Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Heterogene verwijdering van in water oplosbare Ruthenium olefine Metathese katalysator uit waterige Media Via Host-Guest interactie

Published: August 23, 2018 doi: 10.3791/58067
Automatic Translation
1, 1
1Department of Chemical and Biomedical Engineering, Florida State University

Summary

Een verwisselbare wateroplosbare N-heterocyclische carbeen (NHC) ligand in waterige media via host-guest interactie heeft ontwikkeld. We toonden de representatieve olefine Metathese reacties in water zo goed zoals in dichloormethaan. Via de host-guest interactie of extractie werd de residuele ruthenium (Ru)-katalysator zo laag als 0,14 ppm na de reactie.

Abstract

Een zeer efficiënte overgangsmetalen katalysator verwijdering methode is ontwikkeld. De in water oplosbare katalysator bevat een nieuw ontworpen NHC ligand voor het verwijderen van de katalysator via host-guest interacties. De nieuwe NHC-ligand bezit een adamantyl (gast) aangebonden lineaire ethyleen glycol eenheden voor hydrofobe opname in de holte van een samengestelde β-Cyclodextrine (β-CD)-host. De nieuwe NHC-ligand werd toegepast op een Ru gebaseerde olefine Metathese-katalysator. De Ru-katalysator aangetoond uitstekend activiteit in representatieve ring-sluiting Metathese (RCM) en ring-opening Metathese polymerisatie (ROMP) Reacties in waterige media, alsook organisch oplosmiddel, CH2Cl2. Na de reactie voltooid was, het aanhoudende Ru residu is verwijderd uit de waterige oplossing met de efficiëntie van meer dan 99% (53 ppm van Ru residu) door eenvoudige filtratie met behulp van een host-guest interactie tussen onoplosbare silica-geënt β-CD (host) en de adamantyl groep (gast) op de katalysator. De nieuwe Ru-katalysator ook blijk gegeven van hoge verwijdering efficiëntie via extractie wanneer de reactie in organisch oplosmiddel wordt uitgevoerd door het partitioneren van de ruwe reactiemengsel tussen lagen diethylether en water. Op deze manier blijft de katalysator in waterige laag alleen. In organische laag was het resterende bedrag van de Ru alleen 0,14 ppm in de RCM reacties van diallyl-verbindingen.

Introduction

De verwijdering van de homogene organometaal katalyse van het product is een belangrijke kwestie in de moderne scheikunde1,2. Residuele katalysator niet lukt niet alleen toxiciteit van het zware metaal element, maar ook een ongewenste transformatie van product uit haar potentiële reactiviteit. Homogene katalysator heeft vele voordelen, zoals hoogactieve, snelle reactiesnelheid en chemoselectivity3, de verwijdering van het product is echter veel moeilijker dan heterogene katalysator die is gewoon verwijderd door filtratie of decanteren. De combinatie van de voordelen van homogene en heterogene katalysator, dat wil zeggen, homogene reactie en heterogene verwijdering, vertegenwoordigt een belangrijk concept voor de zeer reactieve en eenvoudig verwijderbaar organometaal katalysator. Figuur 1 geïllustreerd het werkingsprincipe van de reactie van de homogene en heterogene verwijdering van de katalysator via host-guest interactie.

Host-guest chemistry is noncovalent verlijmen van moleculaire erkenning tussen gastheer moleculen en gast moleculen in supramoleculaire chemie4,5,6,7,8. Cyclodextrine (CDs), cyclische oligosacharide, zijn vertegenwoordiger gastheer moleculen9,10,11,12, en ze zijn toegepast in het brede gebied van wetenschap, zoals polymeren 13 , 14, katalyse15,16, biomedische applicaties6,10en analytische chemie17. Een gast-molecuul, adamatane, bindt sterk aan de hydrofobe holte van β-CD (host, 7-ring cyclische saccharide) met hoge vereniging constante, Ka (log Keen = 5.04)18. Deze supramoleculaire bindende affiniteit is sterk genoeg om de resterende katalysator complexe verwijderen uit de reactie van de waterige oplossing met solide ondersteunde β-CD.

Onder vele katalysatoren die in aanmerking komen voor de verwijdering van de host-guest, werd Ru olefine Metathese katalysator bestudeerd vanwege de hoge praktische nut en hoge stabiliteit tegen lucht en vocht. De olefine metathese-reactie is een belangrijk instrument in de synthetische chemie om een koolstof-koolstof dubbele binding in de aanwezigheid van een overgangsmetalen katalysator19,20,21,22te vormen. De ontwikkeling van stabiele Ru olefine Metathese katalysator trigged de Metathese als een grote veld in de synthetische chemie (b.v., RCM en kruis Metathese (CM)) en polymeren (bijvoorbeeld, RAVOTTEN en acyclische dieen Metathese (ADMET)). In het bijzonder synthetiseert de RCM verbindingen en kleine en middelgrote ringen die moeilijk geweest om te bouwen van23.

Ondanks synthetische nutsvoorzieningen van Ru gekatalyseerd olefine Metathese is volledige verwijdering van gebruikte Ru katalysator van het gewenste product een belangrijke uitdaging voor de vele praktische toepassingen24. Bijvoorbeeld, werd 1912 ppm van Ru residu waargenomen in ring-sluiting Metathese product na silicagel kolom-chromatografie25. Residuele Ru kan leiden tot problemen zoals olefine isomerisatie, ontleding, kleuring en toxiciteit van geneesmiddelen26. Internationale conferentie voor harmonisatie (ICH) publiceerde een richtsnoer van residuele metalen reagentia in farmaceutische producten. Het maximaal toegestane niveau van de Ru in farmaceutisch product is 10 ppm27. Om deze redenen werden verschillende benaderingen geprobeerd te verwijderen Ru residu van de product oplossing28,29,30,31,32,33. Ook, de ontwikkelingen van verwisselbare Ru katalysatoren zijn bestudeerd voor zuivering zonder speciale behandeling na de reactie. Onder diverse methoden van reiniging, werden catalyst ligand wijzigingen berecht ter verbetering van de efficiëntie van silica gel filtratie en vloeibare extractie. Hoogefficiënte silicagel filtratie kan bijvoorbeeld worden bereikt door geïntroduceerde ion code op benzylideenkamfer34 of ruggengraat van NHC ligand35,36. De katalysator rekening houdend met poly(ethylene glycol)37 of ion label35 op een ligand NHC kan de verbetering van de efficiëntie van waterige extractie voor het verwijderen van de katalysator van de Ru.

Onlangs berichtten we zeer wateroplosbare Ru olefine Metathese katalysator, die niet alleen hoge reactiviteit, maar ook hoge katalysator verwijdering tarief aangetoond. Bovendien is de Metathese en katalysator verwijdering opgetreden in zowel water als dichloormethaan34,35,,36,,37. Het belangrijkste kenmerk van de nieuwe katalysator is dat de nieuwe NHC adamantyl aangebonden oligo(ethylene glycol) draagt. Oligo(Ethylene glycol) biedt hoge water oplosbaarheid van de gehele katalysator complex. Daarnaast beschikt de oligo(ethylene glycol) over adamantyl eind groep die kan worden gebruikt in de host-guest interactie met externe β-CD.

Hierin, beschreven we de protocollen voor katalysator synthese, Metathese reacties en katalysator verwijdering in zowel water als dichloormethaan.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Opmerking: Presenteerden We de synthese van 4-(97-(adamantan-1-yloxy)-2,5,8,11,14,17,20,23,26,29,32,35,38,41,44,47,50,53,56,59,62,65,68,71,74,77,80,83,86,89,92,95-dotriacontaoxaheptanonacontyl)-1,3-dimesityl-4,5-dihydro-1H-imidazol-3-ium Zilvertetrafluorboraat (imidazolium zout A) en host complexe, β-CD geënt silica, in onze eerdere papier38. In het protocol beschrijven we een synthese van onze wateroplosbare Ru olefine Metathese katalysator en Metathese Reacties (RCM en RAVOTTEN).

1. synthese van (4-(97-((adamantan-1-yl)oxy)-2,5,8,11,14,17,20,23,26,29,32,35,38,41,44,47,50,53,56,59,62,65,68,71,74,77,80,83,86,89,92,95-dotriacontaoxaheptanonacontyl)-1,3-dimesitylimidazolidinylidene)dichloro ( o - isopropoxyphenylmethylene) ruthenium (katalysator 1)

  1. Droog een 25 mL kolf met ronde bodem met een opzwepende bar, een flesje van 20 mL en een spatel in de oven.
  2. Zet 118 mg imidazolium zout per (0.060 mmol) in een flesje van 4 mL.
  3. Plaats de voorbereide imidazolium zout A in gedroogde glaswerk, een tussenschot en de spatel in een kamer van het handschoenenkastje en vacuüm voor 2 h.
  4. Na het volledig verwijderen van de lucht in handschoenenkastje zaal, leegmaken van het inert gas in de kamer, dan verhuizen ze naar het handschoenenkastje.
  5. In het handschoenenkastje, zetten 54 mg van Teheran-Grubbs (H-G) 1st generatie (0.090 mmol, 1.5 equiv.) in een flesje van 20 mL.
  6. Los het zout bereid imidazolium in 2,0 mL tolueen en breng dit in de 50 mL kolf met ronde bodem aan de balie te roeren.
  7. Voeg 0,18 mL kalium bis (trimethylsilyl) amide (KHMDS) oplossing (0.5 M tolueen oplossing, 0.090 mmol, 1.5 equiv.) in het zout oplossing van imidazolium.
  8. Swirl de kolf te mengen van de reagentia.
  9. Los van de H-G 1st generatie in 3,0 mL tolueen, voeg dan deze oplossing in de reactiekolf.
  10. De erlenmeyer met tussenschot en deze vervolgens verwijdert deze uit het handschoenenkastje.
  11. Roer het reactiemengsel gedurende 3 uur bij 80 ° C.
  12. Na 3 h, het zuiveren van de katalysator door chromatografie op neutrale aluminiumoxide, uitgewassen met EtOAc/MeOH = 15/1. De donkere groene oplossing te verzamelen.
    Opmerking: Verdamping van het oplosmiddel is niet vereist voor de chromatografie. Rf -waarde is 0,46 op neutrale aluminiumoxide, uitgewassen met EtOAc/MeOH = 15/1.
  13. Verwijder het oplosmiddel onder verminderde druk.
  14. Vacuüm het definitieve residu te verkrijgen van donkere groene wasachtige solid.

2. metathese-reactie en verwijdering van katalysator residu in waterige Media

  1. Bereiden ontgaste deuteriumoxide (D2van O) of gedeïoniseerd water door borrelende D2O of gedeïoniseerd water met stikstofgas meer dan 2 uur.
  2. Zet 4,4 mg van de katalysator- 1 (0,0020 mmol) en 41 mg 2-allyl -N,N,N- trimethylpent-4-nl-1-aminium chloride (tetraalkyl ammonium substraat) (0,20 mmol) in elke 4,0 mL flesje.
  3. Los van het substraat tetraalkyl ammonium in 0,5 mL van ontgaste D2O (of H2O), voeg dan de oplossing in de katalysator 1.
  4. Zegel van de flacon reactie, dan Verwarm het reactiemengsel gedurende 24 uur bij 45 ° C. De reactie conversie door 1H NMR volgen.
    Opmerking: Monitor de 1H NMR piek conversie van 3,25 ppm (doublet, -NCH2CH - in substraat) naar 3,52 ppm (doublet, -NCH2CH - product).
  5. Na de voltooiing van de reactie, koelen de flacon van de reactie bij kamertemperatuur.
  6. Voeg 150 mg van β-CD geënt silica in het reactiemengsel.
    Opmerking: Geënte β-CD eenheid op de silicagel werd berekend door Thermogravimetrische analyse (TGA) in 1.57 10-4 mmol/mg.
  7. Roer het reactiemengsel gedurende 10 uur bij kamertemperatuur.
  8. Filter het reactiemengsel via katoen plug.
  9. Verwijder het oplosmiddel in een bevriezing van de droger.

3. ring-opening Metathese polymerisatie en verwijdering van katalysator residu in waterige Media

  1. Bereiden ontgaste D2O of gedeïoniseerd water door borrelende D2O of gedeïoniseerd water met stikstofgas meer dan 2 uur.
  2. Zet 4,4 mg van de katalysator- 1 (0,0020 mmol) en 17.1 mg 2-((3aR*,4S*,7R*,7aS*)-1,3-dioxo-1,3, 3a, 4, 7, 7a-hexahydro-2H-4,7-methanoisoindol-2-yl)- N,N,N- trimethylethan-1-aminium chloride (monomeer, Figuur 5) (0.060 mmol) in elke 4,0 mL flesje.
  3. Los van het monomeer in 0,5 mL van ontgaste D2O (of H2O), voeg dan de oplossing in de katalysator 1.
  4. Zegel van de flacon reactie, dan Verwarm het reactiemengsel voor 2 h bij 45 ° C. De reactie conversie door 1H NMR volgen.
    Opmerking: Monitor de 1H NMR piek verdwijning op 6,14 ppm (-CH= CH- in monomeer).
  5. Na de voltooiing van de reactie, koelen de flacon van de reactie bij kamertemperatuur.
  6. De reactie met 0,1 mL van vinyl ethylether doven.
    Opmerking: Blussen is nodig om te distantiëren van de Ru katalysator uit polymeer keten terminal.
  7. Voeg 150 mg van β-CD geënt silica in het reactiemengsel.
  8. Roer het reactiemengsel gedurende 10 uur bij kamertemperatuur.
  9. Filter het reactiemengsel via katoen plug.
  10. Verwijder het oplosmiddel in een bevriezing van de droger.

4. metathese-reactie en verwijdering van katalysator residu van CH2Cl2

  1. 4,4 mg van de katalysator- 1 (0,0020 mmol) en 48 mg diethyl-diallylmalonate (0,20 mmol) in elke 4,0 mL flesje plaatsen
  2. Los van de diethyl-diallylmalonate in 0,5 mL CH2Cl2, voeg dan de oplossing in de katalysator 1.
  3. Zegel van de flacon reactie, dan blijven het reactiemengsel bij kamertemperatuur voor 1 h. Monitor de reactie conversie door 1H NMR.
    Opmerking: Monitor de 1H NMR piek conversie van 2.63 ppm (doublet, -CCH2CH = CH2 in substraat) tot 3.01 ppm (singlet, -CCH2CH = CHCH2C - product).
  4. Na de voltooiing van de reactie, breng u de resulterende reactiemengsel in een flacon van 30 mL.
  5. Verdun de reactie-oplossing met 15 mL diethylether.
  6. De organische oplossing met 15 mL water voor vijf keer wassen.
  7. Droog de organische laag met MgSO4en filtreer de oplossing door middel van katoen stekker om MgSO4 deeltjes te verwijderen.
  8. Voeg 60 mg van actieve kool in de resulterende oplossing, dan roer het mengsel gedurende 24 uur bij kamertemperatuur.
  9. Filtreer de oplossing door middel van katoen plug te verwijderen van actieve kool en verwijder het oplosmiddel onder verminderde druk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 2 beschrijft de ligand uitwisseling reactie voor onze katalysator 1. Het spectrum van 1H NMR is afgebeeld in Figuur 3.

Figuur 4 toont de RCM in waterige oplossing en latere verwijdering van gebruikte katalysator uit het reactiemengsel via host-guest interactie, en tabel 1 geeft een overzicht van RCM in waterige media. Quaternaire ammoniumzouten substraat werd volledig omgebouwd tot overeenkomstige product met 1 mol % van de katalysator- 1en de conversie werd gevolgd door 1H NMR. Na de metathese-reactie, was de resulterende reactiemengsel geroerd met β-CD geënt silicagel voor 10u. Als Figuur 4 beschreven, dark reactie oplossing bleek duidelijk na de verwijdering van de host-guest. De resulterende oplossing werd gefilterd door middel van een stekker van katoen, en vervolgens het oplosmiddel werd verwijderd in een bevriezing van de droger. De residuele Ru niveau van het product was geanalyseerd door inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICP-MS), en 53 ppm van residuele Ru was ontdekt van het eindproduct (tabel 1, ingang 1). In post 2, werd hetzelfde protocol toegepast op primaire ammonium substraat. 3 mol % van katalysator laden verstrekt volledige conversie, en het resterende Ru-niveau van dit product was 284 ppm.

RAVOTTEN in de waterige oplossing wordt beschreven in Figuur 5. Na de verwijdering van katalysatoren, werd de residuele Ru geanalyseerd door ICP-MS.

Figuur 6 beschrijft de demonstratie van RCM reactie in CH2Cl2 en de verwijdering van gebruikte katalysator van reactiemengsel via extractie, en tabel 2 toont de omvang van de RCM in CH2Cl2. Na de reactie, werd gebruikte katalysator verwijderd door de extractie en de daaropvolgende behandeling met actieve kool. Behalve zeer gehinderd substraat (tabel 2, ingang 3), de substraten aangetoond volledige conversies met 1 mol % van katalysator 1. Na metathese-reactie in CH2Cl2, was het reactiemengsel verdund met diethylether. De verdunde organische oplossing was voor vijf keer met water geëxtraheerd. Zoals aangegeven in Figuur 6, werd de heldere oplossing verkregen na de extractie. Na de extractie, actieve kool is toegevoegd in de gedroogde organische oplossing, dan de oplossing was geroerd gedurende 24 uur. De actieve kool is verwijderd door filtratie en de resulterende oplossing was geconcentreerd onder verminderde druk. Het restproduct werd geanalyseerd door ICP-MS voor het meten van de residuele niveau van Ru en 5.9 ppm voor Ru was ontdekt van het product. Zonder actieve kool behandeling, de residuele Ru-niveau was 63 pag/min, en deze waarde is niet aanvaardbaar voor farmaceutische doeleinden (tabel 2, ingang 1).

Figure 1
Figuur 1 . Afbeelding van het concept voor heterogene katalysator verwijdering van homogene katalysator via host-guest interactie. Dit cijfer is gewijzigd van biologische Letters. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 

Figure 2
Figuur 2 . Synthese van katalysator 1 uit imidazolium zout A. NHC ligand werd gegenereerd door deprotonering van imidazolium zout A, dan ligand uitwisseling reactie volgde aan formulier een katalysator 1. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Fugure 3. 1 H NMR spectrum katalysator 1 en zijn toewijzing. 1 H NMR (600 MHz, CD2Cl2) δ 16.44 (s, 1 H, Heen), 7.53 (t, J = 7.8 Hz, 1 H, Hk), 7.05 (d, J = 16.2 Hz, 4 H, Hj), 6.93 (d, J = 7.8 Hz, 1 H, Hk), 6.88 (t, J = 7,5 Hz, 1 H, H k), 6.81 (d, J = 8.4 Hz, 1 H, Hk), 4,90-4.79 (m, 1 H, Hb), 4,59-4,50 (m, 1 H, Hc), 4.26 (t, J = 10,8, 1 H, H,d), 4.06 (t, J = 8,7 Hz, 1 H, Hd), 3.67-3.48 (m, 130 H, H l), 2,59-2.18 m, 18 H, He, 2.10 (s, 3 H, Hf), 1.71 (d, J = 3.2 Hz, 6 H, Hg), 1.60 (dd, J1 = 28.5 Hz, J2 = 12,3 Hz, 6 H, Hh), 1,24-1.17 (m, 6 H, H Ik). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 . Host-guest verwijdering van Ru katalysator na RCM in waterige media (tabel 1, ingang 1). (a) begin van reactie op t = 0 (mengsel van katalysator 1, substraat en oplosmiddel D2O). (b) voltooid reactie op t = 24 h. (c) toevoeging van β-CD geënt silica in het reactiemengsel. (d) als gevolg van de oplossing na 10u roeren. (e) de filtratie van de resulterende oplossing; het donkere Ru katalysator residu is verwijderd door te filteren. De resulterende gezuiverde oplossing is kleurloos in het flesje. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 

Figure 5
Figuur 5 . BUITELEN in waterige media. Dit cijfer is gewijzigd van biologische Letters. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6 . RCM in CH 2 Cl 2 en verwijdering van katalysator 1 (tabel 2, ingang 1). (a) begin van reactie op t = 0 (mengsel van katalysator 1, substraat en oplosmiddel CH2Cl2). (b) de voltooiing van de reactie op t = 1 h. c verdunning met extra 15 mL diethylether; een donkere katalysator residu werd verspreid in de oplossing. (d) waterige laag alleen na 1st extractie. Een grote hoeveelheid water opgeloste katalysator is verwijderd uit een organische laag. (e) fase-separatie zichtbaar na 2nd extractie (bovenste laag: organische met product alleen, onderste laag: waterige met katalysator). (f) organische laag na 5th extractie. Er is geen visuele weergave van donkere katalysator in de organische laag. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 

Figure 7
Figuur 7 . Illustratie van algemene host-guest verwijderingsproces na metathese-reactie in waterige media. Dit cijfer is gewijzigd van biologische Letters. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.    

ingang substraat product conversie katalysator laden [Ru] (ppm)
1 Image 1 Image 2 > 95% 1 mol % 53
2 Image 3 Image 4 > 95% 3% van de mol 284

Tabel 1.   RCM in waterige media en verwijdering van gebruikte katalysator via host-guest interactie. Reactie voorwaarde: 45 ° C in D2O voor 24 h. residuele Ru niveau in product werd geanalyseerd door ICP-MS; het gedetailleerde proces van het ICP-MS-analyse wordt beschreven in het ondersteunende informatie van de vorige verslag-38. Deze tabel is gewijzigd van biologische Letters. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018).

ingang substraat product conversie [Ru] (ppm)
1 Image 5 Image 6 > 95% 5.9 (63)een
2 Image 7 Image 8 > 95% 3.5
3 Image 9 Image 10 Trace -
4 Image 11 Image 12 > 95% 0.14
5 Image 13 Image 14 > 95% 5.0
6 Image 15 Image 16 > 95% 5.3

Tabel 2. RCM in CH 2 Cl 2 en verwijdering van gebruikte katalysator via de winning en behandeling met actieve kool. Reactie voorwaarde: 40 ° C met 1 mol % voor katalysator 1 in CH2Cl2 voor 1 h. residuele Ru niveau in product werd geanalyseerd door ICP-MS. posten 1 en 4 werden uitgevoerd bij kamertemperatuur. een De uitgepakte ruwe product werd gefilterd via een pad silica zonder actieve kool behandeling. Deze tabel is gewijzigd van biologische Letters. 20 (3), 736-739, doi: 10.1021/acs.orglett.7b03871 (2018).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

We beschreven de synthese van verwisselbare homogene Ru olefine Metathese katalysator en de verwijdering van zowel organische als waterige oplossingen. Homogene katalyse biedt vele voordelen ten opzichte van heterogene katalysatoren, zoals hoge reactiviteit en snelle reactiesnelheid; de verwijdering van de gebruikte katalysator van het product is echter moeilijker dan heterogene katalysator3. Het belangrijkste kenmerk van gesynthetiseerde katalysator is de NHC-ligand, die adamantyl aangebonden water oplosbare oligo(ethylene glycol) draagt. De gepresenteerde katalysator aangetoond de homogene reacties waterige en biologische oplossingen, zowel in de resterende die ru was gemakkelijk verwijderd door filtratie met behulp van een host-guest interactie4,5,6, 7 , 8 en vloeistof extractie.

Figuur 7 beschrijft een verwijdering van gebruikte katalysator via host-guest interactie na metathese-reactie in water oplossing. Na volledige conversie met homogene katalyse in hoge reactiviteit en snelle reactiesnelheid, werd host complex toegevoegd aan het reactiemengsel vormen een heterogene host-guest complex tussen β-CD op host en adamantaan deel daarvan op onze katalysator 118 . Na filtratie van de resulterende oplossing, is meer dan 99% van de resterende Ru verwijderd uit het product (tabel 1, ingang 1).

Zoals aangegeven in tabel 1, synthetisch nuttig primaire ammonium zout werd substraat volledig omgebouwd tot overeenkomstige product met een katalysator laden, 3 mol % van katalysator (post 2). De residuele Ru van deze primaire ammonium product was 284 ppm na filtratie, wat betekent dat 98,7 procent van gebruikte Ru is verwijderd door de host-guest interactie. De reden voor de hogere katalysator laden en residuele Ru niveau dan de reactie met quaternaire ammoniumzouten mogelijk de coördinatie tussen de Ru metaal en stikstof in primaire ammonium na ionisatie in water. Bovendien, Figuur 5 beschrijft RAVOTTEN van in water oplosbare monomeer met onze katalysator in waterige media en het polymeer werd verkregen in kwantitatieve rendement met 269 ppm van residuele Ru, waardoor 97,7% van Ru werd verwijderd. In RAVOTTEN reactie is het belangrijk om te bevrijden van de Ru-katalysator uit polymeer keten blussen met vinyl ethylether.

Bovendien, onze katalysator aangetoond hoge reactiviteit in CH2Cl2 met veelgebruikte RCM substraten (tabel 2). Gehinderd substraat in ingang 3 werd alleen geleverd trace hoeveelheid product, en andere substraten werd volledig omgebouwd tot gewenste producten. Zoals aangegeven in Figuur 6, de meeste van de resterende Ru werd verwijderd door waterige extractie. Na filtratie met uitgepakte product via silica pad, werd 63 pag/min voor residuele Ru waargenomen (ingang 1). Actieve kool behandeling met uitgepakte product bepaald, uitstekende verwijdering van gebruikte Ru katalysator37, die waren minder dan 10 ppm, de limiet van de farmaceutisch aanvaardbaar Ru in product27.

Vanwege de ontleding van katalysator 1 tijdens/na Metathese reacties39was de recycling van de katalysator niet mogelijk. Omdat host-guest interactie een omkeerbaar proces4,5,6,7,8 is, zal de omkeerbaarheid van de gerapporteerde liganden van de NHC worden bestudeerd om volledig recyclebaar organometaal katalyse systeem40 als het uiteindelijke doel van deze lijn van onderzoek. Bovendien kan de gerapporteerde homogene katalysator systeem verder worden toegepast op een grote schaal metaal opruiming methode. Na een gewenste grote schaal chemische reactie, kan de gast-gelabeld katalysator volledig worden verwijderd door het passeren van de productoplossing door host-gelabeld solide verpakt cartridge.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren geen concurrerende financieel belang.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de Florida State University energie en materialen huren-initiatief en de FSU departement van chemische en biomedische technologie.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hoveyda-Grubbs Catalyst 1st Generation Sigma-Aldrich 577944 Air sensitivie. Light sensitivie.
Diethyl diallylmalonate Sigma-Aldrich 283479
Ethyl vinyl ether Sigma-Aldrich 422177 Air sensitive.
Aluminum oxide Sigma-Aldrich 06300 Activated, neutral, Brockmann Activity I
Potassium bis(trimethylsilyl)amide solution (0.5 M in toluene) Sigma-Aldrich 277304 Moisture sensitive.
Etyhl acetate VWR BDH1123 Flammable liquid.
Methanol VWR BDH1135 Flammable liquid. Toxic.
Deuterium Oxide 99.8%D TCI W0002
Methylene Chloride-D2 (D, 99.8%) Cambridge Isotope Laboratories, Inc. DLM-23 Flammable liquid. Toxic.
Activated carbon Sigma-Aldrich 242276
Magnesium sulfate EMD Millipore MX0075
Ethyl ether EMD Millipore EX0190 Flammable liquid.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Allen, D. P. Handbook of Metathesis. , Wiley-VCM, Weinheim. Chapter 5 (2015).
  2. Vougioukalakis, G. C. Removing Ruthenium Residues from Olefin Metathesis Reaction Products. Chemistry-A European Journal. 18 (29), 8868-8880 (2012).
  3. Hartwig, J. F. Organotransition Metal Chemistry: From Bonding to Catalysis. , University Science Books, Sausalito. Chapter 14 (2010).
  4. Lehn, J. M. Toward complex matter: Supramolecular chemistry and self-organization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (8), 4763-4768 (2002).
  5. Chen, G., Jiang, M. Cyclodextrin-based inclusion complexation bridging supramolecular chemistry and macromolecular self-assembly. Chemical Society Reviews. 40 (5), 2254-2266 (2011).
  6. Ma, X., Zhao, Y. Biomedical Applications of Supramolecular Systems Based on Host-Guest Interactions. Chemical Reviews. 115 (15), 7794-7839 (2015).
  7. Shetty, D., Khedkar, J. K., Park, K. M., Kim, K. Can we beat the biotin-avidin pair?: cucurbit[7]uril-based ultrahigh affinity host-guest complexes and their applications. Chemical Society Reviews. 44 (23), 8747-8761 (2015).
  8. Schmidt, B. V. K. J., Barner-Kowollik, C. Dynamic Macromolecular Material Design-The Versatility of Cyclodextrin-Based Host-Guest Chemistry. Angewandte Chemie International Edition. 56 (29), 8350-8369 (2017).
  9. Khan, A. R., Forgo, P., Stine, K. J., D'Souza, V. T. Methods for Selective Modifications of Cyclodextrins. Chemical Reviews. 98 (5), 1977-1996 (1998).
  10. Szejtli, J. Introduction and General Overview of Cyclodextrin Chemistry. Chemical Reviews. 98 (5), 1743-1754 (1998).
  11. Li, J., Loh, X. J. Cyclodextrin-based supramolecular architectures: Syntheses, structures, and applications for drug and gene delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (9), 1000-1017 (2008).
  12. Crini, G. Review: A History of Cyclodextrins. Chemical Reviews. 114 (21), 10940-10975 (2014).
  13. Zhang, Z. X., Liu, K. L., Li, J. A Thermoresponsive Hydrogel Formed from a Star-Star Supramolecular Architecture. Angewandte Chemie International Edition. 52 (24), 6180-6184 (2013).
  14. Harada, A., Takashima, Y., Nakahata, M. Supramolecular Polymeric Materials via Cyclodextrin-Guest Interactions. Accounts of Chemical Research. 47 (7), 2128-2140 (2014).
  15. Ballester, P., Vidal-Ferran, A., van Leeuwen, P. W. N. M. Modern Strategies in Supramolecular Catalysis. Advances in Catalysis. 54 (1), 63-126 (2011).
  16. Raynal, M., Ballester, P., Vidal-Ferran, A., van Leeuwen, P. W. N. M. Supramolecular catalysis. Part 1: non-covalent interactions as a tool for building and modifying homogeneous catalysts. Chemical Society Reviews. 43 (5), 1660-1733 (2014).
  17. Szente, L., Szemán, J. Cyclodextrins in Analytical Chemistry: Host-Guest Type Molecular Recognition. Analytical Chemistry. 85 (17), 8024-8030 (2013).
  18. Fourmentin, S., Ciobanu, A., Landy, D., Wenz, G. Space filling of β-cyclodextrin and β-cyclodextrin derivatives by volatile hydrophobic guests. Beilstein Journal of Organic Chemistry. 9, 1185-1191 (2013).
  19. Astruc, D. Olefin Metathesis: Theory and Practice. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken. Chapter 1 (2014).
  20. Samojłowicz, C., Bieniek, M., Grela, K. Ruthenium-Based Olefin Metathesis Catalysts Bearing N-Heterocyclic Carbene Ligands. Chemical Reviews. 109 (8), 3708-3742 (2009).
  21. Vougioukalakis, G. C., Grubbs, R. H. Ruthenium-Based Heterocyclic Carbene-Coordinated Olefin Metathesis Catalysts. Chemical Reviews. 110 (3), 1746-1787 (2010).
  22. Herbert, M. B., Grubbs, R. H. Z-Selective Cross Metathesis with Ruthenium Catalysts: Synthetic Applications and Mechanistic Implications. Angewandte Chemie International Edition. 54 (17), 5018-5024 (2015).
  23. Maier, M. E. Synthesis of Medium-Sized Rings by the Ring-Closing Metathesis Reaction. Angewandte Chemie International Edition. 39 (12), 2073-2077 (2000).
  24. Clavier, H., Grela, K., Kirschning, A., Mauduit, M., Nolan, S. P. Sustainable Concepts in Olefin Metathesis. Angewandte Chemie International Edition. 46 (36), 6786-6801 (2007).
  25. Cho, J. H., Kim, B. M. An Efficient Method for Removal of Ruthenium Byproducts from Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 5 (4), 531-533 (2003).
  26. Skowerski, K., Gułajski, Ł Olefin Metathesis: Theory and Practice. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken. Chapter 25 (2014).
  27. Committee for medicinal products for human use (CHMP). Guideline on the specification limits for residues of metal catalysts or metal reagents (Doc.Ref. EMEA/CHMP/SWP/4446/2000). , European Medicines Agency. London. 1-34 (2008).
  28. Maynard, H. D., Grubbs, R. H. Purification technique for the removal of ruthenium from olefin metathesis reaction products. Tetrahedron Letters. 40 (22), 4137-4140 (1999).
  29. Paquette, L. A., et al. A Convenient Method for Removing All Highly-Colored Byproducts Generated during Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 2 (9), 1259-1261 (2000).
  30. Ahn, Y. M., Yang, K., Georg, G. I. A Convenient Method for the Efficient Removal of Ruthenium Byproducts Generated during Olefin Metathesis Reactions. Organic Letters. 3 (9), 1411-1413 (2001).
  31. Westhus, M., Gonthier, E., Brohm, D., Breinbauer, R. An efficient and inexpensive scavenger resin for Grubbs' catalyst. Tetrahedron Letters. 45 (15), 3141-3142 (2004).
  32. McEleney, K., Allen, D. P., Holliday, A. E., Crudden, C. M. Functionalized Mesoporous Silicates for the Removal of Ruthenium from Reaction Mixtures. Organic Letters. 8 (13), 2663-2666 (2006).
  33. Galan, B. R., Kalbarczyk, K. P., Szczepankiewicz, S., Keister, J. B., Diver, S. T. A Rapid and Simple Cleanup Procedure for Metathesis Reactions. Organic Letters. 9 (7), 1203-1206 (2007).
  34. Michrowska, A., et al. A green catalyst for green chemistry: Synthesis and application of an olefin metathesis catalyst bearing a quaternary ammonium group. Green Chemistry. 8 (8), 685-688 (2006).
  35. Skowerski, K., et al. Easily removable olefin metathesis catalysts. Green Chemistry. 14 (12), 3264-3268 (2012).
  36. Kosnik, W., Grela, K. Synthesis of functionalised N-heterocyclic carbene ligands bearing a long spacer and their use in olefin metathesis. Dalton Transactions. 42 (20), 7463-7467 (2013).
  37. Hong, S. H., Grubbs, R. H. Efficient Removal of Ruthenium Byproducts from Olefin Metathesis Products by Simple Aqueous Extraction. Organic Letters. 9 (10), 1955-1957 (2007).
  38. Kim, C., Ondrusek, B. A., Chung, H. Removable Water-Soluble Olefin Metathesis Catalyst via Host-Guest Interaction. Organic Letters. 20 (3), 736-739 (2018).
  39. Hong, S. H., Wenzel, A. G., Salguero, T. T., Day, M. W., Grubbs, R. H. Decomposition of Ruthenium Olefin Metathesis Catalysts. Journal of the American Chemical Society. 129 (25), 7961-7968 (2007).
  40. Qi, M., Chew, B. K. J., Yee, K. G., Zhang, Z. X., Young, D. J., Hor, T. S. A. A catch-release catalysis system based on supramolecular host-guest interactions. RSC Advances. 6 (28), 23686-23692 (2016).

Tags

Chemie kwestie 138 host-guest interactie in water oplosbare homogene katalyse heterogene verwijdering katalysator verwijdering Metathese
Heterogene verwijdering van in water oplosbare Ruthenium olefine Metathese katalysator uit waterige Media Via Host-Guest interactie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, C., Chung, H. Heterogeneous… More

Kim, C., Chung, H. Heterogeneous Removal of Water-Soluble Ruthenium Olefin Metathesis Catalyst from Aqueous Media Via Host-Guest Interaction. J. Vis. Exp. (138), e58067, doi:10.3791/58067 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter