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Chemistry

Photogeneration di carbeni N-eterociclico: applicazione a polimerizzazione per metatesi anello-apertura fotoindotti

Published: November 29, 2018 doi: 10.3791/58539
Automatic Translation
1, 1, 1, 2,3, 2,3, 2,3, 4, 4
1ICGM, Université de Montpellier, CNRS, ENSCM, 2Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M UMR 7361 CNRS), Université de Haute-Alsace, 3Université de Strasbourg, 4Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (LCPO UMR 5629 ENSCBP), Université de Bordeaux

Summary

Descriviamo un protocollo a photogenerate N-eterociclico carbeni (riferimento) da irradiazione UV di un sistema di sale 2-isopropiltioxantone/imidazolio tetrafenilborato. Metodi per caratterizzare il photoreleased NHC e delucidare il meccanismo fotochimico sono proposti. I protocolli per fotopolimerizzazione di metatesi di anello-apertura in soluzione e miniemulsion illustrano il potenziale di questo sistema di photogenerating NHC 2 componenti.

Abstract

Segnaliamo un metodo per generare il N-eterociclico carbene (NHC) 1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene (IME) sotto irradiazione UV 365 nm per caratterizzare gli IME e determinare il corrispondente meccanismo fotochimico. Quindi, descriviamo un protocollo per eseguire la polimerizzazione di anello-apertura metatesi (ROMP) in soluzione ed in miniemulsion utilizzando questo sistema di NHC-photogenerating. A photogenerate IME, è impiegato un sistema composto da 2-isopropiltioxantone (ITX) come il sensibilizzatore e 1,3-dimesitylimidazolium tetrafenilborato (IMesH+BPh4–) come la forma protetta di NHC. IMesH+BPh4– può essere ottenuta in un unico passaggio di scambio anionico tra 1,3-dimesitylimidazolium cloruro e Sodio tetrafenilborato. Una configurazione in tempo reale allo steady-state fotolisi è descritto, che allude che la reazione fotochimica procede in due fasi successive: 1) ITX tripletto è foto-ridotto dall'anione borato e trasferimento di protone 2) successiva avviene dal catione imidazolio per produrre gli attesi IME di NHC. Vengono implementati due protocolli di caratterizzazione separata. In primo luogo, CS2 viene aggiunto il supporto di reazione all'evidenza del complesso photogeneration di NHC mediante formazione di IME-CS2 . In secondo luogo, la quantità di NHC rilasciato in situ è quantificata mediante titolazione acido-base. L'uso di questo sistema di generazione di foto NHC per ROMP di norbornene inoltre è discussa. In soluzione, un esperimento di fotopolimerizzazione è condotto da mescolando ITX, BPh IMesH+4–, [RuCl2(p-cimene)]2 e norbornene CH2Cl2, poi irradiando la soluzione in un UV reattore. In un mezzo disperso, un miniemulsion di monomero viene prima formata poi irradiato all'interno di un reattore anulare per produrre un lattice di poly(norbornene) stabile.

Introduction

In chimica, specie carbeni (riferimento) N-eterociclico soddisfare il duplice ruolo di ligando e organocatalyst1. Nel primo caso, l'introduzione di riferimento ha provocato il design di catalizzatori di metalli di transizione con attività migliorata e stabilità2. In quest'ultimo caso, il riferimento hanno dimostrato di essere superiore catalizzatori per reazioni organiche collettore3,4. Nonostante questa versatilità, la gestione di riferimento nudo è ancora una sfida significativa5e produrre questi composti altamente reattivi, quindi sono uscito in situ e "on demand" è un obiettivo molto interessante. Di conseguenza, diverse strategie sono state sviluppate per rilasciare NHC dei media di reazione che si basano principalmente sull'uso di progenitori termolabile6,7,8. Sorprendentemente, mentre questo potrebbe scatenare una generazione romanzo di fotoiniziata reazioni utili per sintesi macromolecolare o chimica organica preparativa6, generazione usando la luce come stimolo è stato esplorato a malapena. Un primo sistema di generazione di foto in grado di produrre NHC ha recentemente svelato9. Si compone di 2 componenti: 2-isopropiltioxantone (ITX) come specie e 1,3-dimesitylimidazolium fotosensibile tetrafenilborato (IMesH+BPh4–) come NHC protetto forma. Di conseguenza, nei paragrafi seguenti, segnaliamo un metodo per generare il NHC 1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene (IME) sotto irradiazione UV 365 nm, lo caratterizzano e determinare il meccanismo fotochimico. Quindi, descriviamo un protocollo per eseguire la polimerizzazione di anello-apertura metatesi (ROMP) in soluzione ed in miniemulsion utilizzando questo sistema di photogenerating NHC.

Nella prima parte, segnaliamo un protocollo di sintesi per la produzione di IMesH+BPh4–. Questo protocollo è basato su metatesi di anione tra il corrispondente cloruro di imidazolio (IMesH+Cl–) e Sodio tetrafenilborato (NaBPh4). Quindi, per dimostrare la formazione in situ di NHC, due protocolli che coinvolgono l'irradiazione a 365 nm di un IMesH+BPh4–/ITX soluzione in un photoreactor sono descritti. Il primo consiste nel monitorare la deprotonazione del catione imidazolio IMesH+ mediante spettroscopia NMR H 1. Prova diretta per formazione di NHC desiderata (IME) è fornito in un secondo metodo, dove l'addotto IMes-CS2 è correttamente isolata, purificato e caratterizzato.

La seconda sezione descrive due protocolli che fanno luce sul meccanismo della fotochimico che coinvolge il sistema di bi-componente photogenerating NHC BPh IMesH+4–/ITX. In primo luogo, un originale esperimento di fotolisi in tempo reale allo stato stazionario rivela che il trasferimento di elettroni è indotta da foto-eccitazione di ITX in presenza di tetrafenilborato. Proprietà di donatore di elettrone di questo di anione borato10 unità un photoreduction di 3ITX * eccitato-stato di tripletto in anione radicale di ITX●– attraverso una cosiddetta reazione foto-sensibilizzato. La formazione di NHC conferma che specie ITX●– può ulteriormente astratto un protone da IMesH+ per produrre la NHC desiderata. Basa sulla titolazione acido/base utilizzando l'indicatore di pH rosso fenolo come titolante, un secondo protocollo originale viene implementato che permette la determinazione del rendimento di NHC rilasciato.

Nella terza sezione, descriviamo un protocollo in cui i suddetti fotogenerati IME possono essere sfruttata in fotopolimerizzazione. Di primario interesse è la polimerizzazione di anello-apertura metatesi (ROMP), perché questa reazione è ancora in una fase preliminare di sviluppo per quanto riguarda photoinitiation11,12. Inizialmente limitato a complessi di tungsteno mal definiti e altamente sensibili, fotoindotti ROMP (photoROMP) sono stata estesa a più stabili complessi basati su metalli di transizione W, Ru e Os. Nonostante la varietà di precatalizzatori, quasi tutti i processi di photoROMP si basano sull'eccitazione diretta di un singolo precatalyst fotoattivi13. Al contrario, usiamo radiazione per creare il ligando di imidazolidene NHC (IME), che può successivamente reagire con un precatalyst di Ru non fotoattivi [RuCl2(p-cimene)]2 dimero9. In questo metodo, il photogeneration del ligando NHC unità, la formazione in situ di un complesso NHC altamente attiva rutenio-arene noto come RuCl2(p-cymene)(IMes) (catalizzatore dei Noëls)14,15. Utilizzando questa metodologia indiretta, vengono eseguiti due distinte photoROMP esperimenti di norbornene (Nb): 1) in soluzione (diclorometano) e 2) nel sistema acquoso disperso da un monomero miniemulsion16.

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Protocol

1. NHC Photogenerating sistema: Sintesi e reattività

  1. Sintesi di 1,3-dimesitylimidazolium tetrafenilborato (IMesH+BPh4–)
    1. Preparazione della soluzione di cloruro di 1,3-dimesitylimidazolium (IMesH+Cl–) in etanolo.
      1. Aggiungere 1,00 g (2,93 mmol) di 1,3-dimesitylimidazolium cloruro di un pallone da equipaggiato con un ancoretta 50 mL.
      2. Sciogliere il cloruro di 1,3-dimesitylimidazolium in 30 mL di etanolo.
    2. Preparazione della soluzione di Sodio tetrafenilborato (NaBPh4) in etanolo.
      1. Aggiungere 1,35 g (3.92 mmol) di Sodio tetrafenilborato di un pallone da equipaggiato con un ancoretta 50 mL.
      2. Sciogliere il tetrafenilborato di sodio in 30 mL di etanolo.
    3. Generazione di 1,3-dimesitylimidazolium tetrafenilborato (IMesH+BPh4–)
      1. (Goccia a goccia) aggiungere la soluzione di tetrafenilborato di sodio nella soluzione di cloruro di 1,3-dimesitylimidazolium sotto agitazione.
      2. Mescolare la miscela di reazione per 10 min a temperatura ambiente.
      3. Rimuovere la barra di mescolare e filtrare il precipitato bianco usando un filtro di vetro sinterizzato e vuoto di formato del poro 3.
      4. Lavare il precipitato con 30 mL di etanolo e filtrare (filtro di vetro sinterizzato con dimensione dei pori 3). Lavare il precipitato con 30 mL di acqua deionizzata e filtrare (filtro di vetro sinterizzato con dimensione dei pori 3).
      5. Asciugare il precipitato bianco a 60 ° C per 15 h. analizza il prodotto da 1H e 13C NMR in DMSO-d6 secondo procedure precedentemente segnalati9.
  2. Photogeneration di NHC 1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene, noto anche come IME, da irradiazione UV del tetrafenilborato di dimesitylimidazolium in presenza di isopropiltioxantone (ITX)
    1. Aggiungere 39 mg (0.062 mmol, 2 equiv.) di 1,3-dimesitylimidazolium tetrafenilborato, 7,8 mg (0.031 mmol, 1 equiv.) di ITX e 0,5 mL di THF deuterato (memorizzato in precedenza sopra 3 setacci molecolari Å) in un tubo NMR.
    2. Collocare la provetta NMR all'interno del reattore fotochimico accessoriata con una serie circolare di 16 tubi fluorescenti che emettono una radiazione monocromatica a 365 nm e irradiare per 10 min.
  3. Monitoraggio di deprotonazione di IMesH BPh4– +dalla spettroscopia NMR H 1
    1. Analizzare la deprotonazione di IMesH+ nell'IME di 1H NMR.
      Nota: 1gli spettri RMN di H sono stati registrati a 25 ° C su uno spettrometro NMR operante a 400 che MHz. TMS è stato usato come standard interno per calibrare gli spostamenti chimici in 1H NMR.
      1. Calibrare i parametri di integrazione così che nel singoletto di 1H NMR spettri il CH3 di tetrafenilborato di 1,3-dimesitylimidazolium (δ = 2,0 ppm) corrisponde a sei.
      2. Determinare il valore di integrazione della zona di segnale -N N-CH(δ = 8,4-9,4 ppm) al fine di valutare il grado di deprotonazione IMesH+ . Il valore di integrazione dovrebbe variare da 1 (quando si è verificato nessun deprotonazione, prima irradiazione) a 0 (quando è stata eseguita completa deprotonazione di IMesH+ ).
  4. Formazione, isolamento e caratterizzazione dell'addotto di 1,3-dimesitylimidazoliumdithio-carbossilato (IME-CS2)
    1. Aggiungere 0,02 mL di solfuro di carbonio nel tubo NMR come irradiato. Le modifiche di mezzi di reazione di colore da arancio/marrone a rosso scuro, che indica la formazione della IMes-CS2 del complesso.
    2. Lasciare reagire per 12 h. Un rosso del complesso precipitate forme assegnate all'IME-CS2 .
    3. Filtrare il precipitato rosso (filtro di vetro sinterizzato con dimensione dei pori 3) e asciugare con aria a temperatura ambiente per 12 h.
    4. Solubilizzare il rosso solido in 0,5 mL di DMSO deuterato. Confermare la struttura chimica di 1H e 13C NMR spettroscopia.
      Attenzione: il disolfuro di carbonio è altamente tossico e deve essere maneggiato con cura sotto cappa aspirante.

2. fotochimica meccanismo

  1. In tempo reale photobleaching di IMesH+BPh4–/ITX
    1. Preparare una soluzione madre di ITX aggiungendo 0,76 mg (3 x 10-3 mmol) di ITX a 15 mL di acetonitrile asciutto (memorizzato in precedenza sopra setacci molecolari 3Å).
    2. Trasferimento 3 mL di soluzione ITX in una cella di quarzo UV è ricoperta da un tappo di gomma contenente 1,10 mg di IMesH+BPh4– (1,8 x 10-3 mmol) e un micromagnet di agitazione. Il rapporto molare ITX:IMesH+BPh4– è 1:3.
    3. Degassare la soluzione di bubbling azoto per 10 min, poi irradiare la soluzione alle 365 nm con una lampada Hg-Xe di media pressione sotto agitazione continua (63 mW cm-2, potenza di 75 mW).
    4. Monitorare il cambiamento di capacità di assorbimento UV 365 nm durante l'irradiazione utilizzando uno spettrometro dopo aver superato un fascio trasmesso degli attinidi.
    5. Applicare la stessa procedura (procedura 2.1.1-2.1.4) per altri esperimenti, ma sostituire IMesH BPh4– +con altri quenchers: IMesH+Cl– (0,61 mg, 1.8 x 10-3 mmol) o NaBPh4 (0,62 mg, 1,8 x 10-3 mmol).
  2. Quantificazione di fotogenerati NHC di titolazione spettrofotometrica
    1. Aggiungere 1,85 mg di dimesitylimidazolium tetrafenilborato (3 x 10-4 mmol, 3 equiv.) e 0,25 mg di ITX (10-4 mmol, 1 equiv.) a 10 mL di acetonitrile asciutto.
    2. Trasferire 2 mL di questa soluzione preparata in una cella di quarzo spettroscopiche convenzionali innevata con un setto di gomma.
    3. Eliminare la miscela incolore con azoto prima di esporre la cuvetta per riflettori 365 nm LED (potere di 65 mW) per 1 min.
    4. Dopo ogni irradiazione, aggiungere gradualmente porzioni di 0,1 mL di soluzione di phenol red (PR) (2 x 10-4 M in acetonitrile asciutto) nella cuvetta. Questa soluzione di titolazione quest'ultima è stata preparata in anticipo.
    5. Registrare uno spettro UV-vis dopo ogni aggiunta di 0,1 mL di soluzione di PR fino a 1 mL.
      Nota: La soluzione di indicatore è inizialmente trasparente e contiene il modulo bis-protonata H2PR Dopo tale aggiunta, reazione acido-base con NHC provoca la formazione di anione bivalente rosa PR2 - con un assorbimento massimo a 580 nm. Tracciare l'assorbanza a 580 nm in funzione del volume titolante dà due che si intersecano linee rette, indicative dell'endpoint titolazione.
    6. Ripetere la stessa procedura (procedura 2.2.1-2.2.5) con lo stesso ITX/IMesH+BPh4– soluzione irradiati per tempi più lunghi: 2 min, 5 min e 10 min. Per ogni volta, deve essere preparato un nuovo campione di IMesH+PH4–/ITX.
      Nota: presso il punto di equivalenza nella titolazione acido-base:
      Equation 1(1)
      Dove Equation 2 è la concentrazione di fotogenerati IME rilasciati in cuvetta UV, V è il volume iniziale di IMesH+soluzione di BPh4–/ITX, [PR] è la concentrazione di PR e Veq è il volume totale di PR aggiunto nella cuvetta UV nel punto finale di titolazione. Di conseguenza, il rendimento della IMes rilasciati in seguito ad irradiazione di IMesH+soluzione di BPh4–/ITX si ottiene dall'equazione (2):
      Equation 5(2)
      Dove Equation 6 è la concentrazione iniziale di IMesH+BPh4–.
      Viene verificata la validità del metodo di titolazione di una soluzione gratuita di IME (1 x 10-4 M in acetonitrile) utilizzando una soluzione di acetonitrile PR simile come un titolante (2 x 10-4 M).

3. fotoindotti anello-apertura metatesi polimerizzazione

  1. PhotoROMP di Nb in soluzione
    1. Aggiungere 1 g (11 mmol, 540 equiv.) di Nb, 120 mg (0.196 mmol, 10 equiv.) di 1,3-dimesitylimidazolium tetrafenilborato, 12mg (19,6 mmol, 1 equiv.) di dichloro(para-cymene) dimero di rutenio e 25 mg (0.098 mmol, 5 equiv.) di ITX in una provetta da 20 mL dotata di una barra per l'agitazione.
    2. Sciogliere i solidi in 10 mL di diclorometano e richiudere la provetta con un setto di gomma.
    3. Eliminare la miscela di gas azoto bubbling attraverso un ago di siringa per 15 min.
    4. Posizionare il tubo all'interno del reattore fotochimico accessoriato con una serie circolare di 16 lampade fluorescenti (emissione a 365 nm) e irradiare per 10 min. La soluzione diventa viscosa, che indica che polyNb di alto peso molecolare è formata.
    5. Precipitare il polimero versando la soluzione in 300 mL di metanolo.
    6. Filtrare il polimero (filtro di vetro sinterizzato con dimensione dei pori 3) e asciugare a 60 ° C per 8 h.
    7. Analizzare il polimero da 1H NMR secondo procedure segnalato9 sciogliendo circa 10 mg di polimero in 0,5 mL di CD2Cl2.
    8. Analizzare il polimero di cromatografia di esclusione di dimensione secondo procedure segnalato9, usando il THF come eluente e sciogliere 10 mg di polimero in 1 mL di THF.
  2. PhotoROMP di Nb in miniemulsion
    1. Preparazione di miniemulsion Nb.
      1. Sciogliere 15,0 g di neutro tensioattivo poliossietilene (100) stearil etere 150 mL di acqua milliQ
      2. Introdurre la fase acquosa nell'anulare LED photoreactor chiuso con il setto di gomma e posizionare il reattore sotto la sonda di sonicazione ermetico.
      3. Degassare la soluzione di bubbling azoto durante 1h.
      4. Mescolare 4,94 g di Nb (5.2 x 10-2 mol; 510 equiv.; 25% w), 2,85 mL di esadecano (10% w) e 6 mL di dicloroetano (32,5% w) in un pallone da chiuso con un rotaflo 50 mL. Degassare la soluzione con un ciclo di congelamento-pompa-scongelamento.
      5. Aggiungere 6 mL di dicloroetano (32,5% w) in un secondo pallone a sfondo sferico 50 mL chiuso con un rotaflo. Degassare la soluzione di gelività pompa. Aggiungere 162 mg di 1,3-dimesitylimidazolium tetrafenilborato (2.6 x 10-4 mol, 5 equiv.), 33 mg di ITX (1,3 10-4 mol, 2.5 equiv.) e 30 mg di dichloro(p-cymene)ruthenium(II) dimero (4.9 x 10-5 mol, 1 equiv.) sotto atmosfera inerte ( glovebox) al pallone.
      6. Mescolare le due soluzioni organiche contenente il monomero e la miscela catalitica sotto un flusso di azoto e introdurre 15 g di soluzione finale organica all'interno di photoreactor, contenente la fase acquosa sotto agitazione.
      7. Mescolare le due fasi durante 1h per formare una macroemulsione ruvido. Sottoporre ad ultrasuoni durante 10 min (potenza 50%; il tempo di impulso: 5 s, tempo di riposo: 5 s) per formare il miniemulsion.
    2. Miniemulsion di fotopolimerizzazione di NB.
      1. Sostituire la sonda di sonicazione ermetico dalla lampada LED equipaggiato con un sistema di raffreddamento ad acqua e protetto da un tubo di rivestimento sotto un flusso di azoto.
      2. Posizionare il reattore chiuso dentro il photocabinet per evitare l'esposizione ai raggi UV.
      3. Irradiare il miniemulsion di monomero per 100 min ottenere lattice polimero. Durante l'irradiazione, dimensione delle particelle e monomero conversione può essere determinato come spiegato di seguito.
    3. Determinazione della dimensione delle particelle, conversione e peso molecolare.
      1. Raccogliere 4 mL di campione di miniemulsion durante il processo di irradiazione.
      2. Aggiungere 20 µ l di miniemulsion in una provetta di vetro contenenti 5 mL di acqua per preparare un campione diluito di 250 x per analisi granulometrica di dispersione della luce dinamica (DLS).
      3. Sciogliere 100 µ l di miniemulsion in 500 µ l di THF per misurare la conversione di Nb mediante gascromatografia (GC), con esadecano come standard interno (tempi di ritenzione di GC: tGCNb = 1,77 min; tGCdodecano = min 13,25).
      4. Precipitare il resto del campione in 20 mL di acetone. Filtrare il polimero. Asciugare il polimero sotto vuoto e misurare il peso molecolare di cromatografia di esclusione di formato (SEC) [SEC in tetraidrofurano (THF) (1 mL min-1) con triclorobenzene, come l'indicatore di flusso, utilizzando sia rifrattometrico e rivelatori UV].
        ATTENZIONE (parte 1-3): possibilmente pericolose fonti di luce che emettono nell'intervallo visibile e UV vengono utilizzati in esperimenti descritti. Queste lampade possono presentare un rischio ragionevolmente prevedibile di danneggiare gli occhi e la pelle dei membri del laboratorio. Di conseguenza, tutte le misure possibili dovrebbero essere messo in atto dallo sperimentatore per ridurre i rischi al più basso come è ragionevolmente praticabile. Un elenco di misure comuni include l'isolamento della fonte luminosa all'interno di un protettivo corpo (photocabinet, per esempio), formazione di tutti i lavoratori, posizionando le pericolose fonti di luce in laboratori ben designati o cappe con accesso limitato, fornisce ingranaggi di sicurezza adeguati (occhiali di sicurezza blocco irradiazione UVA sono sufficienti per tutti descritti protocolli) e mostrano segni di avvertimento e di sicurezza adeguati.

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Representative Results

Passo 1.1 descrive la metatesi di anione efficiente tra 1,3-dimesitylimidazolium cloruro (IMesH+Cl–) e Sodio tetrafenilborato (NaBPh4) per produrre 1,3-dimesitylimidazolium tetrafenilborato (IMesH+BPh 4–). Il photolatent desiderato NHC è ottenuta in ottima resa (98%). La figura 1 Mostra 1H e 13spettri RMN di C, entrambe a testimonianza che un prodotto puro che esibiscono la struttura corretta è ottenuto.

1.2 passaggio viene descritto come generare gli IME N-HC irradiando la miscela IMesH+BPh4–/ITX (2/1 equiv.) in soluzione di THF-d8 .

1.3 passaggio dimostra che è possibile valutare la conversione di IMesH+ in IME monitorando la deprotonazione di IMesH+BPh4– mediante spettroscopia NMR H 1. La figura 2 Mostra che protone Hun (8,63 ppm, Figura 2a) sul carbonio 2 adiacente ai due atomi di azoto scompare parzialmente dopo 10 min irradiazione (53%, Figura 2b). La reazione è stata eseguita da irradiando la miscela IMesH+BPh4–/ITX (2/1 equiv.) in soluzione di THF-d8 .

Passo 1.4 dimostra che è possibile isolare il NHC formata facendo reagire il mezzo come irradiato (Vedi protocollo 1.2) con CS2. Il precipitato rosso formato in THF -d8 è raccolto, essiccato e dissolto in DMSO -d6. Come si può vedere nello spettro 13C NMR (Figura 2C), tutte le risonanze caratteristiche sono coerenti con gli IME-CS2 del complesso. Questo risultato conferma indirettamente la generazione in situ di NHC IMes mirati.

Fase 2.1: Thioxanthone derivati costituiscono una classe ben consolidata di fotoiniziatori impiegato generalmente in combinazione con un secondo componente indicato come "co-iniziatori". Loro spettri di assorbimento vengono visualizzati con un massimo nell'intervallo di 340-420 nm. La natura co-dell'iniziatore del determina il meccanismo di apertura. Sono state descritte tre meccanismi di iniziazione generali: 1) trasferimento di energia tripletto-tripletto (in questo caso, da 3ITX * a 3BPh4–*); 2) trasferimento di elettroni da donatore di elettroni BPh4– 3ITX *; e 3) diretto astrazione H di IMesH+ da 3ITX *. Il meccanismo 1 può essere scartato poiché l'energia di tripletto ordine ET(BPh4–) > ET(ITX) è stabilito dalla procedura di calcolo convenzionale.

Fase 2.1 fornisce la prova per quanto riguarda se meccanismo 2 o 3 è in funzione. La figura 3 Mostra l'evoluzione dei valori di assorbenza della caratteristica banda di assorbimento di ITX a 365 nm durante l'irradiazione per le tre miscele differenti bicomponente: IMesH+BPh4–/ITX, IMesH+Cl–/ITX, e NaBPh4/ITX. L'assenza di decadimento per IMesH+Cl– sostiene l'incapacità per l'ITX elettronicamente eccitato di astrarre un idrogeno dal catione imidazolio (meccanismo 3). Al contrario, photobleaching di ITX è visibile nei due sistemi contenenti gli anioni di BPh4– ; anche se i tassi di decadimento sono differenti in questi due casi. Questo risultato sottolinea il ruolo fondamentale svolto dall'anione tetrafenilborato. Di conseguenza, il photoreduction di ITX di tetrafenilborato (meccanismo 2) ha dimostrato di essere il principale passo nella formazione di NHC. Nella figura 4 viene visualizzato un meccanismo ipotetico e completo, in cui l'anione radicale di ITX●– astratto maggio un protone da IMesH+ per rilasciare gli IME NHC gratis.

Passaggio 2.2 mostra evidenze a favore di questo meccanismo. Questo metodo rivela il progressivo rilascio di NHC durante l'irradiazione. È un metodo per determinare la quantità di NHC rilasciato basato sulla titolazione acido-base mediante indicatore di pH rosso fenolo (PR) come titolante. Dopo 5 min di irradiazione (Figura 5) e un esperimento di controllo gratuito degli IME consente la convalida del metodo, si ottiene un rendimento massimo del 50%.

Fase 3.1 descrive photoROMP NB (540 equiv.) in diclorometano usando una miscela di photolatent composta da IMesH+BPh4–/ITX (10/5 equiv.) (per produrre gli IME NHC) e il ben noto inattivo [RuCl2(p-cimene)]2 dimero (1 equiv.). È riconosciuto che la semplice reazione di precatalyst di Ru con il ligando imidazolidene IMesis un mezzo per produrre in situ altamente attiva rutenio-arene complesso RuCl2(p-cymene)(NHC), noto anche come catalizzatore dei Noëls. L'irradiazione avviene in un reattore convenzionale fotochimico (λmax = 365 nm) a temperatura ambiente. Conversione completa viene raggiunta dopo soli 10 min di irradiazione come misurata dalla spettroscopia di 1H NMR (Figura 6), suggerendo la formazione di successo del complesso altamente attiva rutenio-arene recanti un ligando NHC. In aggiunta, polyNb [con un peso molecolare medio numerico di 288 kDa e valori relativamente stretta dispersità (Ð = 1.5)] è ottenuta come determinato da cromatografia di esclusione di formato.

Passo 3.2 descrive una procedura di photoROMP di miniemulsion. Si ottengono alte conversioni (70-80%) (Figura 7). Come si può vedere nella Figura 8, la dimensione di goccia iniziale misurata da DLS è 92 nm. Le particelle finali presentano una dimensione di 102 nm (0.140) vicino alla dimensione iniziale della gocciolina. TEM osservazioni mostrano perfettamente sferiche particelle con dimensioni in accordo con dati di liste di distribuzione.

Figure 1
Figura 1: Caratterizzazione NMR di IMesH+BPh4–. (a) Spettro 1H NMR 1in DMSO -d6 (400 MHz) di 1,3-dimesitylimidazolium tetrafenilborato (IMesH+BPh4–), δppm : 2.13 (s, 12h), 2,36 (s. 6 H), 6,69 (t, 4h), 7,17 (m, 20 H), 8,27 (s, 2 H), 9,64 (s, 1H,); (b) 13C lo spettro NMR dello stesso composto in DMSO -d6 (100 MHz), δppm : 16,58, 20,23, 121,35, 124.49, 125.02, 129.24, 130.29, 134.00, 135.35, 138.19, 140,06, 162.58. Tm = 212 ° C (DSC). Questa figura è stata modificata da una precedente pubblicazione9. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: NMR monitoraggio di BPh IMesH+4– deprotonazione e successiva sintesi di IME-CS2. Spettri NMR H 1di IMesH+BPh4–/ITX (2/1 equiv.) miscelaIn THF -d8 (a) prima dell'esposizione ai raggi UV e (b) dopo irradiazione di 10 min a 365 nm (0.12 mW cm-2) in un reattore fotochimico; vengono mostrati (c) 13spettri RMN di C in DMSO -d6 del precipitato recuperato dopo l'aggiunta di CS2. Questa figura è stata modificata da una precedente pubblicazione9. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: prova per fotolisi meccanismo. Esperimenti di Real-Time photobleaching in acetonitrile (irradiazione: 365 nm, 63 mW cm-2): ITX e ITX con tre differenti quenchers: IMesH+Cl–, NaBPh4e BPh IMesH+4–. ITX: rapporto molare quencher è 1:3. ([ITX] = 2,0 x 10-4 M). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Photomechanism via agli IME. Meccanismo di fotolisi di IMesH+sistema tandem BPh4–/ITX. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: quantificazione dell'importo di IME rilasciato. (a) cambiamento di spettri UV-Vis di una soluzione di acetonitrile di IMesH+BPh4– (3.0 x 10-4 M) e ITX (1 x 10-4 M) irradiati per 2 min (LED, 365 nm, 65 mW cm-2) con l'aggiunta graduale di PR (2 x 10-4 M); (b) plot di titolazione Mostra l'assorbanza a 580 nm per la stessa soluzione irradiata a 1, 2 o 5 min in funzione del volume di PR (titolante). L'inserto dà la resa di riferimento dedotta dalla curva di titolazione spettrofotometrica fotogenerati. Questa figura è stata modificata da una precedente pubblicazione9. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: PhotoROMP nella soluzione. 1 Spettro 1H NMR in CD2Cl2 (400 MHz) di fotopolimerizzazione a mezzo di reazione (a) prima di irradiazione e (b) dopo irradiazione di 10 min a 365 nm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: evoluzione del photoROMP in miniemulsion con il tempo. Conversione di NB in funzione del tempo di irradiazione in miniemulsion photoROMP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8: caratterizzazione delle particelle polyNb. Vengono mostrati dati di liste di distribuzione (in alto) di lattice di miniemulsion e polyNb Nb ottenuti dopo la fotopolimerizzazione. Microfotografia TEM di lattice finale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Segnalato qui è un protocollo semplice e versatile per la generazione in situ di NHC all'irradiazione UV 365 nm. La reazione di scambio anionico tra 1,3-dimesitylimidazolium cloruro e Sodio tetrafenilborato offre un facile accesso a NHC protetto da IMesH+BPh4– in resa quantitativa. Tuttavia, se si utilizza un'altra partenza imidazolio sale, il solvente impiegato per eseguire la reazione di metatesi dovrebbe scelto con cura così da consentire la solubilizzazione di entrambi sali partenza (imidazolio sali e tetrafenilborato di sodio) e la precipitazione del prodotto tetrafenilborato imidazolio. Come tale, l'etanolo è spesso il solvente più appropriato per eseguire questa reazione.

Photogeneration degli IME NHC da irradiazione a 365 nm del sistema 2 componenti IMesH+BPh4–/ITX può produrre NHC rendimenti fino al 50%, ma rese più basse possono essere ottenute a seconda delle condizioni sperimentali impiegate. In particolare, l'uso di solventi contenenti acqua o le specie protico favorisce reazioni secondarie quali la deprotonazione di queste specie protico da BPh4– e/o il reprotonation di IME, diminuendo il rendimento generale della IMes rilasciato. Infatti, NHC sono noti per essere sensibili all'acqua e altre tracce di impurità, quindi si consiglia di utilizzare solventi secchi durante il tentativo di photogenerate gli IME di NHC. Nonostante la loro sensibilità acqua/protico, riferimento è molto più reattive verso substrati metallici quali [RuCl2(p-cimene)]2, che permette per il ROMP di Nb da eseguirsi in miniemulsion. È stato notato che la presenza di dioxygen può anche alterare il corso della reazione. Infatti, diossigeno è noto per reagire con tripletta ITX, impedendo il rilascio di IME. Perché un trasferimento di elettroni è coinvolto durante la generazione di NHC, anche si suppone che la reazione altamente dipende dalla polarità del solvente. Infine, quando si tenta di photogenerate IME da BPH ITX/IMesH+4– in un mezzi di reazione, quest'ultimo dovrebbe essere scelto per fornire buona solubilizzazione di IMesH+BPh4– sale e nessun assorbimento di Luce UV fino a 350 nm.

Al contrario di altri metodi che si basano su temperatura, diluizione o cambiamenti di pH per generare in situ NHC, questo approccio implica radiazioni come stimolo esterno, con un vantaggio distintivo essendo controllo spazio/temporale della reazione. Grazie alle reazioni di polimerizzazione collettore catalizzato/avviati di NHC, immaginiamo che un photolatent NHC può favorire nuove reazioni di fotopolimerizzazione come photoROMP come dettagliato in questo studio. Inoltre, perché il riferimento è affermate ligandi di stabilizzazione, crediamo che la preparazione fotochimica di complessi metallorganici può trarre giovamento da questo sistema NHC photogenerating. Infine, perché il riferimento è impiegati come reagenti o catalizzatori in molte reazioni di chimica organica, loro photogeneration dovrebbe essere di interesse ai farmacisti che desiderano coinvolgere riferimento nelle reazioni a cascata in momenti specifici.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Sostegno finanziario per la French National Research Agency (programma ANR: DS0304 2016, numero di contratto: ANR-16-CE07-0016) e il Ministero francese della ricerca (borsa di dottorato di Emeline Placet) sono riconosciuti con gratitudine.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Material
Dimesitylimidazolium chloride, 97% ABCR AB130859
Sodium tetraphenylborate, 99% ABCR AB118843
Dichloro(p-cymene) ruthenium dimer, 98% ABCR AB113524
Norbornene, 99% ABCR AB171849
Isopropythioxanthone, 97% Sigma Aldrich 406317
Carbon disulfide, 99.9% Sigma Aldrich 335266
Dichloromethane Sigma Aldrich 270997
Ethanol VWR 20821.31
Deuterated DMSO Eurisotop D010FE
Deuterated THF Eurisotop D149CB
1,2-Dichloroethane Sigma Aldrich 284505
Brij S 100 Sigma Aldrich 466387
Hexadecane Sigma Aldrich H6703
Phenol red, 98% Sigma Aldrich P4633
Acetonitrile VWR 83639.290
1,3-Bis(mesityl)imidazol-2-ylidene, 97% Sigma Aldrich 696188
Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Rayonet photochemical reactor Southern New England Ultraviolet Company RPR-200
UV lamps for photochemical reactor Southern New England Ultraviolet Company RPR-3500A
1H and 13C NMR spectrometer Bruker Avance III HD spectrometer
Sonication probe BioBlock Vibra-cell
Gas chromatography Varian GC3900
LED Lamp and Photo-cabinet Peschl ultraviolet novaLIGHT TLED100-365
Dynamic Light Scattering Malvern zetasizer Nano ZS
365 nm UV-LED light source coupled with a flexible light-guide Hamamastu LC-L1V3
UV/vis spectrometer Perkin Elmer Lambda 35
Hg- Xe lamp with filter centred at 365 nm Hamamastu LC-9588/01A
Radiometer Ocean Optics USB4000

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References

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