 på en NHC ligand kan forbedre effektiviteten af vandige udtræk til Ru katalysator fjernelse.

For nylig, vi rapporterede en meget vandopløselige Ru olefin metathesis katalysator, som vist ikke kun høj reaktivitet, men også høj katalysator fjernelse sats. Desuden opstod metathesis og katalysator fjernelse i både vand og methylenchlorid34,35,36,37. Hovedaksen i nye katalysator er, at den nye NHC bærer adamantyl bundet oligo(ethylene glycol). Oligo(ethylene glycol) giver høj vandopløselighed af hele katalysatoren komplekse. Derudover besidder oligo(ethylene glycol) adamantyl ende gruppe, der kan bruges i host-gæst samspil med eksterne β-CD.

Vi beskrevet protokoller for katalysator syntese, metathesis reaktioner og katalysator fjernelse i både vand og dichlormethan.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemærk: Vi præsenteret syntesen af 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 salt A) og vært komplekse, β-CD podet silica, i vores tidligere papir38. I protokollen beskrive vi en syntese af vores vandopløselige Ru olefin metathesis katalysator og metathesis reaktioner (RCM og BOLTRE).

1. Sammenfatning af (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 - isopropoxyphenylmethylene) ruthenium (katalysator 1)

  1. Tørre en 25 mL rundbundet kolbe med en omrøring bar, en 20 mL hætteglas og en spatel i ovnen.
  2. Sætte 118 mg imidazolium salt A (0.060 mmol) i en 4 mL hætteglas.
  3. Placer forberedt imidazolium salt A i tørrede glasvarer, en septum og spatel i en handskerummet kammer og vakuum i 2 timer.
  4. Efter helt at fjerne luften i handskerummet kammer, rense inaktiv gas ind i kammeret, så flytte dem ind i handskerummet.
  5. I handskerummet, sætte 54 mg af Hoveyda-Grubbs (H-G) 1st generation (0.090 mmol, 1.5 ækvivalent) i en 20 mL hætteglas.
  6. Opløse forberedt imidazolium salt i 2,0 mL toluen, derefter overføre det til 50 mL rundbundet kolbe med den omrøring bar.
  7. Tilføje 0.18 mL af kalium bis (trimethylsilyl) akrylamid (KHMDS) løsning (0,5 M opløsning i toluen, 0.090 mmol, 1.5 ækvivalent) i imidazolium saltopløsning.
  8. Swirl kolben for at blande reagenserne.
  9. Opløse Hansen 1st generation i 3,0 mL toluen, derefter tilføje denne løsning i reaktionskolben.
  10. Forsegle kolben med septum, derefter fjerne det fra handskerummet.
  11. Rør reaktionsblandingen til 3 h ved 80 ° C.
  12. Efter 3 h, rense katalysatoren ved kromatografi på neutral alumina, elueret med EtOAc/MeOH = 15/1. Indsamle de mørke grøn løsning.
    Bemærk: Fordampning af opløsningsmidlet er ikke nødvendig før kromatografi. Rf -værdi er 0,46 på neutral alumina, elueret med EtOAc/MeOH = 15/1.
  13. Fjerne opløsningsmiddel under reduceret tryk.
  14. Vakuum den sidste rest at få mørke grønne voksagtig solid.

2. metathesis reaktion og fjernelse af katalysator rester i vandige medier

  1. Forberede afgassede deuteriumoxid (D2O) eller deioniseret vand af boblende D2O eller deioniseret vand med nitrogen gas over 2 h.
  2. Sætte 4,4 mg katalysator 1 (0.0020 mmol) og 41 mg 2-allylisothiocyanat -N,N,N- trimethylpent-4-en-1-aminium chlorid (tetraalkyl ammonium substrat) (0,20 mmol) i hvert 4,0 mL hætteglas.
  3. Opløs tetraalkyl ammonium substrat i 0,5 mL af afgassede D2O (eller H2O), derefter tilføje løsningen i katalysator 1.
  4. Forsegle reaktion hætteglas, så varme reaktionsblandingen i 24 timer ved 45 ° C. Overvåge reaktion konvertering af 1H NMR.
    Bemærk: Overvåge 1H NMR peak konvertering fra 3.25 ppm (doublet, -NCH2CH - i substrat) til 3,52 ppm (doublet, -NCH2CH - produkt).
  5. Efter afslutningen af reaktionen, køle ned prøveglas ved stuetemperatur.
  6. Tilføj 150 mg af β-CD podet silica i reaktionsblandingen.
    Bemærk: Podede β-CD enhed på silicagelen blev beregnet i 1.57 10-4 mmol/mg af thermogravimetric analyse (TGA).
  7. Rør reaktionsblandingen i 10 timer ved stuetemperatur.
  8. Filtrer reaktionsblandingen gennem bomuld plug.
  9. Fjerne opløsningsmidlet i en fastfrysning tørretumbler.

3. ring-åbning Metathesis polymerisation og fjernelse af katalysator rester i vandige medier

  1. Forberede afgassede D2O eller deioniseret vand af boblende D2O eller deioniseret vand med nitrogen gas over 2 h.
  2. Sætte 4,4 mg katalysator 1 (0.0020 mmol) og 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, figur 5) (0.060 mmol) i hvert 4,0 mL hætteglas.
  3. Opløse monomer i 0,5 mL af afgassede D2O (eller H2O), derefter tilføje løsningen i katalysator 1.
  4. Forsegle reaktion hætteglas, så varme reaktionsblandingen i 2 timer ved 45 ° C. Overvåge reaktion konvertering af 1H NMR.
    Bemærk: Overvåge 1H NMR peak forsvinden 6.14 ppm (-CH= CH- i monomer).
  5. Efter afslutningen af reaktionen, køle ned prøveglas ved stuetemperatur.
  6. Dæmpning reaktion med 0,1 mL ethylether vinyl.
    Bemærk: Dæmper er nødvendigt at adskille Ru katalysator fra polymer kæde terminal.
  7. Tilføj 150 mg af β-CD podet silica i reaktionsblandingen.
  8. Rør reaktionsblandingen i 10 timer ved stuetemperatur.
  9. Filtrer reaktionsblandingen gennem bomuld plug.
  10. Fjerne opløsningsmidlet i en fastfrysning tørretumbler.

4. metathesis reaktion og fjernelse af katalysator rester fra CH2Cl2

  1. Sætte 4,4 mg af katalysator 1 (0.0020 mmol) og 48 mg af diethyletheren diallylmalonate (0,20 mmol) i hvert 4,0 mL hætteglas.
  2. Opløse diethyletheren diallylmalonate i 0,5 mL af CH2Cl2, derefter tilføje løsningen i katalysator 1.
  3. Forsegle reaktion hætteglas, derefter holde reaktionsblandingen ved stuetemperatur for 1 h. skærm reaktion konvertering af 1H NMR.
    Bemærk: Overvåge 1H NMR peak konvertering fra 2.63 ppm (doublet, -CCHansen2CH = CH2 i substrat) til 3,01 ppm (singlet, -CCHansen2CH = CHCH2C - i produktet).
  4. Efter afslutningen af reaktionen, skal du overføre den resulterende reaktionsblandingen til en 30 mL hætteglas.
  5. Fortynd reaktion løsningen med 15 mL dietylaeter.
  6. Vask en økologisk løsning med 15 mL vand til fem gange.
  7. Tør de organiske lag med MgSO4, derefter filtreres gennem bomuld stik hen til ophæve MgSO4 partikler.
  8. Tilføje 60 mg af aktivt kul i den resulterende løsning, så Rør blandingen i 24 timer ved stuetemperatur.
  9. Filtrer løsning gennem bomuld plug til at fjerne aktivt kul, derefter fjerne opløsningsmiddel under reduceret tryk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2 beskriver ligand exchange reaktion for vores katalysator 1. 1H NMR spektret er vist i figur 3.

Figur 4 viser RCM'EN i vandig opløsning og efterfølgende fjernelse af brugt katalysator fra reaktionsmiljøet via vært-gæst interaktion, og tabel 1 opsummerer RCM i vandige medier. Kvaternære ammonium substratet var fuldt omdannet til tilsvarende produkt med 1 mol % af katalysator 1, og konverteringen blev overvåget af 1H NMR. Efter metathesis reaktionen rørte den resulterende reaktionsblandingen med β-CD podet silica gel til 10 h. Som figur 4 beskrevet, mørke reaktion løsning viste klart efter vært-gæst fjernelse. Den resulterende løsning var filtreret gennem en bomuld plug, så opløsningsmidlet blev fjernet i en fryse tørretumbler. De resterende Ru niveau af produktet blev analyseret af Induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS), og 53 ppm af resterende Ru blev opdaget fra det endelige produkt (tabel 1, indgang 1). I post 2, blev samme protokol anvendt til primær ammonium substrat. 3 mol % af katalysator lastning leveres komplet konvertering, og de resterende Ru niveau i dette produkt blev 284 ppm.

Boltre sig i vandig opløsning er beskrevet i figur 5. Efter fjernelse af katalysator, blev resterende Ru analyseret af ICP-MS.

Figur 6 beskriver demonstration af RCM reaktion i CH2Cl2 og fjernelse af brugt katalysator fra reaktionsmiljøet via udvinding, og tabel 2 viser omfanget af RCM i CH2Cl2. Efter reaktionen, blev brugt katalysator fjernet ved ekstraktion og efterfølgende behandling med aktivt kul. Undtagen stærkt hindret substrat (tabel 2, indgang 3) demonstreret substraterne komplet konverteringer med 1 mol % af katalysator 1. Efter metathesis reaktion i CH2Cl2, var reaktionsmiljøet fortyndet med diethylether. Den fortyndede økologiske løsning blev udtrukket med vand til fem gange. Som vist i figur 6, blev den klare opløsning fremstillet efter udvinding. Efter udvinding, aktivt kul blev tilføjet i den tørrede økologisk løsning, så løsningen var vakt for 24 timer. Aktivt kul var fjernes ved filtrering, og den deraf følgende løsning var koncentreret under reduceret tryk. De resterende produkt blev analyseret af ICP-MS til at måle det resterende Ru niveau, og 5,9 ppm af Ru blev opdaget fra produktet. Uden aktivt kul behandling, de resterende Ru var 63 ppm, og denne værdi er ikke acceptable til farmaceutiske formål (tabel 2, indgang 1).

Figure 1
Figur 1 . Illustration af konceptet for heterogene katalysator fjernelse af homogene katalysator via vært-gæst interaktion. Dette tal er blevet ændret fra økologisk breve. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018). Venligst klik her for at se en større version af dette tal. 

Figure 2
Figur 2 . Syntese af katalysator 1 fra imidazolium salt A. NHC ligand blev genereret af deprotonation fra imidazolium salt A, så ligand exchange reaktion blev fulgt at danne en katalysator 1. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Fugure 3. 1 H NMR spektret af katalysator 1 og dens tildeling. 1 H NMR (600 MHz, CD2Cl2) δ 16.44 (s, 1 H, Hen), 7.53 (t, J = 7,8 Hz, 1 H, Hk), 7,05 (d, J = 16,2 Hz, 4 H, HJensen), 6.93 (d, J = 7,8 Hz, 1 H, Hk), 6.88 (t, J = 7,5 Hz, 1 H, H k), 6.81 (d, J = 8,4 Hz, 1 H, Hk), 4,90-4.79 (m, 1 H, Hb), 4.59-4,50 (m, 1 H, Hc), 4,26 (t, J = 10,8, 1 H, Hd), 4,06 (t, J = 8,7 Hz, 1 H, Hd), 3.67-3.48 (m, 130 H, H l), 2,59-2.18 (m, 18 H, He), 2.10 (s, 3 H, Hf), 1,71 (d, J = 3,2 Hz, 6 H, Hg), 1,60 (dd, J1 = 28,5 Hz, J2 = 12,3 Hz, 6 H, Hh), 1,24-1,17 (m, 6 H, H Jeg). venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 . Vært-gæst fjernelsen af Ru katalysator efter RCM i vandige medier (tabel 1, indgang 1). a begyndelse reaktion på t = 0 (blanding af katalysator 1, substrat og opløsningsmiddel D2O). (b) afsluttet reaktion på t = 24 h. c tilsætning af β-CD podet silica i reaktionsblandingen. (d) resulterer løsning efter 10 h omrøring. (e) filtrering af resulterende løsning; den mørke Ru katalysator rest var fjernes ved filtrering. Den resulterende rensede løsning er farveløs i hætteglasset. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. 

Figure 5
Figur 5 . Boltre sig i vandige medier. Dette tal er blevet ændret fra økologisk breve. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6 . RCM i CH 2 CL 2 og fjernelse af katalysator 1 (tabel 2, indgang 1). a begyndelse reaktion på t = 0 (blanding af katalysator 1, substrat og opløsningsmidler CH2Cl2). (b) færdiggørelse af reaktion på t = 1 h. c fortynding med yderligere 15 mL dietylaeter; en mørk katalysator rester blev spredt i løsningen. (d) vandige lag kun efter 1st ekstraktion. En stor mængde vand opløses katalysator blev fjernet fra en organisk lag. (e) faseadskillelse efter 2nd ekstraktion (øverste lag: økologisk med produktet kun, lavere lag: vandig med katalysator). (f) organiske lag efter 5th ekstraktion. Der er ingen visuelle udseende af mørke katalysator i organiske lag. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. 

Figure 7
Figur 7 . Illustration af samlede vært-gæst fjernelse proces efter metathesis reaktion i vandige medier. Dette tal er blevet ændret fra økologisk breve. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.    

indrejse substrat produkt konvertering katalysator lastning [Ru] (ppm)
1 Image 1 Image 2 > 95% 1 mol % 53
2 Image 3 Image 4 > 95% 3 mol % 284

Tabel 1.   RCM i vandige medier og fjernelse af brugt katalysator via vært-gæst interaktion. Reaktion tilstand: 45 ° C i D2O for 24 h. resterende Ru niveau i produktet blev analyseret af ICP-MS; den detaljerede ICP-MS analyse proces er beskrevet i supplerende oplysninger i foregående rapport38. Denne tabel er ændret fra økologisk breve. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018).

indrejse substrat produkt konvertering [Ru] (ppm)
1 Image 5 Image 6 > 95% 5.9 (63)en
2 Image 7 Image 8 > 95% 3.5
3 Image 9 Image 10 Trace -
4 Image 11 Image 12 > 95% 0,14
5 Image 13 Image 14 > 95% 5.0
6 Image 15 Image 16 > 95% 5.3

Tabel 2. RCM i CH 2 CL 2 og fjernelse af brugt katalysator via udvinding og behandling med aktivt kul. Reaktion tilstand: 40 ° C med 1 mol % af katalysator 1 i CH2Cl2 for 1 h. resterende Ru niveau i produktet blev analyseret af ICP-MS. posterne 1 og 4 blev gennemført ved stuetemperatur. en Den udpakkede rå vare blev filtreret gennem en silica pad uden aktivt kul behandling. Denne tabel er ændret fra økologisk breve. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi beskrev syntesen af flytbare ensartet Ru olefin metathesis katalysator og dens fjernelse fra både vandige og den organiske løsninger. Homogen katalyse giver mange fordele i forhold til heterogene katalysatorer, såsom høj reaktivitet og hurtige reaktionshastigheden; fjernelse af brugt katalysator fra produktet er imidlertid vanskeligere end heterogene katalysator3. Hovedaksen i syntetiserede katalysator er NHC ligand, som bærer adamantyl tøjret vand opløselige oligo(ethylene glycol). Den præsenteres katalysator demonstreret de homogene reaktioner i både vandige og den organiske opløsninger, og de resterende Ru var let fjernes ved filtrering udnytter en vært-gæst interaktion4,5,6, 7 , 8 og væske ekstraktion.

Figur 7 beskriver en fjernelse af brugt katalysator via vært-gæst interaktion efter metathesis reaktion i opløsning i vand. Efter komplet konvertering med homogen katalyse i høj reaktivitet og hurtige reaktionshastigheden, blev vært komplekse føjet til reaktionsblandingen til at danne en heterogen vært-gæst kompleks mellem β-CD på værten og adamantane gruppe på vores katalysator 118 . Efter filtrering af den deraf følgende løsning, blev mere end 99% af resterende Ru fjernet fra produktet (tabel 1, indgang 1).

Som vist i tabel 1, syntetisk nyttige primære ammonium salt blev substrat fuldt ombygget til tilsvarende produkt med katalysator lastning, 3 mol % af katalysator (post 2). De resterende Ru af denne primære ammonium produkt var 284 ppm efter filtrering, hvilket betyder, at 98,7% af anvendte Ru blev fjernet af vært-gæst interaktion. Årsagen til højere katalysator lastning og resterende Ru niveau end reaktion med kvaternære ammonium kan være koordinering mellem Ru metal og kvælstof i primære ammonium efter ioniserende stråling i vand. Desuden figur 5 beskriver BOLTRE af vandopløselige monomer med vores katalysator i vandige medier, og polymeren blev opnået i kvantitative udbytte med 269 ppm af resterende Ru, hvilket betyder 97,7% af Ru blev fjernet. I BOLTRE reaktion er dæmper med vinyl ethylether vigtigt at befri Ru katalysator fra polymer kæde.

Derudover demonstreret vores katalysator høj reaktivitet i CH2Cl2 med almindeligt anvendte RCM substrater (tabel 2). Hindres substrat i løsning 3 blev kun givet spor beløb i produktet, og andre substrater var fuldt omdannet til ønskede produkter. Som vist i figur 6, de fleste af resterende Ru blev fjernet af vandige udtræk. Efter filtrering med udvundet produkt gennem silica pad, var 63 ppm af resterende Ru observeret (post 1). Aktivt kul behandling med udvundet produkt leveret fremragende fjernelse sats af brugte Ru katalysator37, som var mindre end 10 ppm, farmaceutisk acceptable Ru grænsen i produkt27.

På grund af nedbrydning af katalysator 1 under/efter metathesis reaktioner39var genanvendelse af katalysatoren ikke muligt. Fordi vært-gæst interaktion er en reversibel proces4,5,6,7,8, vil reversibilitet af de rapporterede NHC ligander blive undersøgt for at udvikle fuldt genanvendelige metalorganiske katalyse system40 som det ultimative mål for denne linje af forskning. Desuden kan rapporterede homogene catalyst system anvendes yderligere til en storstilet metal scavenging metode. Efter en ønskede store kemiske reaktion, kan den gæst-tagged katalysator fjernes helt ved at passere produkt løsning gennem host-tagged solid pakket patron.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ikke konkurrerende finansiel interesse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Florida State University energi og materialer leje initiativ og FSU afdeling af kemiske og Biomedicinsk teknik.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hoveyda-Grubbs Catalyst 1st Generation Sigma-Aldrich 577944 Air sensitivie. Light sensitivie.
Diethyl diallylmalonate Sigma-Aldrich 283479
Ethyl vinyl ether Sigma-Aldrich 422177 Air sensitive.
Aluminum oxide Sigma-Aldrich 06300 Activated, neutral, Brockmann Activity I
Potassium bis(trimethylsilyl)amide solution (0.5 M in toluene) Sigma-Aldrich 277304 Moisture sensitive.
Etyhl acetate VWR BDH1123 Flammable liquid.
Methanol VWR BDH1135 Flammable liquid. Toxic.
Deuterium Oxide 99.8%D TCI W0002
Methylene Chloride-D2 (D, 99.8%) Cambridge Isotope Laboratories, Inc. DLM-23 Flammable liquid. Toxic.
Activated carbon Sigma-Aldrich 242276
Magnesium sulfate EMD Millipore MX0075
Ethyl ether EMD Millipore EX0190 Flammable liquid.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Allen, D. P. Handbook of Metathesis. , Wiley-VCM, Weinheim. Chapter 5 (2015).
  2. Vougioukalakis, G. C. Removing Ruthenium Residues from Olefin Metathesis Reaction Products. Chemistry-A European Journal. 18 (29), 8868-8880 (2012).
  3. Hartwig, J. F. Organotransition Metal Chemistry: From Bonding to Catalysis. , University Science Books, Sausalito. Chapter 14 (2010).
  4. Lehn, J. M. Toward complex matter: Supramolecular chemistry and self-organization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (8), 4763-4768 (2002).
  5. Chen, G., Jiang, M. Cyclodextrin-based inclusion complexation bridging supramolecular chemistry and macromolecular self-assembly. Chemical Society Reviews. 40 (5), 2254-2266 (2011).
  6. Ma, X., Zhao, Y. Biomedical Applications of Supramolecular Systems Based on Host-Guest Interactions. Chemical Reviews. 115 (15), 7794-7839 (2015).
  7. Shetty, D., Khedkar, J. K., Park, K. M., Kim, K. Can we beat the biotin-avidin pair?: cucurbit[7]uril-based ultrahigh affinity host-guest complexes and their applications. Chemical Society Reviews. 44 (23), 8747-8761 (2015).
  8. Schmidt, B. V. K. J., Barner-Kowollik, C. Dynamic Macromolecular Material Design-The Versatility of Cyclodextrin-Based Host-Guest Chemistry. Angewandte Chemie International Edition. 56 (29), 8350-8369 (2017).
  9. Khan, A. R., Forgo, P., Stine, K. J., D'Souza, V. T. Methods for Selective Modifications of Cyclodextrins. Chemical Reviews. 98 (5), 1977-1996 (1998).
  10. Szejtli, J. Introduction and General Overview of Cyclodextrin Chemistry. Chemical Reviews. 98 (5), 1743-1754 (1998).
  11. Li, J., Loh, X. J. Cyclodextrin-based supramolecular architectures: Syntheses, structures, and applications for drug and gene delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (9), 1000-1017 (2008).
  12. Crini, G. Review: A History of Cyclodextrins. Chemical Reviews. 114 (21), 10940-10975 (2014).
  13. Zhang, Z. X., Liu, K. L., Li, J. A Thermoresponsive Hydrogel Formed from a Star-Star Supramolecular Architecture. Angewandte Chemie International Edition. 52 (24), 6180-6184 (2013).
  14. Harada, A., Takashima, Y., Nakahata, M. Supramolecular Polymeric Materials via Cyclodextrin-Guest Interactions. Accounts of Chemical Research. 47 (7), 2128-2140 (2014).
  15. Ballester, P., Vidal-Ferran, A., van Leeuwen, P. W. N. M. Modern Strategies in Supramolecular Catalysis. Advances in Catalysis. 54 (1), 63-126 (2011).
  16. Raynal, M., Ballester, P., Vidal-Ferran, A., van Leeuwen, P. W. N. M. Supramolecular catalysis. Part 1: non-covalent interactions as a tool for building and modifying homogeneous catalysts. Chemical Society Reviews. 43 (5), 1660-1733 (2014).
  17. Szente, L., Szemán, J. Cyclodextrins in Analytical Chemistry: Host-Guest Type Molecular Recognition. Analytical Chemistry. 85 (17), 8024-8030 (2013).
  18. Fourmentin, S., Ciobanu, A., Landy, D., Wenz, G. Space filling of β-cyclodextrin and β-cyclodextrin derivatives by volatile hydrophobic guests. Beilstein Journal of Organic Chemistry. 9, 1185-1191 (2013).
  19. Astruc, D. Olefin Metathesis: Theory and Practice. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken. Chapter 1 (2014).
  20. Samojłowicz, C., Bieniek, M., Grela, K. Ruthenium-Based Olefin Metathesis Catalysts Bearing N-Heterocyclic Carbene Ligands. Chemical Reviews. 109 (8), 3708-3742 (2009).
  21. Vougioukalakis, G. C., Grubbs, R. H. Ruthenium-Based Heterocyclic Carbene-Coordinated Olefin Metathesis Catalysts. Chemical Reviews. 110 (3), 1746-1787 (2010).
  22. Herbert, M. B., Grubbs, R. H. Z-Selective Cross Metathesis with Ruthenium Catalysts: Synthetic Applications and Mechanistic Implications. Angewandte Chemie International Edition. 54 (17), 5018-5024 (2015).
  23. Maier, M. E. Synthesis of Medium-Sized Rings by the Ring-Closing Metathesis Reaction. Angewandte Chemie International Edition. 39 (12), 2073-2077 (2000).
  24. Clavier, H., Grela, K., Kirschning, A., Mauduit, M., Nolan, S. P. Sustainable Concepts in Olefin Metathesis. Angewandte Chemie International Edition. 46 (36), 6786-6801 (2007).
  25. Cho, J. H., Kim, B. M. An Efficient Method for Removal of Ruthenium Byproducts from Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 5 (4), 531-533 (2003).
  26. Skowerski, K., Gułajski, Ł Olefin Metathesis: Theory and Practice. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken. Chapter 25 (2014).
  27. Committee for medicinal products for human use (CHMP). Guideline on the specification limits for residues of metal catalysts or metal reagents (Doc.Ref. EMEA/CHMP/SWP/4446/2000). , European Medicines Agency. London. 1-34 (2008).
  28. Maynard, H. D., Grubbs, R. H. Purification technique for the removal of ruthenium from olefin metathesis reaction products. Tetrahedron Letters. 40 (22), 4137-4140 (1999).
  29. Paquette, L. A., et al. A Convenient Method for Removing All Highly-Colored Byproducts Generated during Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 2 (9), 1259-1261 (2000).
  30. Ahn, Y. M., Yang, K., Georg, G. I. A Convenient Method for the Efficient Removal of Ruthenium Byproducts Generated during Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 3 (9), 1411-1413 (2001).
  31. Westhus, M., Gonthier, E., Brohm, D., Breinbauer, R. An efficient and inexpensive scavenger resin for Grubbs' catalyst. Tetrahedron Letters. 45 (15), 3141-3142 (2004).
  32. McEleney, K., Allen, D. P., Holliday, A. E., Crudden, C. M. Functionalized Mesoporous Silicates for the Removal of Ruthenium from Reaction Mixtures. Organic Letters. 8 (13), 2663-2666 (2006).
  33. Galan, B. R., Kalbarczyk, K. P., Szczepankiewicz, S., Keister, J. B., Diver, S. T. A Rapid and Simple Cleanup Procedure for Metathesis Reactions. Organic Letters. 9 (7), 1203-1206 (2007).
  34. Michrowska, A., et al. A green catalyst for green chemistry: Synthesis and application of an olefin metathesis catalyst bearing a quaternary ammonium group. Green Chemistry. 8 (8), 685-688 (2006).
  35. Skowerski, K., et al. Easily removable olefin metathesis catalysts. Green Chemistry. 14 (12), 3264-3268 (2012).
  36. Kosnik, W., Grela, K. Synthesis of functionalised N-heterocyclic carbene ligands bearing a long spacer and their use in olefin metathesis. Dalton Transactions. 42 (20), 7463-7467 (2013).
  37. Hong, S. H., Grubbs, R. H. Efficient Removal of Ruthenium Byproducts from Olefin Metathesis Products by Simple Aqueous Extraction. Organic Letters. 9 (10), 1955-1957 (2007).
  38. Kim, C., Ondrusek, B. A., Chung, H. Removable Water-Soluble Olefin Metathesis Catalyst via Host-Guest Interaction. Organic Letters. 20 (3), 736-739 (2018).
  39. Hong, S. H., Wenzel, A. G., Salguero, T. T., Day, M. W., Grubbs, R. H. Decomposition of Ruthenium Olefin Metathesis Catalysts. Journal of the American Chemical Society. 129 (25), 7961-7968 (2007).
  40. Qi, M., Chew, B. K. J., Yee, K. G., Zhang, Z. X., Young, D. J., Hor, T. S. A. A catch-release catalysis system based on supramolecular host-guest interactions. RSC Advances. 6 (28), 23686-23692 (2016).

Tags

Kemi spørgsmålet 138 vært-gæst interaktion vandopløselige homogen katalyse heterogene fjernelse katalysator fjernelse metathesis
Heterogene fjernelse af vandopløselige Ruthenium Olefin Metathesis katalysator fra vandige medier Via vært-gæst interaktion
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, C., Chung, H. Heterogeneous… More

Kim, C., Chung, H. Heterogeneous Removal of Water-Soluble Ruthenium Olefin Metathesis Catalyst from Aqueous Media Via Host-Guest Interaction. J. Vis. Exp. (138), e58067, doi:10.3791/58067 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter