Her præsenterer vi en metode til observation af opløsningsinteraktioner mellem Lewis syrer og baser ved at anvende in situ infrarød spektroskopi som en detektor til titrering under syntetisk relevante forhold. Ved at undersøge løsningsinteraktioner repræsenterer denne metode et supplement til røntgenkrystallografi og er et alternativ til NMR-spektroskopi.
Lewis syre-aktivering af carbonyl-holdige substrater er et grundlæggende grundlag for at lette transformationer i organisk kemi. Historisk set har karakterisering af disse interaktioner været begrænset til modeller svarende til stoichiometric reaktioner. Her rapporterer vi en metode, der udnytter in situ infrarød spektroskopi til at sonde løsningen interaktioner mellem Lewis syrer og carbonyler under syntetisk relevante forhold. Ved hjælp af denne metode, vi var i stand til at identificere 1:1 kompleksation mellem GaCl3 og acetone og en meget ligated kompleks for FeCl3 og acetone. Virkningen af denne teknik på mekanistisk forståelse illustreres ved anvendelse på mekanismen i Lewis syre-medieret carbonyl-olefin metathee, hvor vi var i stand til at observere konkurrencemæssige bindende interaktioner mellem substrat carbonyl og produkt carbonyl med katalysatoren.
Udnyttelsen af Lewis syrer til at aktivere substrater, der indeholder carbonyler er allestedsnærværende i organiske syntetiske metoder1,2,3,4. Undersøgelsen af disse interaktioner har påberåbt sig solid state x-ray krystallografi, samt in situ NMR spektroskopi2. Begrænsninger af disse teknikker manifesterer sig fra artefakter, der opstår fra krystallisering, eller manglende evne til at sonde paramagnetic Lewis syrer via NMR analyse. For at overvinde disse problemer, kemikere har ansat infrarød (IR) spektroskopi til at bestemme den nøjagtige struktur af Lewis par. Yderligere, IR er blevet udnyttet til at bestemme Lewis surhedsgrad4,5,6,7,8,9. Susz laboratoriet undersøgte de solid-state interaktioner af Lewis syrer og karbonyler i stoichiometric regime. Ved hjælp af IR i forbindelse med elementær analyse, susz gruppen var i stand til at belyse strukturer neat, 1:1 blandinger af Lewis par. Denne analyse gav en stor indsigt i strukturelle konsekvenser af samspillet mellem simple carbonyl forbindelser med almindeligt anvendte Lewis syrer i fast tilstand, og af særlig interesse for vores laboratorium: FeCl310,11. Vi postulerede, at vi kunne føje til den eksisterende forståelse af samspillet mellem disse ou vigtige Lewis par via en in situ metode, der undersøger syntetisk relevante betingelser.
In situ IR gør det muligt for kemikere at udføre målinger i realtid af funktionelle gruppekonverteringer på stedet. Disse data giver vigtig indsigt i reaktionshastigheder for at støtte hypoteser om driftsmekanismerne i en proces og til indflydelse af reaktionsperformance. Observationer i realtid gør det muligt for kemikere direkte at spore interconversion af reaktionskomponenter i løbet af reaktionen, og de oplysninger, der indsamles, kan anvendes af den syntetiske kemiker i udviklingen af nye forbindelser og optimering af syntetiske ruter og nye kemiske processer.
Ved hjælp af in situ IR spektroskopi som en detektionsmetode undersøgte vi substrater og mellemprodukter, der deltager iden katalytiske cyklus af metalmedieret karbonyl-olefinmetathee12 . Fe(III)-katalyseret carbonyl-olefin metaetis proces, udviklet af Schindler lab, eksemplificerer en kraftfuld metode til produktion af C = C obligationer fra funktionelle grupper udnyttes allestedsnærværende i opførelsen af komplekse molekyler13,14,15. Siden den oprindelige rapport har denne proces inspireret til en overflod af syntetiske udviklinger ud over udnyttelsen af Fe(III)16,17,18,19,20,21,22,23,24,25. Vigtigere er det, denne reaktion kræver, at Lewis syre katalysator skelne mellem et substrat carbonyl og et produkt carbonyl for vellykket reaktivitet. For at observere denne konkurrencemæssige interaktion under syntetisk relevante forhold kombinerede vi titrering med den kontinuerlige observation fra in situ IR.
Vi mener, at denne metode er af generel betydning for kemikere studerecarbonyl-centreret reaktioner katalyseret af Lewis syrer. Denne detaljerede demonstration har til formål at hjælpe kemikere anvende denne teknik til deres system af undersøgelse.
Under vandfri forhold, lewis syrer kan have en række opløseligheder. De to eksempler, vi har præsenteret, er GaCl3 og FeCl3 i DCE. GaCl3 er homogen ved begyndelsen af titrering, mens FeCl3 er stort set uopløselig. Begyndende med den homogene opløsning af GaCl3gennemførte vi en titrering fra 0-4 equiv 1 i 10 μL trin og udtrak IR-spektre (figur 3A). En undersøgelse af de overgange , der sker i løbet af titreringene , viser en dannelse af en enkelt art i karbonylregionen ved 1630 cm-1, som vokser fra 0-1 equiv 1 (figur 3B) 26,27. Når opløsningen er større end 1 equiv 1, sker der ingen ændring i toppen ved 1630 cm-1, og ubundet 1 observeres ved 1714 cm-1 (figur 3C). Disse resultater er i overensstemmelse med dannelsen af 2. Når den samme titrering udføres med FeCl3 (Figur 3D), en top på 1636 cm-1 former fra 0-1 equiv 1, hvilket er i overensstemmelse med 3 (Figur 3E). Det er vigtigt, at blandingen bliver homogen, når 1 equiv 1 er opnået. Når titreringen går ud over 1 equiv 1, observeres ubundet 1 ved 1714 cm-1, 3 faldi intensitet, et isosbestisk punkt forsvinder ved 1648 cm-1og et nyt højdepunkt på 1663 cm-1.
Ved hjælp af titrerings-ir-dataene kan ækvivalenterne fra den anvendte analysand anvendes til at udføre komponentanalyse af løsningsinteraktionerne (figur 4). For at tage højde for fortynding kan vi anvende en normalisering med hensyn til volumen af Beer-Lambert-ligningen (eq. 1):
hvor 1) både absorbans (A) og volumen (V) er målbare udtryk 2) molar absorptivity (ε) og stilængde (l) er konstante, så 3) antallet af modermærker (n) skal undersøges. Den normaliserede absorbans kan nemt beregnes i et regneark(Figur 4B,D),og derefter kan dette udtryk afbildes mod ækvivalenter af analysand. I figur 4Ckan vi se, at signalet til 2 stiger lineært med hensyn til 1 til 1 equiv, hvorefter signalet til 1 stiger lineært og 2 er uændret. I figur 4Fser vi en tilsvarende lineær stigning i signalet på 3 til 1 equiv 1efterfulgt af tilstedeværelsen af 1 ud over 1 equiv tilsat. Men vi observerer også et lineært fald i intensiteten på 3, og vi observerer mindre 1, end vi burde, under forudsætning af lignende adfærd til GaCl3.
Endnu mere information er tilgængelig fra IR data for titrering af FeCl3 med 1. Den maksimale mængde 3, der kan dannes, defineres af mængden af FeCl3 tilføjet (CMAX = 2 mmol FeCl3 i eksemplet titrering). Vi kender mængden af 1 vi tilføjer til kolben (CADD),og vi kan måle mængden af ubundet 1 vi observerer på 1714 cm-1 (COBS)og mængden af 3 vi observerer på 1636 cm-1 (C COORD)ved hjælp af Beer-Lambert relationer. Endelig ved vi, at vi ikke kan redegøre for alle de 1 tilføjet til kolben som gratis 1 eller 3,hvilket indikerer, at nogle 1 ikke er opdaget (CND). Vi kan kombinere disse vilkår for 1 i følgende massebalance (eq. 2):
Vi kan bruge titreringsdataene til at beregne værdierne af disse udtryk i hvert IR-spektrum, der genereres under titreringen (figur 5B). Med disse værdier kan vi afbilde mængden af 1 mangler (CND)som en funktion af det forbrugte beløb (CMAX-CCOORD) for at afgøre, om der er en korrelation(figur 5C). Denne korrelation er i overensstemmelse med 3 equiv 1, der indtager 1 equiv 3, som kan danne et kompleks , der ligner 4. Vi har opnået yderligere støtte til dette antal vedlagte ketoner via undersøgelse af opløsningsledningsevne, hvilket er i overensstemmelse med, at en eller flere klorider forskydes til ydersfæren Fe(III) og røntgenkrystallografi af en tilsvarende struktur med benzaldehyd12. Det er dog sandsynligt, at der er en blanding af forskellige typer af stærkt ligerede strukturer, der dannes i opløsning, som det fremgår af vores ikke-hele antal skråninger i vores forbrugsanalyse i figur 5, og krystalstrukturen vi observerer kan simpelthen være det ene kompleks, der forfalder.
Ud over samspillet mellem to arter kan denne metode anvendes til at undersøge konkurrencemæssige interaktioner (figur 7). Ved at etablere dannelses- og spektrale egenskaber ne for 3 (figur 7A) og 5 (figur 7B)kan der observeres konkurrence om adgang til Lewis-syren. Ved præformning 3 i opløsning, kan vi undersøge, hvordan 6 fortrænger 1 (Figur 7C). Når vi sonde dette system, ser vi, at som vi tilføjer 6 til 3, ikke alle 6 binder til FeCl3. Vi observerer dog forbruget af 3 med samtidig tilstedeværelse på 1samt dannelsen af 5.
Ved hjælp af denne type konkurrence eksperiment, har vi været i stand til at simulere tilstanden af FeCl3 som en katalysator i carbonyl-olefin metathee (Figur 8). Vi har tidligere vist, at carbonylolefinmetathesis ved lave omsætninger fungerer via den primære cyklus i figur 8B28. Substrat 7 interagerer med FeCl3 til at danne komplekse 9 som hviletilstand af cyklussen. Kompleks 9 gennemgår derefter omsætningsbegrænsende [2+2]-cycloaddition til at danne oxetankompleks 10. Retro-[2+2] giver cycloalken produkt 8 og 3, som igen skal have molekylet på 1 fordrevet af et molekyle på 7. Men da [1] stiger, konverteres 3 til kompleks 4. Koordinerende mættet 4 derefter enten sequesters FeCl3 eller er katalytisk kompetent, hvilket resulterer i en parallel cyklus via keton kompleks 11 og oxetan kompleks 12.
Afslutningsvis, udnyttelsen af in situ IR til at overvåge titrering af Lewis syrer med carbonyl forbindelser giver kemikere at få indsigt i Lewis syre / base løsning interaktioner under syntetisk relevante forhold. Ikke alene kan denne teknik anvendes til at identificere diskrete strukturer, men den kan også anvendes til at observere overgangen af en diskret art til en anden. Resultaterne af denne metode er blevet anvendt til at foreslå mekanismen for andre metaesereaktioner29. Vi bruger i øjeblikket data indsamlet via denne metode til at lette reaktivitet af genstridige substrater i karbonyl-olefin metaethese, samt at udvikle nye former for metaese reaktioner. Endelig, den konkurrencemæssige interaktioner mellem substrat carbonyler og produkt carbonyler sandsynligvis påvirke andre Lewis syre-katalyseret reaktioner. Vi anvender denne metode til at undersøge disse andre katalytiske regimer.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Loyola University Chicago, Merck, Co., Inc., og NIH / National Institute of General Medical Sciences (GM128126) for økonomisk støtte. Vi takker Mettler-Toledo Autochem Inc. for deres støtte i produktionen af denne artikel.
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 |