여기서, 우리는 합성적으로 관련된 조건 하에서 적정검출기로 situ 적외선 분광법을 사용하여 루이스 산과 염기 사이의 용액 상호 작용을 관찰하는 방법을 제시합니다. 용액 상호 작용을 검사함으로써, 이 방법은 X선 결정학에 대한 보완을 나타내고, NMR 분광학에 대한 대안을 제공한다.
카보닐 함유 기판의 루이스 산 활성화는 유기 화학의 변혁을 촉진하는 근본적인 기초입니다. 역사적으로, 이러한 상호 작용의 특성화는 stoichiometric 반응에 해당하는 모델로 제한되었습니다. 여기서, 우리는 합성적으로 관련된 조건 하에서 루이스 산과 탄산염 사이의 용액 상호 작용을 조사하기 위해 situ 적외선 분광법을 활용하는 방법을 보고합니다. 이 방법을 사용하여 GaCl3과 아세톤 사이의 1:1 복합체와 FeCl3 및 아세톤에 대한 고도로 결찰된 복합체를 식별할 수 있었습니다. 기계론적 이해에 대한 이 기술의 영향은 우리가 촉매와 기질 카보닐과 제품 카보닐 사이의 경쟁적인 결합 상호 작용을 관찰할 수 있었던 루이스 산 매개 카보닐 올레핀 메타피의 메커니즘에 적용함으로써 설명됩니다.
카르보닐을 함유하는 기질 활성화를 위해 루이스산을 활용하는 것은 유기 합성 방법1,2,3,4에서보편적이다. 이 상호 작용의 연구 결과는 고체 상태 엑스레이 결정학에, 뿐만 아니라 situ NMR 분광학에 의존했습니다2. 이러한 기술의 한계는 결정화에서 발생하는 유물 또는 NMR 분석을 통해 파라마그네틱 루이스 산을 탐사할 수 없음에서 나타납니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 화학자들은 적외선(IR) 분광학을 사용하여 루이스 쌍의 정확한 구조를 결정했습니다. 또한, IR은 루이스 산도를결정하기 위해 이용되고있다4, 5,6,7,8,9. Susz 실험실은 루이스 산과 탄산염의 고체 상호 작용을 연구했습니다. 원소 분석과 함께 IR을 활용하여 Susz 그룹은 루이스 쌍의 깔끔한 1:1 혼합물의 구조를 해명할 수 있었습니다. 이 분석은 고체 상태에서 일반적으로 이용되는 루이스 산과 간단한 카보닐 화합물의 상호 작용의 구조적 파급 효과에 대한 많은 통찰력을 제공했으며, 특히 우리 실험실에 관심을 보였습니다: FeCl310,11. 우리는 합성적으로 관련된 조건을 검사하는 내부 방법을 통해 이러한 ou 중요한 루이스 쌍의 상호 작용에 대한 기존 이해를 추가 할 수 있다고 posited.
Situ IR을 통해 화학자는 이 면에서 기능 그룹 변환을 실시간으로 측정할 수 있습니다. 이러한 데이터는 프로세스의 작동 메커니즘에 대한 가설을 지원하고 반응 성능에 영향을 미치기 위해 반응 속도에 대한 주요 통찰력을 제공합니다. 실시간 관찰을 통해 화학자는 반응 과정에서 반응 성분의 상호 변환을 직접 추적할 수 있으며, 수집된 정보는 합성 화학자가 새로운 화합물의 개발 및 최적화에 사용할 수 있습니다. 합성 경로 및 새로운 화학 공정.
검출 방법으로 서 situ IR 분광법에 채택, 우리는 금속 매개 카보닐 올레핀대사제 (12)의촉매 주기에 참여하는 기질 및 중간체를 조사하였다. Schindler 실험실에서 개발한 Fe(III)-촉매 카보닐 올레핀 메타테시스 공정은 복합 분자13,14,15의시공에 유비쿼터스적으로 활용되는 작용기로부터 C=C 결합의 생산을 위한 강력한 방법을 예시한다. 원래 보고서 이후,이 과정은 Fe (III)16,17,18,19,20,21,22,23,24,25의활용을 넘어 합성 개발의 과다를 고무하고있다. 중요한 것은, 이러한 반응은 성공적인 반응성을 위해 루이스산 촉매가 기질 카보닐과 제품 카보닐을 구별할 것을 요구한다. 종합적으로 관련된 조건하에서 이러한 경쟁적 상호 작용을 관찰하기 위해, 우리는 적정을 situ IR에서 제공하는 지속적인 관찰과 결합했습니다.
우리는 이 방법이 루이스 산에 의해 촉매된 카보닐 중심 반응을 연구하는 화학자들에게 일반적으로 중요하다고 믿습니다. 이 상세한 데모는 화학자연구시스템에 이 기술을 적용하는 것을 돕는 것을 목표로 합니다.
무수 조건하에서, 루이스 산은 다양한 용해도를 가질 수 있습니다. 우리가 제시 한 두 가지 예는 DCE의 GaCl3 및 FeCl3입니다. GaCl3은 적정이 발병할 때 균질하며 FeCl3은 대체로 불용성입니다. GaCl3의균질용액을 시작으로, 우리는 0-4 equiv 1에서 10 μL 단위로 적정을 완료하고 IR 스펙트럼을 추출하였다(도3A). 적정 의 과정을 통해 발생하는 전이의 검사는 0-1 equiv 1에서 성장하는 1630cm-1에서카보닐 영역에서 단일 종의 형성을 나타낸다(도 3B) 26,27. 용액에 1 equiv 1보다 큰 경우, 1630cm-1에서 피크의 변화가 일어나지 않고 언바운드 1은 1714cm-1에서 관찰된다(도3C). 이러한 결과는 2. 동일한 적정이 FeCl3(도 3D)으로수행될 때, 0-1 equiv 1로부터1636cm-1 형태에서 피크가 3(도3E)과일치한다. 중요한 것은, 혼합물은 1 equiv 1이 달성되면 균질하게 된다. 적정이 1 equiv 1을초과하여 진행되면 언바운드 1이 1714 cm-1에서관찰되고, 강도가 3 감소하고, 이소성 점이 1648 cm-1에서해결되고, 1663 cm-1 형태로 새로운 피크가 해결됩니다.
적정 IR 데이터를 사용하여, 사용되는 분석물의 등가물은 용액 상호작용의 성분 분석을 수행하기 위해 사용될 수있다(그림 4). 희석을 고려하기 위해 맥주 램버트 방정식 (eq. 1)의 부피에 대한 정규화를 사용할 수 있습니다.
여기서 흡광도(A) 및 부피(V)는 측정 가능한 용어입니다. 2) 어금니 흡수율 (θ) 및 경로 길이 (l)는 일정하며 3) 두더지 (n)의 수를 검사 할 수 있습니다. 정규화된 흡광도는 스프레드시트(그림 4B,D)에서쉽게 계산할 수 있으며 이 용어는 해석물의 등가물과 대해 플롯될 수 있습니다. 그림 4C에서 2의 신호는 1에서 1 equiv까지 선형으로 증가하는 것을 볼 수 있으며, 이 때 1의 신호는 선형으로 증가하고 2는 변경되지 않습니다. 그림 4F에서는 3 대 1 의 신호가 유사한 선형 증가를 볼 수 있으며 1 을 초과하는 1의 존재가 추가되었습니다. 그러나, 우리는 또한 3의 강도에 있는 선형 감소를 관찰하고, 우리는 GaCl3에유사한 행동을 가정하여, 우리가 해야 하는 것보다 더 적은 1을 관찰합니다.
그러나 FeCl3의 적정에 대한 IR 데이터에서 1을사용하여 더 많은 정보를 확인할 수 있습니다. 형성될 수 있는 3의 최대 량은 FeCl3첨가의 양에 의해 정의된다(CMAX = 2 mmol FeCl3 예상적정). 우리는 플라스크 (CADD)에추가 한 1의 양을 알고 있으며 맥주 – 램버트 관계를 사용하여 1714cm-1 (C OBS)에서관찰 한 언바운드 1의 양과 1636cm-1 (CCOORD)에서관찰 하는 3의 양을 측정할 수 있습니다. 마지막으로, 플라스크에 추가된 1을 모두 무료 1 또는 3으로설명할 수 없으며, 이는 일부 1이 감지되지 않음을 나타냅니다(CND). 우리는 다음과 같은 질량 균형 (eq. 2)에서 1에 대한 이러한 용어를 결합 할 수 있습니다 :
적정 데이터를 사용하여 적정 중에 생성된 각 IR 스펙트럼에서 이러한 용어의 값을 계산할 수있습니다(그림 5B). 이러한 값을 사용하여 3이 소비된 양(CMAX-CCOORD)의함수로 누락된 1의 양을 플롯하여 상관 관계가 있는지 확인할 수 있습니다(그림5C). 이러한 상관관계는 3 equiv 1 소비 1 equiv 3과일치하며, 이는 4와유사한 복합체를 형성할 수 있다. 우리는 용액 전도도의 검사를 통해 부착 된 케톤의 이 수에 대한 추가 지원을 얻었으며, 이는 하나 이상의 염화물이 Fe (III)의 외부 구체로 변위되는 것과 일치하며, 벤잘데히드12와유사한 구조의 X 선 결정학. 그러나, 도 5의소비 분석에서 당사의 비정수 경사면에 의해 지시된 바와 같이, 용액에 형성되는 고농축 구조의 다른 유형의 혼합물이 있을 가능성이 높으며, 우리가 관찰하는 결정 구조는 단순히 침전되는 하나의 복합체일 수 있다.
두 종 간의 상호 작용 이외에, 이 방법은 경쟁적인 상호작용을 프로브하는데 사용될 수있다(도 7). 3(도 7A)및 5(도 7B)의형성 및 스펙트럼 특성을 확립함으로써, 루이스산에 접근하기 위한 카보닐의 경쟁을 관찰할 수 있다. 용액에서 3을 미리 형성함으로써 6이 1을 대체하는 방법을 검사할 수 있습니다(그림7C). 우리가이 시스템을 조사 할 때, 우리는 우리가 FeCl 3에6 – 3,모든 6 바인딩을 추가 할 때 것을 볼 수 있습니다 . 그러나, 우리는 1의수반되는 존재와 함께 3의 소비를 관찰할뿐만 아니라 5의형성을 관찰합니다.
이러한 유형의 경쟁 실험을 사용하여, 우리는 카보닐 올레핀 메타테시스의 촉매로서 FeCl3의 상태를 시뮬레이션할 수있었다(그림 8). 우리는 이전에 낮은 회전율에서, 카보닐 올레핀 metathesis는 그림 8B28의1 차 적인 주기를 통해 작동한다는 것을 보여주었습니다. 기판 7은 FeCl3과 상호 작용하여 주기의 휴식 상태로 복잡한 9를 형성한다. 복합체 9는 회전율 제한 [2+2]-사이클로추가를 거쳐 옥세탄 복합체 10을형성한다. 레트로-[2+2]는 사이클로알케네 생성물 8과 3을산출하며, 이는 차례로 7의분자에 의해 변위된 1의 분자가 있어야 한다. 그러나[1]이증가함에 따라 3은 복잡한 4로변환됩니다. Coordinatively 포화 4 다음 격리 FeCl3 또는 촉매 유능, 케톤 복합체 11 및 옥세탄 복합체 (12)를통해 병렬 사이클의 결과.
결론적으로, 탄산 화합물로 루이스 산의 적정을 모니터링하기 위해 situ IR의 활용은 화학자가 합성 관련 조건하에서 루이스 산 / 염기 용액 상호 작용에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이 기술은 이산 구조를 식별하기 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라 한 개별 종의 전환을 다른 종으로 전환하는 것을 관찰하는 데사용될 수 있습니다. 이 방법으로부터의 발견은 다른 대사 반응의 메커니즘을 제안하기 위해 활용되었다29. 우리는 현재 카보닐 올레핀 대사에서 반응성 기질의 반응을 용이하게하고 새로운 형태의 대사 반응을 개발하기 위해이 방법을 통해 수집 된 데이터를 사용하고 있습니다. 마지막으로, 기질 카보닐과 제품 카보닐 사이의 경쟁적인 상호 작용은 다른 루이스 산 촉매 반응에 영향을 미칠 가능성이 높습니다. 우리는 이 다른 촉매 정권을 검토하기 위하여 이 방법을 이용하고 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
우리는 로욜라 대학 시카고, 머크, 주식 회사, 그리고 일반 의학의 NIH / 국립 연구소 (GM128126) 재정 지원을 주셔서 감사합니다. 우리는이 문서의 생산에 그들의 지원에 대한 메틀러 – Toledo 오토 켐 Inc.에 감사드립니다.
Acetone | BDH | BDH1101-19L | Dried over potassium carbonate |
Balloon | VWR | 470003-408 | Round Balloons, Assorted Colors, 9" dia. |
Detector LN2 RiR15 | Mettler Toledo | 14474603 | |
1,2 Dichloroethane | Beantown | 223375-2.5L | Dried over 3Å molecular sieves |
Gallium (III) Chloride | Beantown | 127270-100G | Anhydrous ≥99.999% (trace metals basis) |
25 µL glass syringe | Hamilton | 80285 | |
Inert Argon Gas | Airgas | Ultra High Purity | |
Iron (III) Chloride | Sigma Aldrich | 157740-100G | Reagent Grade, 97% |
100-mL Jacketed Beaker | AceGlass | 5340-03 | |
3Å Molecular Sieves | Alfa Aesar | L05335 | |
25-mL 2 neck flask | CTechGlass | FL-0143-003 | |
18G Needle | BD Biosciences | 305196 | Needles with Regular Bevel, 38.1 mm (11/2") |
Potassium Carbonate | Sigma Aldrich | 60109-1KG-F | Anhydrous |
Prism 8 | GraphPad | Mathematical Processing Software | |
Probe DST 6.35 x 1.5m X 203 DiComp | Mettler Toledo | 14474510 | in situ IR probe |
Rice Stir Bar | Dynalon | 303495 | Diameter: 3 mm (1/8"), Length: 10 mm (3/8") |
14/20 Rubbber Septa | VWR | 89097-554 | |
5-mL Syringe | AIR-TITE | 53548-005 | HSW Norm-Ject Sterile Luer-Slip Syringes, Air-Tite |
10-mL Syringe | AIR-TITE | 53548-006 | HSW Norm-Ject Sterile Luer-Slip Syringes, Air-Tite |
System ReactIR 15 | Mettler Toledo | 1400003 | in situ IR system |
Thermostatic Bath | Haake | Haake A82 |