Chiral Metal-Organik Çerçeveler (MOFs) kullanılarak Heterojen Enantioselatif Katalizörlerin Geliştirilmesi

* These authors contributed equally
Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Burada, metal-organik çerçevelerin iç veya dış yüzeyinde bir reaksiyon olup olmadığını öğrenmek için stokiyometrik ve katalitik karbonil-ene reaksiyonlarını karşılaştırarak metal-organik çerçeve katalizörlerinin aktif alan doğrulaması için bir protokol salıyoruz.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Reaksiyon bölgelerinde kiral ortamın gözenek büyüklüğü ve homojenliğine göre substrat boyutu ayrımı, enantioselsel katalitik reaksiyonda metal-organik çerçevede (MOF) dayalı katalizörlerde reaksiyon alanının doğrulanmasında önemli konulardır. Sistem. Bu nedenle, bu sorunu araştırmak için MOF tabanlı katalizörlerin tepki alanını doğrulama yöntemi gereklidir. Gözenek boyutuna göre substrat boyutu ayrımı, iki çeşit MOF ile iki farklı türde karbonil-ene reaksiyonlarında substrat boyutu ile reaksiyon oranı nın karşılaştırılması yla gerçekleştirilmiştir. MOF katalizörler iki farklı ortamda iki reaksiyon tipinin (Zn aracılı stokiyometrik ve Ti-katalizkarbonil-ene reaksiyonları) performansını karşılaştırmak için kullanıldı. Önerilen yöntem kullanılarak, tüm MOF kristalinin reaksiyona katıldığı ve kristal gözeneğin iç kısmı stokiyometrik olduğunda chiral kontrolünün kullanılmasında önemli bir rol oynamıştır. MOF katalizörlerin chiral ortamının homojenliği Zn aracılı stokiyometrik reaksiyon sisteminde kullanılan bir parçacık için boyut kontrol yöntemi ile kurulmuştur. Katalitik reaksiyon için önerilen protokol, reaksiyonun esas olarak substrat boyutune bakılmaksızın katalizör yüzeyinde meydana geldiğini ortaya çıkardı ve bu da MOF tabanlı heterojen katalizörlerdeki gerçek reaksiyon bölgelerini ortaya çıkardı. MOF katalizörlerin reaksiyon bölgesi doğrulaması için kullanılan bu yöntem, heterojen enantioselselM katalizörlerin geliştirilmesinde çeşitli hususlar önermektedir.

Introduction

MoFs kimyasal reaksiyonlar için yararlı bir heterojen katalizör olarak kabul edilir. Enantioseltektif kataliz1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17için MOFs birçok farklı bildirilenkullanımları vardır ,18,19. Yine de reaksiyonların MOF'lerin iç veya dış yüzeyinde olup olmadığı henüz belirlenmemiştir. Son çalışmalar mevcut yüzeyin kullanımı ve azaltılmış difüzyon20,21,22,23ile ilgili sorular ortaya çıkarmıştır. Daha çarpıcı bir konu chiral ortamı MOF kristal her boşluğun konumu ile değişir olmasıdır. Chiral ortamının bu heterojenliği, reaksiyon ürününün stereoselselliğinin reaksiyon bölgesi24'ebağlı olduğunu ima eder. Bu nedenle, etkili bir enantioselektif katalizör tasarlamak için reaksiyonun gerçekleşeceği yerin tanımlanması gerekmektedir. Bunu yapmak için, reaksiyonun sadece iç yüzeyde veya iç yüzeyi bozulmadan bırakılırken sadece MOF'un dış yüzeyinde meydana geldiğinden emin olmak gerekir. MoF'ların gözenekli yapısı ve chiral ortam aktif alanları içeren geniş yüzey alanı enantioseltif kataliz için kullanılabilir. Bu nedenle, MOFs katı destekli heterojen katalizörler25mükemmel yerine vardır. Reaksiyon içlerinde meydana gelmezse, MOF'lerin heterojen katalizör olarak kullanılması nın yeniden düşünülmesi gerekir. Reaksiyon bölgesinin konumu ve boşluğun büyüklüğü önemlidir. Gözenekli malzemelerde, boşluğun büyüklüğü substrat boyutunu göre belirler. Kavite boyutu sorunu25göz ardı MOF tabanlı katalizörler bazı raporlar vardır. Birçok MOF tabanlı katalizörler hantal katalitik türler tanıtmak (örneğin, Ti(O-iPr)4) orijinal çerçeve yapısı3,8,13. Orijinal çerçeve yapısında hantal katalitik türler benimsendiğinde kavite boyutunda bir değişiklik vardır. Hantal katalitik türlerin neden olduğu azaltılmış kavite boyutu substrat tamamen MOFs içine yayMak için imkansız hale getirir. Bu nedenle, bu olgular için, MÖ'lerin boşluk büyüklüğüne göre substrat boyutunun ayrımcılığa başlanması gerekmektedir. MF'lerin katalitik reaksiyonları genellikle MOF boşluğunda meydana gelen reaksiyonların kanıtlarını desteklemeyi zorlaştırır. Bazı çalışmalar, MOF boşlukları daha büyük substratlar çelişkili8,13görünüyor kolaylıkla beklenen ürünlere dönüştürülür göstermiştir. Bu sonuçlar, katalitik reaksiyonu başlatan substrat ve katalitik alanın fonksiyonel grubu arasında bir temas olarak yorumlanabilir. Bu durumda, substrat MOFs içine yaymak için gerek yoktur; reaksiyon MOF kristalleri26 yüzeyinde oluşur ve kavite boyutu doğrudan boyutuna göre substrat ayrımcılık dahil değildir.

MOFs reaksiyon sitelerini belirlemek için, bilinen bir Lewis-asit karbonil-ene reaksiyonu terfi seçildi2. 3-methylgeranial ve onun congeners substratolarak kullanılarak, enantioselselsel karbonil-ene reaksiyonları dört tip(Şekil 1)27çalışılmıştır . Daha önce bildirilen reaksiyonlar, iki sınıfa sınıflandırıldı: Bir Zn reaktifi ve katalitik reaksiyonlar kullanarak bir stokiyometrik reaksiyon27. En küçük substrat reaksiyonu zn/KUMOF-1 (KUMOF = Kore Üniversitesi Metal-Organik Çerçeve) stokiyometrik miktarda gerektirir; bu reaksiyon kristal içinde gerçekleşir bildirilmiştir27. Bu yöntemde stokiyometrik reaksiyon için Zn/KUMOF-1 ve katalitik reaksiyon için Ti/KUMOF-1 olmak üzere iki çeşit MOF kullanıldı. Bu iki tür MOF'un farklı reaksiyon mekanizmaları sayesinde, reaksiyon oranı ile substrat boyutu arasında bir karşılaştırma yapmakmümkündür 2,28,29. Parçacık büyüklüğünün Zn/KUMOF-127 ile karbonil-ene reaksiyonu üzerindeki etkisi, bir önceki raporda görüldüğü gibi dış yüzeyin chiral ortamının MOFkristal24'üniç tarafından farklı olduğunu göstermiştir. Bu makalede, katalizörler iki sınıf ve önceki kağıt27bildirilen parçacık boyutunun etkisi ile yüzeylerin üç tür reaksiyonları karşılaştırarak reaksiyon siteleri belirleyen bir yöntem göstermektedir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Üç boyutta (S)-KUMOF-1 kristallerinin hazırlanması

NOT: Her adım deneysel bölümü ve önceki raporların ek bilgileri izler2,24,27. Üç farklı ebat (S)-KUMOF-1 hazırlandı: büyük (S)-KUMOF-1-(L), orta(S)-KUMOF-1-(M) ve küçük (S)-KUMOF-1-(S) parçacık boyutları >100 μm, >20 μm ve <1 μm. Çözücü den çıkınca, (S)-KUMOF-1 sökülür. Bu nedenle, kristaller kullanım sırasında her zaman ıslak tutulmalıdır.

  1. Küçük boy sentezi (S)-KUMOF-1-(S)
    1. 10 mL'lik bir hücrede Cu(NO3)2 • 3H2O (0.2 mg, 0.0008 mmol) ve ( S (-2,2'-dihidroksi-6,6'-dimethyl-[1,1'-bifenil]-4,4'-dikarboksilik asit2 (0.24 mg, 0.0008 mmol) 4 mL DEF/MeOH (DEF= N,N-dietil,1/1, v/v v).
      NOT: Yeni hazırlanmış DEF ve MeOH (metanol) kullanmak en iyisidir. (S) in (S)-KUMOF-1, KUMOF sentezinde kullanılan ligandın stereokimyasal konfigürasyonunun Solduğu anlamına gelir.
    2. Reaksiyon hücresini PTFE (politetrafloroetilen) kapağı ile kaplayıp mikrodalga reaktörüne (65 °C, 100 psi, 50 W, 20 dk) yerleştirin.
      NOT: Gerekli sayıda kristal elde etmek için yukarıdaki adımları (1.1.1. ve 1.1.2.) birkaç kez tekrarlayın.
    3. Elde edilen mavi kübik kristalleri yüzdürmek için küçük bir spatula ile hafifçe çırpın (%45 verim).
    4. Yüzen kristalleri filtre kağıdına dökün ve 3 mL sıcak DEF ile 3 x yıkayın.
    5. Solventi 3x'i 3 mL'lik susuz diklorotan (DCM) ile depolamaiçin değiştirin.
      NOT: Protokolde DCM gerektiren her adım CaH2'ninüzerine damıtılmış DCM'dir.
  2. Orta boy sentezi (S)-KUMOF-1-(M)
    1. ÇözünKü(NO3)2 • 3H2O (7.2 mg, 0.030 mmol) 1.5 mL MeOH ve (S)-2,2'-dihidroksi-6,6'-dimetil-[1,1'-bifenil]-4,4'-dikarboksilik asit (9 mg, 0.030 mmol) 1,5 mL DEF.
      NOT: Bahsedilen bileşikler ve çözücüler bir şişe seti içindir. Katalitik kullanım için gerekli sayıda MOF elde etmek için ölçekleme gereklidir. Bu adımda ölçekleri çarpın ve her bileşik için stok çözümleri yapın. Sonra her şişe içine stok çözümleri bölmek.
    2. İki çözümü 4 mL'lik bir şişede birleştirin.
    3. 4 mL şişeyi PTFE bandı ile kapatın ve bir delik açmak için kapağı bir iğneyle delin.
    4. 20 mL şişe içine bu küçük şişe koyun ve Küçük ve büyük şişeler arasındaki alana N,N-dimethylaniline 1.0 mL ekleyin.
    5. Büyük şişeyi sıkıca kaplayın ve 65 °C'de 1 gün fırında pişirin.
    6. Elde edilen mavi kübik kristalleri yüzdürmek için küçük bir spatula ile hafifçe çırpın.
    7. Yüzen kristalleri bir filtre kağıdına dökün ve 3x DEF/MeOH (3 mL/3 mL) ile yıkayın.
      NOT: Yüzen kristalleri döktükten sonra şişeyi filtre kağıdının üzerine yatırın. Sonra şişede kalan her kristali yıkamak için bir şırınga ile çözücü çıkarmak.
    8. Depolama için 3 mL susuz DCM ile çözücü 3x değiştirin.
  3. Büyük boy sentezi (S)-KUMOF-1-(L)
    1. Bölüm 1.2'deki prosedürü kullanın, 1.2.3 adımdışında, 4 mL şişeyi açık bırakın.
      NOT: Elde edilen kristalin verimi kullanılan liganda dayanır. Orta ve büyük boy(S)-KUMOF-1 verimi son yıkamadan sonra hemen hemen aynı (%35 verim) idi.

2. Zn/(S)-KUMOF-1'in üç ebatta hazırlanması

NOT: Her adım deneysel bölümü ve önceki raporların ek bilgileri izler2,24,27.

  1. (S)-KUMOF-1 (102 mg, 0,27 mmol) süspansiyonuna -78 °C'de 2 mL DCM'ye dimethylzinc (0,68 mL, toluene 1,2 M, 0,81 mmol) ekleyin ve bu sıcaklıkta 3 saat sallayın.
    DİkKAT: -78 °C'deki tüm adımlar kriyojenik soğutma banyosu (asetonlu kuru buz) ile yapılır. Bu ekipmanı kullanırken her zaman dikkatli olun.
    NOT: Tüm sallayarak işlemleri bir plaka shaker (180 rpm) kullanılarak yapılır.
  2. Reaksiyona mamış dimetilzinc'in tamamen çıkarılması için süpernatant'ı dekantlayın ve 3 mL soğuk DCM ile birkaç kez yıkayın.
    NOT: Karbonil-ene reaksiyonu için üç boyutlu Zn/KUMOF-1 gereklidir. KUMOF-1'inüç boyutu için açıklandığı gibi aynı adımları izleyin. Katalitik sitelerin sayısı, bir katalitik sitenin Cu ve bir ligand çiftinde mevcut olduğu varsayarak hesaplanır. Bu nedenle hazırlanan kristallerin Zn/Cu ve Ti/Cu oranları bir önceki raporda endüktif birleştirilmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi (ICP-AES) kullanılarak belirlendi27. Bu protokolde kullanılan Zn ve Ti reaktiflerinin miktarları öncekiçalışmamızdakullanılanlarla aynıydı 27 .

3. Ti/(S)-KUMOF-1'in üç boyutta hazırlanması

NOT: Her adım deneysel bölümü ve önceki raporların ek bilgileri izler2,24,27.

  1. (S )-KUMOF-1 (24 mg, 0.063 mmol)süspansiyonuna Ti(O-iPr)4 (59 μL, 0.20 mmol) ekleyin ve oda sıcaklığında 5 saat sallayın.
  2. Decant supernatant ve soğuk DCM 3 mL ile yıkama kalıntı Ti (O-i Pr)4tam kaldırılması için birkaç kez .

4. Hazırlanan MOF'lar kullanılarak karbonil-ene reaksiyonu

NOT: Önceki raporumuzda açıklanan yönteme göre bir dizi substrat hazırlayın27. Her üç substrat, sadece en küçük substrat(1a)27'ninkullanıldığı parçacık boyutu etki tayini dışında her karbonil-ene reaksiyonunda ayrı ayrı kullanılır. Her adım deneysel bölümü ve önceki raporların ek bilgileri izler2,24,27.

  1. Zn/(S )-KUMOF-1ile heterojen stokiyometrik karbonil-ene reaksiyonu .
    1. 0,1 mL DCM'deki substrat çözeltisini (0.089 mmol) Zn/(S)-KUMOF-1 (102 mg, 0.27 mmol) 2 mL DCM'de -78 °C'de süspansiyonuna ekleyin.
    2. Reaksiyon karışımını yavaşça 0 °C'ye ısıtın ve bu sıcaklıkta 3,5 saat sallayın.
    3. Reaksiyon karışımını 6 N HCl'lik sulu çözeltinin 3 mL'si ile söndürün.
    4. Ortaya çıkan karışımı diatomaceous silika pedile süzün.
    5. Filtratı vacuo'da yoğunlaştırın ve kalıntıyı flaşkromatografisi ile arındırın (n-heksan/etil asetat 10:1).
      NOT: Flaş kromatografisi için elüent olarak silika jel 60 (230-400 mesh) ve uygun bir n-heksane/etil asetat karışımı kullanılır. Ürün soluk sarı bir yağdır. Bu protokoldeki tüm ürünlerin optik saflığı daha önce açıklandığı gibi27olarak belirlenmiştir. Aynı prosedür Zn/(S)-KUMOF-1'inüç boyutu için de takip edilmelidir.
  2. Ti/(S)-KUMOF-1ile heterojen katalitik karbonil-ene reaksiyonu .
    1. 0 °C'de DCM'de (2 mL) Ti/(S)-KUMOF-1 (12 mg, 0,029 mmol) süspansiyonuna 0,1 mL DCM'lik substrat çözeltisini (0,29 mmol) ekleyin ve bu sıcaklıkta 36 saat çalkalayın.
    2. Supernatant toplamak ve DCM 3 mL ile elde edilen kristalleri 3x yıkayın.
    3. Toplanan süpernatantı vacuo'da toplayın ve flaş kromatografisiile kalıntıyı arındırın (n-heksan/etil asetat 10:1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Zn reaktifini kullanan enantioselsel karbonil-ene reaksiyonu, alkoksi ve karbonil gruplarının metale olan bağlayıcı yakınlıkları arasındaki fark nedeniyle stokiyometriktir(Şekil 2). Bu nedenle, substratlar reaksiyon yerinde ürünlere dönüştürüldü ve orada kaldı. İstenilen ürünler, protokolün 4. Zn/(S )-KUMOF-1 (Tablo 1) substratlarınınheterojen enantioselsel karbonil-ene reaksiyonunun sonuçları, en küçük substratın(1a)kristalin içinde yayılabileceğini ve yüksek verimde ürüne dönüşebileceğini (%92) kanıtlayarak MOF'un tüm reaksiyon bölgelerinin mevcut olduğunu göstermiştir. Substrat boyutu arttıkça verim ve enantiomerik fazlalık (ee) azalmıştır, bu da daha büyük yüzeylerin MOF kristalinin içindeki reaksiyon bölgelerine erişemeyeceğini düşündürmektedir. En büyük substrat(1c)bu sistemde reaksiyona uğramadı. Reaksiyon kanalının bu durumda ilgili reaksiyon ürünleri tarafından engellenmesi akla yatkındır (Şekil 3). Substrat boyutu boşluğun büyüklüğüne göre yeterince küçük olduğunda, ek yüzeyler kristal nüfuz edebilir. Substrat boyutu çok büyükse, yüzey reaksiyon alanı ilk teması yapar ve doğrudan kanalın girişini engeller, bu da diğer yüzeylerin nüfuz etmesini imkansız kılar(Animasyon 1). Reaksiyon yüzeye yakın gerçekleşir gibi, ee daha düşük24 ve reaksiyon bölgesinin tıkanıklığı reaksiyon verimi azalır.

Parçacık boyutu etki sonuçları(Tablo 2)büyük kristallerin kristalin içindeki reaksiyon bölgelerini kullanırken küçük kristallerden daha iyi olduğunu ve bu sistemdeki reaksiyon alanının tanımlanmasını açıkça gösterdiğini göstermiştir. Zn/(S )-KUMOF-1'in üç boyutu kullanılarak 1a'nın karbonil-ene reaksiyonundaki verimler benzerdi, bu da üç MOF'nin etkinliğinin aynı olduğunu gösterir. Optik saflık, yüzey alanları arttığı için kristallerin azalan boyutuyla önemli ölçüde azaldı. Buna karşılık, daha büyük boyutlu bir kristal 1a derin nüfuz ve iç reaksiyon sitelerine daha iyi erişim sağlayan çok daha düşük yüzey alanı vardı.

Zn aracılı sistemin aksine, Ti-katalizsistem katalitik reaksiyon bölgelerinde meydana gelen olaylar hakkında daha fazla bilgi sağladı. Ti/(S)-KUMOF-1 (Tablo 3) tarafından yapılan heterojen katalitik karbonil-ene reaksiyonunun sonuçları substrat büyüklüğüne göre herhangi bir ayrım olmadığını ortaya koymuştur; gerçekten de, verim üzerinde substrat boyutu etkisi marjinal oldu. 2a optik saflık Zn aracılı reaksiyon yoluyla elde edilen ürüne göre çok daha düşüktü. Ürünün çoğu reaksiyon çözeltisinde bulundu ve kristalin içindeki miktar önemsizdi. Bu sonuçlar, reaksiyonların çoğunun yüzeyde veya altında meydana geldiğini ve ürünlerin hemen çözeltiye alındığını göstermektedir (Şekil 4) (Animasyon 2). Kavite boyutundan daha büyük olan substrat, yüzeydeki reaksiyon alanıyla temas edindiğimizde reaksiyona girer. Ürün kristal emilmeden katalitik siteden hızlı bir şekilde ayrıştırılır.

Bu sonuçlara dayanarak, MOF'ların reaksiyon bölgeleri ya dış yüzeyde veya MOF'lerin iç tarafında olabilir. Ancak, daha önce bildirildiği gibi, reaksiyon alanının chiral ortamı konumuna göre değişir. MOF'ler ile katalitik bir reaksiyon, reaksiyon alanının konumunu belirlemek için bu makalede önerilen yöntemi izlemelidir. Bu nedenle, reaksiyon katalitik ise, kanal içinde meydana gelen reaksiyon iddiaları yeniden ele alınmalıdır.

Figure 1
Şekil 1: İki sınıf enantioselselsellik karbonil-lavuz reaksiyonu. Lewis asit Cat I ve II bir önceki raporda homojen bir model reaksiyonu için kullanılmıştır27. Bu rakam Han ve ark.27izni ile yeniden basılmıştırBu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: Homojen stokiyometrik karbonil-ene reaksiyonunun olası mekanizması. Alkoksi ve karbonil grubu arasındaki bağlayıcı afiyetin metale farkı Zn aracılı karbonil-ene reaksiyonu stokiyometrik yapar. Bu rakam Han ve ark.27izni ile yeniden basılmıştırBu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: Heterojen stokiyometrik karbonil-ene reaksiyonunun şematik sunumu. Pembe renkli moleküller yüzeyleri temsil ederken, yeşiller reaksiyon bölgelerine bağlı ürünleri gösterir. (A) 1a 2a tarafından tıkanıklık ne olursa olsun kristal nüfuz etmek için yeterince küçük. (B) 1b 2b tıkanıklığı muzdarip ama yine de kanala yayılır. (C) 1c yüzeydeki reaksiyon alanı ile ilk teması yapar ve doğrudan 2ctarafından kanalın girişini engeller , hangi imkansız başka bir substrat nüfuz için yapar. Bu rakam Han ve ark.27izni ile yeniden basılmıştırBu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: Heterojen katalitik karbonil-ene reaksiyonunun şematik sunumu. Pembe renkli moleküller yüzeyleri temsil ederken yeşiller ürünleri gösterir. (A) to (D) tepkiadımlarını gösterir. Reaksiyon bölgesinden ürünlerin dissosiyası çok hızlıdır ve kristale nüfuz etmek gerekli değildir. Bu rakam Han ve ark.27izni ile yeniden basılmıştırBu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayınız.

Giriş Substrat t (h) verim (%) ee (%)
1 1a 3.5 92 50
2 1b 3.5 52 5
3 1c 20 Nr Na

Tablo 1: Heterojen stokiyometrik karbonil-ene reaksiyonu 1. NR = hiçbir reaksiyon, algılama sınırı altında; NA = geçerli değildir. Bu tablo Han ve ark.27'nin izniyle yeniden basıldı.

Giriş Katalizör verim (%) ee (%)
1 Zn/(S)-KUMOF-1-(L) 92 70
2 Zn/(S)-KUMOF-1-(M) 89 50
3 Zn/(S)-KUMOF-1-(S) 91 0

Tablo 2: Parçacık boyutu etki tayini sonucu. Bu belirleme için sadece 1a kullanıldı. Girişler 1-3 sırasıyla büyük, orta ve küçük boyutlu parçacıklara karşılık gelir. Bu tablo Han ve ark.27'nin izniyle yeniden basıldı.

çözeltiden elde edilen ürün MOF'dan elde edilen ürün
Giriş Substrat verim (%) ee (%) verim (%) ee (%)
1 1a 85 24 2.8 Na
2 1b 89 7 0.7 Na
3 1c 83 0 0.2 Na

Tablo 3: Heterojen katalitik karbonil-ene reaksiyonu 1. NA = geçerli değildir. Bu tablo Han ve ark.27'nin izniyle yeniden basıldı.

Animation 1
Animasyon 1: Heterojen stokiyometrik karbonil-ene reaksiyonunun animasyonlu illüstrasyonu. Bu videoyu izlemek için lütfen buraya tıklayın. (İndirmek için sağ tıklatın.)

Animation 2
Animasyon 2: Heterojen katalitik karbonil-ene reaksiyonunun animasyonlu illüstrasyonu. Bu videoyu izlemek için lütfen buraya tıklayın. (İndirmek için sağ tıklatın.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Sentezinden sonra (S)-KUMOF-1, bazı şişelerde kristaller toz gibi görünür ve kataliz de kullanım için uygun değildir. Bu nedenle , uygun kristaller (S)-KUMOF-1 seçilmelidir. (S)-KUMOF-1'in verimi sadece başarılı bir şekilde sentezlendiği şişeler kullanılarak hesaplanır. Çözücüden çekildiğinde, (S)-KUMOF-1 sökülür. Bu nedenle, kristaller her zaman ıslak tutulmalıdır. Bu nedenle bozulmadan (S)-KUMOF-1 kristallerinin solvente batırılmış tartımı zordur. (S)-KUMOF-1 miktarı katalizde kullanılmadan önce belirlenmelidir. (S )-KUMOF-1'i büyük bir ölçekte sentezleyerek ve şişedeki bazı kristal örneklerini terk ederek verimin istatistiksel olarak hesaplanması mümkün oldu. Verim, şişe başına mükemmel kurutulmuş numuneler tartılarak hesaplanmıştır. Sentezlenen popülasyondan örnekler rastgele seçilmiştir(S)-KUMOF-1 şişe sayısına göre ortalama. Bu yöntem, bir şişede (S)-KUMOF-1' in istatistiksel olarak tanımlanmış bir miktarını vermiştir. Kataliz için gerekli olan miktar (S)-KUMOF-1 şişelerde kristaller toplanarak hazırlanmıştır (örn. gerekli miktarda (S)-KUMOF-1 = miktar (S)-KUMOF-1 şişe başına x şişe sayısı). (S)-KUMOF-1'in çözücüde yüzen alt bölümü, hesaplanan substrat eşdeğerlerinin eşleştirilmesi nde yanlıştır; kullanılan substrat miktarı hesaplanan tutardan hesaplanır (S)-KUMOF-1. Kristal yapısı ve özellikleri daha önce bildirilmiştir2,27.

Zn ve Ti katalizörleri ile homojen karbonil-ene reaksiyonları homojen reaksiyonda substrat boyutuna göre ayrımcılık olmadığını kanıtlamak için daha önce yapılmıştır. Bu noktada, substrat boyutunun reaksiyon verimliliği üzerindeki etkisi heterojen reaksiyondaki yle aynı şekilde ihmal edilebilir. Ti/(S)-KUMOF-1 kullanılarak karbonil-ene reaksiyonu için gereken sıcaklık 0 °C'dir. Kristallerin parçalama problemleri nedeniyle, tüm reaksiyonlar sallayarak ve karıştırarak değil yapılmalıdır. Ancak, düşük sıcaklık sallayarak kuluçka odası mevcut değildi. Bunun yerine polistiren köpük buzluk kullanılmıştır. Buzlukta paslanmaz çelik tel test tüpü rafı yerleştirildi ve sıkıca kapatılmış reaksiyon şişeleri rafa sabitlendi. Buzluk içine ~1 cm yüksekliğe su döküldü ve buz küpleri eklendi. Kapakkaplı buzkutusu çalkalayıcıüzerine konuldu ve yapışkan bantla sabitlendi. Eriyen buzların yerine yeni buz küpleri eklendi. Zn/(S)-KUMOF-1kullanılarak karbonil-ene reaksiyonu için çözeltiye substrat eklenmeden önce reaksiyon şişesi kriyojenik soğutma banyosunda (asetonlu kuru buz) saklandı. Substrat ekledikten sonra, reaksiyon şişesi yukarıda açıklanan buzkutusuna taşındı.

Karbonil-ene reaksiyonunda kullanılan Zn/(S)-KUMOF-1 ve Ti/(S)-KUMOF-1 reaksiyon alanı doğrulaması için iyi işaretlenmiş veriler İki Foton Mikroskopisi (TPM) ölçümleri ile görüntülenebilir27. (S)-KUMOF-1 kristallerinin TPM ile karakterizasyonu daha önce bildirilmiştir. Yeni sentezlenen MOF'ların kavite boyutunu ölçmek için, çeşitli boyboyalarla TPM ölçümlerimevcuttur 30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma, Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) Temel Bilim Araştırma Programı NRF-2019R1A2C4070584 ve Kore hükümeti (MSIP) tarafından finanse edilen Bilim Araştırma Merkezi NRF-2016R1A5A1009405 tarafından desteklenmiştir. S. Kim, NRF Global Ph.D. Bursu (NRF-2018H1A2A1062013) tarafından desteklenmiştir.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yoon, M., Srirambalaji, R., Kim, K. Homochiral Metal-Organic Frameworks for Asymmetric Heterogeneous Catalysis. Chemical Reviews. 112, 1196-1231 (2012).
  2. Jeong, K. S., et al. Asymmetric Catalytic Reactions by NbO-Type Chiral Metal-organic Frameworks. Chemical Science. 2, 877-882 (2011).
  3. Ma, L., Falkowski, J. M., Abney, C., Lin, W. A Series of Isoreticular Chiral Metal-Organic Frameworks as a Tunable Platform for Asymmetric Catalysis. Nature Chemistry. 2, 838-846 (2010).
  4. Férey, G., et al. A Chromium Terephthalate-Based Solid with Unusually Large Pore Volumes and Surface Area. Science. 309, 2040-2042 (2005).
  5. Doitomi, K., Xu, K., Hirao, H. The Mechanism of an asymmetric Ring-Opening Reaction of Epoxide with Amine Catalyzed by a Metal-Organic Framework: Insights from Combined Quantum Mechanics and Molecular Mechanics Calculations. Dalton Transactions. 46, 3470-3481 (2017).
  6. Mo, K., Yang, Y., Cui, Y. A Homochiral Metal-Organic Framework as an Effective Asymmetric Catalyst for Cyanohydrin Synthesis. Journal of the American Chemical Society. 136, 1746-1749 (2014).
  7. Wu, C., Hu, A., Zhang, L., Lin, W. A Homochiral Porous Metal-Organic Framework for Highly Enantioselective Heterogeneous Asymmetric Catalysis. Journal of the American Chemical Society. 127, 8940-8941 (2005).
  8. Tanaka, K., Oda, S., Shiro, M. A Novel Chiral Porous Metal-Organic Framework: Asymmetric Ring Opening Reaction of Epoxide with Amine in the Chiral Open Space. Chemical Communications. 820-822 (2008).
  9. Inagaki, S., Guan, S., Ohsuna, T., Terasaki, O. An Ordered Mesoporous Organosilica Hybrid Material with a Crystal-like Wall Structure. Nature. 416, 304-307 (2002).
  10. Fang, Q. R., et al. Mesoporous Metal-Organic Framework with Rare Etb Topology for Hydrogen Storage and Dye Assembly. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6638-6642 (2007).
  11. Gheorghe, A., Tepaske, M. A., Tanase, S. Homochiral Metal-organic Frameworks as Heterogeneous Catalysts. Inorganic Chemistry Frontiers. 5, 1512-1523 (2018).
  12. Cho, S. -H., Ma, B., Nguyen, S. T., Hupp, J. T., Albrecht-Schmitt, T. E. A Metal-Organic Framework Material That Functions as an Enantioselective Catalyst for Olefin Epoxidation. Chemical Communications. 2563-2565 (2006).
  13. Lin, W. Homochiral Porous Metal-Organic Frameworks: Why and How. Journal of Solid State Chemistry. 178, 2486-2490 (2005).
  14. Dybtsev, D. N., et al. Homochiral Metal-Organic Material with Permanent Porosity, Enantioselective Sorption Properties, and Catalytic Activity. Angewandte Chemie International Edition. 45, 916-920 (2006).
  15. Seo, J., et al. Homochiral Metal-Organic Porous Material for Enantioselective Separation and Catalysis. Nature. 404, 982-986 (2000).
  16. Park, Y. K., et al. Crystal Structure and Guest Uptake of a Mesoporous Metal-Organic Framework Containing Cages of 3.9 and 4.7 Nm in Diameter. Angewandte Chemie International Edition. 46, 8230-8233 (2007).
  17. Tanaka, K., et al. Asymmetric Ring- Opening Reaction of meso-Epoxides with Aromatic Amines Using Homochiral Metal-Organic Frameworks as Recyclable Heterogeneous Catalysts. RSC Advances. 8, 28139-28146 (2018).
  18. Jaroniec, M. Organosilica the Conciliator. Nature. 442, 638-640 (2006).
  19. Tanaka, K., Sakuragi, K., Ozaki, H., Takada, Y. Highly Enantioselective Friedel-Crafts Alkylation of N,N-Dialkylanilines with trans-β-Nitrostyrene Catalyzed by a Homochiral Metal-Organic Framework. Chemical Communications. 54, 6328-6331 (2018).
  20. Cao, L., et al. Self-Supporting Metal-Organic Layers as Single-Site Solid Catalysts. Angewandte Chemie International Edition. 55, 4962-4966 (2016).
  21. Hu, Z., et al. Kinetically controlled synthesis of two-dimensional Zr/Hf metal-organic framework nanosheets via a modulated hydrothermal approach. Journal of Materials Chemistry A. 5, 8954-8963 (2017).
  22. Ashworth, D. J., Foster, J. A. Metal-organic framework nanosheets (MONs): a new dimension in materials chemistry. Journal of Materials Chemistry A. 6, 16292-16307 (2018).
  23. Zhao, M., et al. Two-dimensional metal-organic framework nanosheets: synthesis and applications. Chemical Society Reviews. 47, 6267-6295 (2018).
  24. Lee, M., Shin, S. M., Jeong, N., Thallapally, P. K. Chiral Environment of Catalytic Sites in the Chiral Metal-organic Frameworks. Dalton Transactions. 44, 9349-9352 (2015).
  25. Wang, C., Zheng, M., Lin, W. Asymmetric Catalysis with Chiral Porous MetalOrganic Frameworks: Critical Issues. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2, 1701-1709 (2011).
  26. Thiele, E. W. Relation between Catalytic Activity and Size of Particle. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 31, 916-920 (1939).
  27. Han, J., Lee, M. S., Thallapally, P. K., Kim, M., Jeong, N. Identification of Reaction Sites on Metal-Organic Framework-Based Asymmetric Catalysts for Carbonyl-Ene Reaction. ACS Catalysis. 9, 3969-3977 (2019).
  28. Sakane, S., Maruoka, K., Yamamoto, H. Asymmetric Cyclization of Unsaturated Aldehyde Catalyzed by a Chiral Lewis Acid. Tetrahedron. 42, 2203-2209 (1986).
  29. Sakane, S., Maruoka, K., Yamamoto, H. Asymmetric Cyclization of Unsaturated Aldehydes Catalyzed by a Chiral Lewis Acid. Tetrahedron Letters. 26, 5535-5538 (1985).
  30. Shin, S. M., Lee, M. S., Han, J. H., Jeong, N. Assessing the Guest-Accessible Volume in MOFs Using Two-Photon Fluorescence Microscopy. Chemical Communications. 50, 289-291 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics