Her presenterer vi en metode for observasjon av løsningsinteraksjoner mellom Lewis syrer og baser ved å ansette in situ infrarød spektroskopi som en detektor for titrering under syntetisk relevante forhold. Ved å undersøke løsningsinteraksjoner representerer denne metoden et supplement til røntgenkrystallografi, og gir et alternativ til NMR spektroskopi.
Lewis syreaktivering av karbonylholdige substrater er et grunnleggende grunnlag for å legge til rette for transformasjoner i organisk kjemi. Historisk sett har karakterisering av disse interaksjonene vært begrenset til modeller som tilsvarer stoichiometriske reaksjoner. Her rapporterer vi en metode ved hjelp av situ infrarød spektroskopi for å undersøke løsningsinteraksjonene mellom Lewis syrer og karbonyler under syntetisk relevante forhold. Ved hjelp av denne metoden var vi i stand til å identifisere 1:1-kompleksiteten mellom GaCl3 og aceton og et svært ligated kompleks for FeCl3 og aceton. Virkningen av denne teknikken på mekanistisk forståelse illustreres ved anvendelse av mekanismen til Lewis syremedierte karbonyl-olefinmetatese der vi var i stand til å observere konkurransebindende interaksjoner mellom substratkarbonyl og produktkarbonyl med katalysatoren.
Utnyttelsen av Lewis syrer for å aktivere substrater som inneholder karbonyler er allestedsnærværende i organiske syntetiske metoder1,2,3,4. Studien av disse interaksjonene har vært avhengig av solid state røntgenkrystallografi, samt in situ NMR spektroskopi2. Begrensninger av disse teknikkene manifesterer seg fra gjenstander som oppstår fra krystallisering, eller manglende evne til å sondere paramagnetiske Lewis syrer via NMR analyse. For å overvinne disse problemene, kjemikere har ansatt infrarød (IR) spektroskopi for å bestemme den nøyaktige strukturen av Lewis par. Videre har IR blitt brukt til å bestemme Lewis surhet4,5,6,7,8,9. Susz-laboratoriet studerte solid-state interaksjoner av Lewis syrer og karbonyler i stoichiometrisk regime. Ved hjelp av IR i forbindelse med elementær analyse, var Susz-gruppen i stand til å belyse strukturene til ryddige, 1:1 blandinger av Lewis par. Denne analysen ga stor innsikt i strukturelle konsekvenser av interaksjoner av enkle karbonylforbindelser med ofte brukte Lewis syrer i fast tilstand, og av spesiell interesse for vårt laboratorium: FeCl310,11. Vi hevdet at vi kunne legge til den eksisterende forståelsen av interaksjonene til disse ou viktige Lewis parvia en in situ metode som undersøker syntetisk relevante forhold.
In situ IR gjør det mulig for kjemikere å utføre sanntidsmålinger av funksjonelle gruppekonverteringer in situ. Disse dataene leverer viktig innsikt i reaksjonsfrekvenser for å støtte hypoteser om driftsmekanismene i en prosess og for å påvirke reaksjonsytelsen. Sanntidsobservasjoner gjør det mulig for kjemikere å direkte spore interconversion av reaksjonskomponenter i løpet av reaksjonen, og informasjonen som fanges, kan brukes av den syntetiske kjemikeren i utviklingen av nye forbindelser og optimalisering av syntetiske ruter og nye kjemiske prosesser.
Ved hjelp av situ IR spektroskopi som en deteksjonsmetode, undersøkte vi substrater og mellomprodukter som deltar i den katalytiske syklusen av metallmediert karbonyl-olefin metateis12. Fe(III)-katalysert karbonyl-olefin metateisprosess, utviklet av Schindler lab, eksemplifiserer en kraftig metode for produksjon av C = C obligasjoner fra funksjonelle grupper benyttet allestedsnærværende i byggingen av komplekse molekyler13,14,15. Siden den opprinnelige rapporten har denne prosessen inspirert en mengde syntetiske utviklinger utover utnyttelsen av Fe(III)16,17,18,19,20,21,22,23,24,25. Viktigere, denne reaksjonen krever at Lewis syre katalysator skille mellom et substrat karbonyl og et produkt karbonyl for vellykket reaktivitet. For å observere denne konkurranseinteraksjonen under syntetisk relevante forhold, kombinerte vi titrering med kontinuerlig observasjon gitt av in situ IR.
Vi mener denne metoden er av generell betydning for kjemikere som studerer karbonylsentrerte reaksjoner katalysert av Lewis syrer. Denne detaljerte demonstrasjonen tar sikte på å hjelpe kjemikere med å anvende denne teknikken på sitt studiesystem.
Under vannfrie forhold kan Lewis syrer ha en rekke solubilities. De to eksemplene vi har presentert er GaCl3 og FeCl3 i DCE. GaCl3 er homogen ved utbruddet av titrering, mens FeCl3 er i stor grad uoppløselig. Fra og med den homogene løsningen av GaCl3fullførte vi en titrering fra 0-4 ekvivalede 1 i trinn på 10 μL og hentet ut IR-spektra (figur 3A). Undersøkelse av overganger som oppstår i løpet av titreringer viser en dannelse av en enkelt art i karbonylregionen på 1630 cm-1, som vokser fra 0-1 ekvivabare 1 (Figur 3B) 26,27. Når større enn 1 ekviva1 legges til løsningen, oppstår ingen endring i toppen på 1630 cm-1 og ubundet 1 observeres ved 1714 cm-1 (figur 3C). Disse resultatene er i samsvar med dannelsen av 2. Når samme titrering utføres med FeCl3 (Figur 3D),en topp på 1636 cm-1 former fra 0-1 equiv 1, som er i samsvar med 3 (Figur 3E). Viktigere, blandingen blir homogen når 1 ekviva1 oppnås. Når titreringen fortsetter utover 1 ekvivadig 1,observeres ubundet 1 ved 1714 cm-1, 3 reduksjoner i intensitet, et isosbestisk punkt løser på 1648 cm-1, og en ny topp på 1663 cm-1 former.
Ved hjelp av titrerings-IR-dataene kan ekvivalenter av analyte som brukes, brukes til å utføre komponentanalyse av løsningsinteraksjonene (figur 4). For å ta høyde for fortynning, kan vi bruke en normalisering med hensyn til volumet av Beer-Lambert ligningen (eq. 1):
hvor 1) både absorbans (A) og volum (V) er målbare termer; 2) molar absorptivity (ε) og stilengde (l) er konstant, slik at 3) antall mol (n) kan undersøkes. Normalisert absorbans kan lett beregnes i et regneark (Figur 4B,D), og deretter kan dette begrepet plottes mot ekvivalenter av analyte. I figur 4Cser vi at signalet for 2 øker lineært med hensyn til 1 til 1 equiv, og da er signalet for 1 økninger lineært og 2 er uendret. I figur 4Fser vi en lignende lineær økning i signalet på 3 til 1 equiv 1, etterfulgt av tilstedeværelsen av 1 utover 1 equiv lagt til. Men vi observerer også en lineær reduksjon i intensiteten på 3, og vi observerer mindre 1 enn vi burde, forutsatt lignende oppførsel til GaCl3.
Enda mer informasjon er tilgjengelig fra IR-data for titrering av FeCl3 med 1. Den maksimale mengden 3 som kan dannes, defineres av mengden FeCl3 som er lagt til (CMAX = 2 mmol FeCl3 i eksempeltitrering). Vi vet hvor mye 1 vi legger til kolben (CADD),og vi kan måle mengden av ubundet 1 vi observerer på 1714 cm-1 (COBS)og mengden av 3 vi observerer på 1636 cm-1 (CCOORD) ved hjelp av Beer-Lambert relasjoner. Til slutt vet vi at vi ikke kan gjøre rede for alle de 1 som er lagt til i kolben som gratis 1 eller 3,noe som indikerer at noen 1 ikke oppdages (CND). Vi kan kombinere disse vilkårene for 1 i følgende massebalanse (eq. 2):
Vi kan bruke titreringsdataene til å beregne verdiene i disse termene i hvert IR-spektrum generert under titrering (figur 5B). Med disse verdiene kan vi tegne ut mengden av 1 mangler (CND) som en funksjon av mengden 3 forbrukes (CMAX-CCOORD) for å finne ut om det er en korrelasjon (Figur 5C). Denne korrelasjonen er konsistent med 3 equiv 1 forbruker 1 equiv 3, som kan danne et kompleks som ligner på 4. Vi har fått ytterligere støtte til dette antallet vedlagte ketoner via undersøkelse av løsningsledningsevne, som er i samsvar med at en eller flere av kloriderene blir forskjøvet til den ytre sfæren av Fe(III), og røntgenkrystallografi av en analog struktur med benzaldehyd12. Det er imidlertid sannsynlig at det er en blanding av ulike typer svært ligated strukturer som dannes i løsning, som er indikert av våre ikke-hele tall bakker i vår forbruksanalyse i figur 5, og krystallstrukturen vi observerer kan ganske enkelt være det komplekse som utfeller.
I tillegg til samspillet mellom to arter, kan denne metoden brukes til å undersøke konkurranseinteraksjoner (figur 7). Ved å etablere formasjonen og spektrale egenskaper av 3 (Figur 7A) og 5 (Figur 7B),kan konkurransen av karbonyler for tilgang til Lewis-syreobserveres. Ved å preforming 3 i løsning, kan vi undersøke hvordan 6 fortrenger 1 (Figur 7C). Når vi sonderer dette systemet, ser vi at når vi legger til 6 til 3, ikke alle 6 binder til FeCl3. Vi observerer imidlertid forbruket av 3 med samtidig tilstedeværelse på 1, samt dannelsen av 5.
Ved hjelp av denne typen konkurranseeksperiment har vi kunnet simulere tilstanden til FeCl3 som en katalysator i karbonyl-olefin metateis (Figur 8). Vi har tidligere vist at ved lave omsetninger opererer karbonyl-olefinmetatese via primærsyklusen i figur 8B28. Substrat 7 samhandler med FeCl3 for å danne komplekse 9 som hviletilstand av syklusen. Kompleks 9 gjennomgår deretter omsetningsbegrensende [2+2]-cycloaddition for å danne oksetankompleks 10. Retro-[2+2] gir cykloalkene produkt 8 og 3, som igjen må ha molekylet av 1 fordrevet av et molekyl på 7. Men etter hvert som [1] øker, konverteres 3 til kompleks 4. Koordinerende mettet 4 deretter enten sequesters FeCl3 eller er katalytisk kompetent, noe som resulterer i en parallell syklus via keton kompleks 11 og oksetan kompleks 12.
Til slutt, utnyttelsen av in situ IR å overvåke titrering av Lewis syrer med karbonyl forbindelser tillater kjemikere å få innsikt i Lewis syre / base løsning interaksjoner under syntetisk relevante forhold. Ikke bare kan denne teknikken brukes til å identifisere diskrete strukturer, men den kan også brukes til å observere overgangen av en diskret art til en annen. Funn fra denne metoden er benyttet til å foreslå mekanismen for andre metatisreaksjoner29. Vi bruker for tiden data samlet inn via denne metoden for å lette reaktiviteten til rekalsitrantsubtater i karbonyl-olefinmetatese, samt å utvikle nye former for metatesereaksjoner. Til slutt påvirker konkurranseinteraksjonene mellom substratkarbonyler og produktkarbonyler sannsynligvis andre Lewis syrekatalyserte reaksjoner. Vi bruker denne metoden for å undersøke disse andre katalytiske regimene.
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 produksjonen av denne artikkelen.
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 |