使用气性金属-有机框架 (MoF) 开发异构异构选择性催化剂

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Chemistry

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Summary

在这里,我们提出了一个协议,通过比较化学计量和催化碳基-ene反应,以找出反应是否发生在金属-有机框架的内表面或外表面,金属-有机框架的活性现场验证。

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Han, J., Kim, S., Lee, M. S., Kim, M., Jeong, N. Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks (MOFs). J. Vis. Exp. (155), e60624, doi:10.3791/60624 (2020).

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Abstract

基底尺寸由反应部位手性环境的孔径和均匀性进行区分,是金属-有机框架(MOF)中基于的催化剂在抗选择性催化反应中验证反应位点的重要问题系统。因此,有必要用一种验证基于MOF的催化剂反应位的方法来研究这个问题。通过将基板大小与两种不同类型的碳基-ene反应的的反应速率与两种 MoF 进行比较,实现了基底尺寸按孔径尺寸进行区分。MOF催化剂用于比较两种反应类型(锌介导的化学计量和Ti催化碳基-ene反应)在两种不同介质中的性能。采用该方法,观察到整个MOF晶体参与了反应,当反应是气算计时,晶体孔的内部在施加手性控制方面发挥了重要作用。MOF催化剂手性环境的均质性,通过锌介导的化学计量反应系统中使用的粒子的尺寸控制方法确定。为催化反应提出的方案表明,无论基质大小如何,反应主要发生在催化剂表面,揭示了MOF异构催化剂中的实际反应位点。该方法用于MOF催化剂的反应现场验证,为开发异构异构选择性MOF催化剂提出了各种考虑。

Introduction

MoFs 被认为是化学反应的有用异构催化剂。有许多不同的报告使用MoF用于抗选择性催化1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 1819.不过,目前尚不清楚这些反应是发生在MoFs的内表面还是外表面。最近的研究提出了关于利用可用表面和减少扩散20,21,22,23的问题。一个更引人注目的问题是,手性环境随MOF晶体中每个腔的位置而变化。手性环境的这种异质性意味着反应产物的立体选择性取决于反应位24。因此,设计一个高效的抗选择性催化剂需要确定反应发生的位置。为此,必须确保反应仅在内表面或仅在 MOF 的外表面发生,同时保持内部完好无损。MoF的多孔结构及其含有手性环境活性位点的较大表面积可用于内选性催化。因此,MoFs是固体支持异构催化剂25的极佳替代品。如果MoF内部没有反应,则需要重新考虑使用MoF作为异构催化剂。反应部位的位置很重要,以及腔的大小。在多孔材料中,型腔的大小根据基板的大小决定基板的大小。有一些关于基于MOF的催化剂的报告,它忽视型腔尺寸问题25。许多基于MOF的催化剂将笨重的催化种类(例如,Ti(O-i Pr)4)引入到原来的框架结构3,8,13。在原始框架结构中采用笨重的催化品种时,腔体尺寸发生变化。笨重的催化种类导致的腔体尺寸减小,使得基材无法完全扩散到MoFs中。因此,在这些情况下,需要考虑按 MoF 的空腔大小对基板大小进行区分。MOF的催化反应往往难以支持MOF腔内发生反应的证据。一些研究表明,比MOF腔体更大的基板很容易转化为预期产品,这似乎是矛盾8,13。这些结果可以解释为基板的功能组与启动催化反应的催化位点之间的接触。在这种情况下,无需基板扩散到 MoF;反应发生在MOF晶体26的表面,腔体大小不直接参与基材根据其尺寸的区分。

为了确定MoFs的反应部位,选择了一种已知的刘易斯酸促进碳基-ene反应2。以3-甲基甲酸酯及其同系物为基质,研究了四种类型的苯丙基-烯反应(图1)。此前报道的反应分为两类:使用Zn试剂的化学计量反应和使用Ti试剂27的催化反应。最小基质的反应需要锌/KUMOF-1(KUMOF + 韩国大学金属-有机框架);据报道,这种反应发生在晶体27内部。该方法使用了两种MoF,即用于化学计量反应的Zn/KUMOF-1和用于催化反应的Ti/KUMOF-1。由于这两种MoF的不同反应机制,反应速率与基板大小的比较是可能的2,28,29。颗粒大小对碳基-ene反应的影响与Zn/KUMOF-127表明,如前一份报告所示,外表面的手性环境不同于MOF晶体24的内侧。本文演示了一种通过比较三种基材与两类催化剂的反应和颗粒大小效应的方法,如上文27所述。

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Protocol

1. 三种尺寸的 (S) -KUMOF-1 晶体的制备

注:每一步都遵循前一份报告2、24、27的实验部分和补充资料。三种不同尺寸的(S) -KUMOF-1:大 (S) -KUMOF-1-(L), 中等 (S) -KUMOF-1-(M) 和小(S)-KUMOF-1-(S) 粒径 >100 μm, >20 μm, <1 μm, 分别为.当溶剂流出时, (S) -KUMOF-1拆除.因此,晶体在使用时应始终保持湿润。

  1. 小尺寸的合成 (S) -KUMOF-1-(S)
    1. 在10 mL细胞中,溶解 Cu(NO32 = 3H2O (0.2 mg, 0.00008 mmol) 和 (S) -2' - 二羟基-6, 6'- 二甲基-[1, 1'-双苯基]-4' - 二甲苯酸2 (0.24 毫克, 0.0008 mmol) 在 4 mL DEF/MeOH (DEF = N,N- 二乙酰甲酰胺, 1/1, v/v) 中。
      注:最好使用新准备的DEF和MeOH(甲醇)。(S中 -KUMOF-1表示 KUMOF 合成中使用的配体的立体化学配置为S
    2. 用PTFE(聚四氟乙烯)盖将反应单元盖住,并将其放入微波反应器(65°C,100 psi,50 W,20分钟)。
      注:要获得所需数量的晶体,请重复上述步骤(1.1.1.和1.1.2.)。
    3. 用小铲子轻轻搅拌,以浮动获得的蓝色立方晶体(45%的屈服)。
    4. 将浮动晶体倒在滤纸上,用 3 mL 的热 DEF 清洗 3x。
    5. 将溶剂 3x 与 3 mL 的无水二氯甲烷 (DCM) 交换以进行存储。
      注: 协议中要求 DCM 的每个步骤都通过 CaH2蒸馏 DCM。
  2. 中等尺寸的合成 (S) -KUMOF-1-(M)
    1. 在 1.5 mL 的 MeOH 中溶解 Cu(NO32 = 3H2O (7.2 毫克, 0.030 mmol),在 DEF 的 1.5 mL 中溶解 Cu-1'-二甲基-[1'-二苯基-4'-双酚酸 (9 毫克, 0.030 mmol) 中。
      注:上述化合物和溶剂适用于一个小瓶组。需要扩大规模,以获得催化使用所需的谅解备忘录数量。将此步骤中的天平相乘,并为每个化合物制定库存解决方案。然后,将库存溶液细分为每个小瓶。
    2. 将两种溶液组合在 4 mL 小瓶中。
    3. 用 PTFE 胶带盖住 4 mL 小瓶,然后用针打盖以打孔。
    4. 将这个小瓶放入20mL小瓶中,将1.0mL的N、N-二甲基胺加入小瓶和大瓶之间的空间。
    5. 将大瓶盖紧,放在65°C的烤箱中1天。
    6. 用小铲子轻轻搅拌,以漂浮得到的蓝色立方晶体。
    7. 将浮动晶体倒在滤纸上,用 DEF/MeOH (3 mL/3 mL) 清洗 3x。
      注:浇注浮动晶体后,将小瓶倾斜到滤纸上方。然后用注射器喷射溶剂,冲洗小瓶中残留的每一个晶体。
    8. 将溶剂 3x 与 3 mL 无水 DCM 交换以进行存储。
  3. 大尺寸合成 (S) -KUMOF-1-(L)
    1. 使用与第 1.2 节中相同的步骤,但步骤 1.2.3 除外,使 4 mL 小瓶保持打开状态。
      注:获得的晶体的收率基于所使用的配体。中大型 (S) -KUMOF-1的收率在最终洗涤后几乎相同 (35% 产量).

2. 三种尺寸的锌/(S)-KUMOF-1的准备

注:每一步都遵循前一份报告2、24、27的实验部分和补充资料。

  1. 在-78°C下,在DCM的2 mL中加入二甲基锌(0.68 mL,甲苯1.2M,0.81 mmol),并在悬浮液中悬浮(S)-KUMOF-1(102 mg,0.27 mmol),并在此温度下摇动3小时。
    注意:在-78°C下的所有步骤均使用低温冷却槽(带丙酮的干冰)完成。处理本设备时务必小心谨慎。
    注:所有摇动过程均使用板摇床(180 rpm)完成。
  2. 去除上清液,用3mL冷DCM清洗几次,以完全去除未反应的二甲基锌。
    注:碳基-ene反应需要三种尺寸的锌/KUMOF-1。按照与描述的三种尺寸的 KUMOF-1相同的步骤进行操作。假设Cu和配体对中存在一个催化位点,则计算催化位点的数量。因此,使用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)27,确定了制备晶体的Zn/Cu和Ti/Cu比值。该协议中使用的Zn和Ti试剂的量与我们先前研究27中使用的相同。

3. 三种尺寸的Ti/(S ) -KUMOF-1 的准备

注:每一步都遵循前一份报告2、24、27的实验部分和补充资料。

  1. 在 2 mL 的 DCM 中加入 Ti(O-i Pr)4 (59 μL, 0.20 mmol) 的悬浮量 (S) -KUMOF-1 (24 mg, 0.063 mmol), 并在室温下摇动 5 小时。
  2. 去除上清液,用3mL的冷DCM洗涤几次,以完全去除残留Ti(O-i Pr)4。

4. 使用制备的MoFs的碳基-ene反应

注:根据上一份报告27中描述的方法制备一系列基材。除颗粒大小效应测定外,所有三种基板均单独用于每种碳基-ene反应,其中只使用最小的基板(1a)27。每一步都遵循实验部分和前几份报告2、24、27的补充资料。

  1. 由Zn/(S)-KUMOF-1的异构化学计量碳基-ene反应。
    1. 在0.1 mL的DCM中加入基板溶液(0.089毫摩尔)至在-78°C处2 mL的DCM中加入ZN/(S)-KUMOF-1(102mg,0.27 mmol)的悬浮液。
    2. 将反应混合物缓慢加热至0°C,在此温度下摇动3.5小时。
    3. 用6 N HCl的3 mL水溶液淬火反应混合物。
    4. 通过硅藻状硅垫过滤产生的混合物。
    5. 将滤液浓缩在真空中,通过闪光色谱法(n-和己/乙酸乙酯10:1)纯化残留物。
      注:硅胶60(230×400目)和适当的n-和合苯乙酸混合物作为埃卢特用于闪光色谱。该产品为淡黄色油。该协议中所有产品的光学纯度均如前27所述确定。Zn/(S)-KUMOF-1 的三种尺寸应遵循相同的程序。
  2. Ti/(S)-KUMOF-1的异构催化碳基-ene反应。
    1. 在0°C的DCM中加入0.1 mL的基板溶液(0.29毫摩尔)至DCM(12mg,0.029 mmol)的悬浮中,在此温度下摇动36小时。
    2. 收集上清液,用3mL的DCM清洗产生的晶体3x。
    3. 将收集的上清液浓缩在真空中,并通过闪光色谱法(n-和己/乙酸乙酯10:1)纯化残留物。

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Representative Results

使用锌试剂的苯基-ene反应是化学计量的,因为甲氧基和碳基组与金属结合亲和力的差异(图2)。因此,基板在反应部位被转换成产品并保留在那里。如协议第4节所述,通过拆除晶体获得所需的产品。锌/(S)-KUMOF-1(表1)对基材的异构异构化碳基-ene反应结果表明,最小基质(1a)可以在晶体内扩散,以高收率(92%)转化为产物,证明MOF的所有反应位点都可用。随着基板尺寸的增加,屈服和异质过量(ee)减小,这表明较大的基板无法进入MOF晶体内的反应位点。最大的基板 (1c) 没有在此系统中发生反应.在这种情况下,反应通道被相应的反应产物阻塞(图3)。当基板的尺寸与空隙的大小相比足够小时,额外的基板可以穿透晶体。如果基板尺寸过大,表面反应位进行第一次接触并直接阻挡通道的入口,使其他基板无法穿透(动画1)。当反应发生在表面附近时,ee的含量较低24,反应部位的堵塞会降低反应量。

颗粒大小效应结果(表2)表明,在利用晶体内部的反应位时,较大的晶体优于小晶体,清楚地证明了该系统中反应部位的识别。使用三种尺寸的Zn/(S)-KUMOF-1的基-ene反应的收率相似,表明三个MoF的活性是相同的。光学纯度随着晶体尺寸的减小而急剧下降,因为它们的表面面积增加。相比之下,一个较大的晶体具有低得多的表面面积,这使得1a能够深入穿透,并更好地进入内部反应部位。

与Zn介导系统不同,Ti催化系统提供了更多关于催化反应点发生的事件的信息。Ti/(S)-KUMOF-1(表3)异构催化碳基-ene反应的结果表明,基材大小没有差别化;事实上,基板尺寸对产量的影响是微不足道的。与通过Zn介导反应获得的产品相比,2a的光学纯度要低得多。大部分产品在反应溶液中发现,晶体内的数量可以忽略不计。这些结果表明,大多数反应发生在表面或表面之下,产品被立即去除到溶液中(图4)动画2)。大于腔体尺寸的基板在与表面反应部位接触时会经历反应。产品在不穿透晶体的情况下迅速与催化位点分离。

根据这些结果,MoF的反应位点可以位于外表面或内侧。然而,如先前报告的那样,反应部位的手性环境因位置而异。与 MoF 起催化作用的反应应遵循本文中建议的方法来确定反应位的位置。因此,如果反应是催化的,则应重新考虑通道内发生反应的说法。

Figure 1
图1:两类苯丙胺选择性碳基-烯反应。刘易斯酸猫I和II被用于同质模型反应在上一份报告27。此图已转载,并经 Han 等人许可27请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:同质化学计量碳基-ene反应的可能机制。甲氧基和碳基基组与金属结合亲和力的差异使得锌介导的碳基-烯反应变化学。此图已转载,并经 Han 等人许可27请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:异构化学计量碳基-ene反应的原理图。粉红色分子代表基质,而绿色表示附着在反应部位的产品。(A) 1a足够小,可以穿透晶体,而不管2a的堵塞。(B) 1b受到2b的阻塞,但仍扩散到通道中。(C)1c与表面的反应部位首次接触,并直接将通道入口阻挡2c,使另一基板无法穿透。此图已转载,并经 Han 等人许可27请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4:异构催化碳基-ene反应的原理图。粉红色分子代表基质,而绿色表示产品。(A)(D)说明反应的步骤。产品与反应部位的分离速度非常快,不需要穿透晶体。此图已转载,并经 Han 等人许可27请点击此处查看此图的较大版本。

进入 衬 底 t (h) 产量(%) ee (%)
1 1a 3.5 92 50
2 1b 3.5 52 5
3 1c 20 星期日

表1:异构化学计量碳基-ene反应1。NR = 无反应,在检测限制下;NA = 不适用。此表已经韩等人许可转载

进入 催化剂 产量(%) ee (%)
1 锌/(S)-KUMOF-1-(L) 92 70
2 锌/(S)-KUMOF-1-(M) 89 50
3 锌/(S)-KUMOF-1-(S) 91 0

表2:粒径效应确定的结果。只有1a用于这个决定。条目 1_3 分别对应于大、中和小尺寸的粒子。此表已经韩等人许可转载

从解决方案获得的产品 从MOF获得的产品
进入 衬 底 产量(%) ee (%) 产量(%) ee (%)
1 1a 85 24 2.8
2 1b 89 7 0.7
3 1c 83 0 0.2

表3:异构催化碳基-ene反应1.NA = 不适用。此表已经韩等人许可转载

Animation 1
动画1:异构化学计量碳基-ene反应的动画插图。请点击此处观看此视频。(右键单击下载。

Animation 2
动画2:异构催化碳基-ene反应的动画插图。请点击此处观看此视频。(右键单击下载。

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Discussion

在合成 (S) -KUMOF-1后, 一些小瓶中的晶体似乎是粉末状的, 不适合用于催化.因此, 需要选择适当的晶体 (S) -KUMOF-1.S) -KUMOF-1的收率仅使用成功合成的小瓶计算。当从溶剂中抽离时, (S) -KUMOF-1拆除.因此,晶体应始终保持湿润。因此, 称称完整 (S) -KUMOF-1晶体浸入溶剂中是很困难的.(S) -KUMOF-1的量在催化使用之前需要确定.通过大规模合成(S) -KUMOF-1并放弃小瓶中的一些晶体样品,可以统计产量计算结果。产量是通过称称每瓶完全干燥的样品来计算的。样本是从合成的 (S) -KUMOF-1的人群中随机选择的, 以小瓶数求平均值.该方法在一小瓶中给出了一个统计定义量 (S) -KUMOF-1.催化所需的 (S) -KUMOF-1的量是通过收集小瓶中的晶体(例如, 所需量 (S) -KUMOF-1 = 量S ) -KUMOF-1每小瓶 x 小瓶数).(S) - 在溶剂中浮动的KUMOF-1的细分与基材的计算等价物不匹配;使用的基材量是根据(S)-KUMOF-1的计算量计算的。晶体结构和特性已经报告之前2,27。

以前曾对锌和Ti催化剂进行过均匀碳基-ene反应,以证明同质反应中无基质尺寸的区分。在这一点上,基板大小对反应效率的影响可以忽略与异质反应相同。使用 Ti/(S) -KUMOF-1的碳基-ene 反应所需的温度为 0 °C。由于晶体的粉碎问题,所有反应应该通过摇动而不是搅拌来进行。然而,没有低温摇动孵化器室。相反,使用了聚苯乙烯泡沫冰箱。在冰箱中安装了不锈钢丝试管架,将密封的反应小瓶固定在机架中。水被倒入冰箱,高度为+1厘米,并添加了冰块。盖有盖子的冰箱放在摇床上,用胶带固定。增加了新的冰块来取代融化的冰。对于使用Zn/(S)-KUMOF-1的碳基-ene反应,反应小瓶在将基板添加到溶液之前保存在低温冷却槽中(带丙酮的干冰)。加入基板后,反应小瓶被移到上述冰箱中。

其他标记良好的数据,用于反应现场验证的Zn/(S)-KUMOF-1和Ti/(S)-KUMOF-1用于碳基-ene反应可以通过双光子显微镜(TPM)测量27进行可视化。 TPM 对 (S) -KUMOF-1晶体的特性以前曾报告过。为了测量新合成的MoF的腔体尺寸,有不同尺寸染料的TPM测量值为30个。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了韩国国家研究基金会(NRF)基础科学研究计划NRF-2019R1A2C4070584和由韩国政府资助的NRF-2016R1A5A1009405科学研究中心的支持。S. Kim 获得 NRF 全球博士奖学金 (NRF-2018H1A2A1062013) 的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone Daejung 1009-4110
Analytical Balance Sartorius CP224S
Copper(II) nitrate trihydrate Sigma Aldrich 61194
Dichloromethane Daejung 3030-4465
Dimethyl zinc Acros 377241000
Ethyl acetate Daejung 4016-4410
Filter paper Whatman WF1-0900
Methanol Daejung 5558-4410
Microwave synthesizer CEM Discover SP
Microwave synthesizer 10 mL Vessel Accessory Kit CEM 909050
N,N-Diethylformamide TCI D0506
N,N-Dimethylaniline TCI D0665
n-Hexane Daejung 4081-4410
Normject All plastic syringe 5 mL luer tip 100/pk Normject A5
Pasteur Pipette 150 mm Hilgenberg HG.3150101
PTFE tape KDY TP-75
Rotary Evaporator Eyela 243239
Shaker DAIHAN Scientific DH.WSO04010
Silica gel 60 (230-400 mesh) Merck 109385
Synthetic Oven Eyela NDO-600ND
Titanium isopropoxide Sigma Aldrich 87560
Vial (20 mL) SamooKurex SCV2660
Vial (5 mL) SamooKurex SCV1545

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