Här presenterar vi en metod för observation av lösningsinteraktioner mellan Lewis syror och baser genom att använda infraröd spektroskopi på plats som en detektor för titrering under syntetiskt relevanta förhållanden. Genom att undersöka lösningsinteraktioner utgör denna metod ett komplement till röntgenkristallografi och ger ett alternativ till NMR-spektroskopi.
Lewis syra-aktivering av kolyl-innehållande substrat är en grundläggande grund för att underlätta omvandlingar i organisk kemi. Historiskt sett har karakterisering av dessa interaktioner begränsats till modeller som motsvarar stoichiometriska reaktioner. Här rapporterar vi en metod som använder in situ infraröd spektroskopi för att undersöka lösninginteraktioner mellan Lewis syror och karbonyler under syntetiskt relevanta förhållanden. Med denna metod kunde vi identifiera 1:1-komplexmellan GaCl3 och aceton och ett mycket ligated komplex för FeCl3 och aceton. Effekten av denna teknik på mekanistisk förståelse illustreras genom tillämpning på mekanismen för Lewis syra-medierad kolyl-olefin metathesis där vi kunde observera konkurrenskraftiga bindande interaktioner mellan substrat carbonyl och produkt carbonyl med katalysatorn.
Utnyttjande tandsyra för att aktivera substrat som innehåller kolyler är allestädes närvarande i organiska syntetiska metoder1,2,3,4. Studien av dessa interaktioner har förlitat sig på solid state röntgenkristallografi, liksom in situ NMR spektroskopi2. Begränsningar av dessa tekniker manifesteras från artefakter som uppstår från kristallisering, eller oförmåga att sond paramagnetiska Lewis syror via NMR analys. För att övervinna dessa frågor, kemister har använt infraröd (IR) spektroskopi för att bestämma den exakta strukturen av Lewis par. Vidare har IR använts för att bestämma Lewis surhet4,5,6,7,8,9. Susz labbet studerade solid-state interaktioner lewis syror och karbonyler i stoichiometriska regimen. Använda IR i samband med elementär analys, susz gruppen kunde belysa strukturerna av snyggt, 1:1 blandningar av Lewis par. Denna analys gav en hel del insikt i strukturella konsekvenser av samspelet mellan enkla karbonylföreningar med allmänt utnyttjade Lewis syror i fast tillstånd, och av särskilt intresse för vårt labb: FeCl310,11. Vi hävdade att vi kunde lägga till den befintliga förståelsen av samspelet mellan dessa ou viktiga Lewis par via en in situ metod som undersöker syntetiskt relevanta villkor.
In situ IR gör det möjligt för kemister att utföra realtidsmätningar av funktionella gruppomvandlingar på plats. Dessa data ger viktiga insikter i reaktionsfrekvensen för att stödja hypoteser om driftsmekanismerna i en process och påverkan av reaktionsprestanda. Realtidsobservationer gör det möjligt för kemister att direkt spåra sammanomvandlingen av reaktionskomponenter under reaktionens gång, och den information som samlats in kan användas av den syntetiska kemisten i utvecklingen av nya föreningar och optimering av syntetiska rutter och nya kemiska processer.
Med hjälp av situ IR spektroskopi som en detektionsmetod, undersökte vi substrat och intermediärer som deltar i katalytisk cykel av metall-medierad carbonyl-olefin metathesis12. Fe(III)-katalyzed carbonyl-olefin metathesis process, som utvecklats av Schindler lab, exemplifierar en kraftfull metod för produktion av C = C obligationer från funktionella grupper utnyttjas allestädes närvarande i byggandet av komplexa molekyler13,14,15. Sedan den ursprungliga rapporten har denna process inspirerat en uppsjö av syntetisk utveckling utöver utnyttjandet av Fe(III)16,17,18,19,20,21,22,23,24,25. Viktigt, denna reaktion kräver att Lewis syra katalysator skilja mellan ett substrat carbonyl och en produkt carbonyl för framgångsrik reaktivitet. För att observera denna konkurrensmässiga interaktion under syntetiskt relevanta förhållanden kombinerade vi titrering med den kontinuerliga observation som tillhandahålls av in situ IR.
Vi tror att denna metod är av allmän betydelse för kemister studera karbonyl-centrerad reaktioner katalyseras av Lewis syror. Denna detaljerade demonstration syftar till att hjälpa kemister att tillämpa denna teknik på deras studiesystem.
Under vattenfria förhållanden kan Lewis syror ha en rad solubilities. De två exempel vi har lagt fram är GaCl3 och FeCl3 i DCE. GaCl3 är homogen i början av titreringen, medan FeCl3 är till stor del olöslig. Från och med den homogena lösningen av GaCl3slutförde vi en titrering från 0-4 equiv 1 i steg på 10 μL och extraherade IR-spektra(figur 3A). Undersökning av de övergångar som sker under titreringarnavisar en bildning av en enda art i kolylregionen vid 1630 cm-1, som växer från 0-1 equiv 1 (figur 3B) 26,27. När större än 1 equiv 1 läggs till lösningen, ingen förändring i toppen på 1630 cm-1 inträffar och obundna 1 observeras vid 1714 cm-1 (figur 3C). Dessa resultat är förenliga med bildandet av 2. När samma titrering utförs med FeCl3 (figur 3D), en topp på 1636 cm-1 former från 0-1 equiv 1, vilket är förenligt med 3 (figur 3E). Viktigt, blandningen blir homogen när 1 equiv 1 uppnås. När titreringen fortsätter över 1 equiv 1observeras obundet 1 vid 1714 cm-1, 3 minskningar i intensitet, löser en isosbestisk punkt vid 1648 cm-1, och en ny topp på 1663 cm-1 former.
Med hjälp av titrerings-IR-data kan ekvivalenter för analyt som används användas för att utföra komponentanalys av lösningsinteraktionerna(figur 4). För att ta hänsyn till utspädning kan vi använda en normalisering med avseende på volymen av Beer-Lambert ekvationen (eq. 1):
där 1) både absorbans (A) och volym (V) är mätbara termer. 2) molar absorptivity (ε) och pathlength (l) är konstanta, vilket gör att 3) antal mol (n) kan undersökas. Den normaliserade absorbansen kan enkelt beräknas i ett kalkylblad (figur 4B,D), och sedan kan denna term ritas mot motsvarigheter na analyt. I figur 4Ckan vi se att signalen för 2 ökar linjärt med avseende på 1 till 1 häst, då signalen för 1 ökar linjärt och 2 är oförändrad. I figur 4Fser vi en liknande linjär ökning av signalen på 3 till 1 equiv 1, följt av närvaron av 1 bortom 1 equiv till. Men vi observerar också en linjär minskning av intensiteten av 3, och vi observerar mindre 1 än vi borde, förutsatt liknande beteende som GaCl3.
Ännu mer information finns tillgänglig från IR-data för titrering av FeCl3 med 1. Den maximala mängden 3 som kan bildas definieras av mängden Tillsatt FeCl3 (CMAX = 2 mmol FeCl3 i exempeltsatsen). Vi vet hur mycket av 1 vi lägger till kolven (CADD),och vi kan mäta mängden obundna 1 vi observerar på 1714 cm-1 (COBS)och mängden 3 vi observerar på 1636 cm-1 (CCOORD) med hjälp av Beer-Lambert relationer. Slutligen vet vi att vi inte kan redogöra för alla de 1 som läggs till kolven som gratis 1 eller 3, vilket tyder på att vissa 1 inte upptäcks (CND). Vi kan kombinera dessa villkor för 1 i följande massa balans (eq. 2):
Vi kan använda titreringsdata för att beräkna värdena för dessa termer i varje IR-spektrum som genereras under titreringen(figur 5B). Med dessa värden kan vi rita in mängden 1 saknas (CND)som en funktion av det belopp 3 som förbrukas (CMAX-CCOORD)för att avgöra om det finns en korrelation(figur 5C). Denna korrelation är förenlig med 3 equiv 1 konsumerar 1 equiv 3, som kan bilda ett komplex som liknar 4. Vi har fått ytterligare stöd för detta antal bifogade ketoner via undersökning av lösningsledning, vilket är förenligt med en eller flera av chlorides förskjuts till den yttre sfären av Fe (III), och röntgenkristallografi av en analog struktur med bensaldehyd12. Det är dock troligt att det finns en blandning av olika typer av högligarad strukturer som bildas i lösning, vilket indikeras av våra icke-helt adelsbackar i vår konsumtionsanalys i figur 5, och den kristallstruktur vi observerar kan helt enkelt vara det enda komplex tjumeras.
Utöver samspelet mellan två arter kan denna metod användas för att undersöka konkurrensinteraktioner(figur 7). Genom att fastställa bildandet och spektrala egenskaper 3 (figur 7A)och 5 (figur 7B),konkurrensen av karbonyler för tillgång till Lewis syra kan observeras. Genom att föregripa 3 i lösning kan vi undersöka hur 6 förflyttar 1 (figur 7C). När vi sonderar detta system, ser vi att när vi lägger 6 till 3,inte alla 6 binder till FeCl3. Vi observerar dock förbrukningen av 3 med samtidig närvaro av 1, liksom bildandet av 5.
Med hjälp av denna typ av konkurrens experiment, har vi kunnat simulera tillståndet i FeCl3 som en katalysator i kolyl-olefin metathesis(figur 8). Vi har tidigare visat att vid låg omsättning, carbonyl-olefin metathesis fungerar via den primära cykeln i figur 8B28. Substrat 7 interagerar med FeCl3 för att bilda komplexa 9 som cykelns vilotillstånd. Complex 9 genomgår sedan omsättningsbegränsande [2+2]-cycloaddition för att bilda oxetankomplex 10. Retro-[2+2] ger cycloalkene produkt 8 och 3, som i sin tur måste ha molekylen 1 fördrivna av en molekyl av 7. Men eftersom [1] ökar, 3 omvandlas till komplexa 4. Coordinatively mättad 4 då antingen binda requesters FeCl3 eller är katalytiskt kompetent, vilket resulterar i en parallell cykel via keton komplex 11 och oxetan komplex 12.
Sammanfattningsvis tillåter utnyttjandet av in situ IR för att övervaka titreringen av Lewis syror med kolylföreningar kemister att få insikt i Lewis syra / bas lösning interaktioner under syntetiskt relevanta förhållanden. Denna teknik kan inte bara användas för att identifiera diskreta strukturer, men den kan användas för att observera övergången av en diskret art till en annan. Resultaten från denna metod har använts för att föreslå mekanismen för andra metathesis reaktioner29. Vi använder för närvarande data som samlats in via denna metod för att underlätta reaktiviteten av motsträviga substrat i kolyl-olefin metathesis, samt för att utveckla nya former av metathesis reaktioner. Slutligen, konkurrensmässiga interaktioner mellan substrat carbonyls och produkter carbonyls sannolikt inverkan andra Lewis syra-katalyserade reaktioner. Vi använder denna metod för att undersöka dessa andra katalytiska regimer.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Loyola University Chicago, Merck, Co., Inc., och NIH / National Institute of General Medical Sciences (GM128126) för ekonomiskt stöd. Vi tackar Mettler-Toledo Autochem Inc. för deras stöd i produktionen av denna 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 |