JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Chemistry

Heterogene fjernelse af vandopløselige Ruthenium Olefin Metathesis katalysator fra vandige medier Via vært-gæst interaktion

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

Summary

En aftagelig vandopløselige N-Heterocycliske carbene (NHC) ligand i vandige medier via vært-gæst interaktion er blevet udviklet. Vi viste repræsentative olefin metathesis reaktioner i vand samt dichlormethan. Via enten vært-gæst interaktion eller udvinding var resterende ruthenium (Ru) katalysatoren så lavt som 0,14 ppm efter reaktionen.

Abstract

En yderst effektiv overgang metal katalysator fjernelse metode er udviklet. De vandopløselige katalysator indeholder en nyligt designet NHC ligand for katalysator fjernelse via vært-gæst interaktioner. Den nye NHC ligand besidder en adamantyl (gæst) tøjret lineær ethylenglycol enheder for hydrofobe medtagelse i hulrummet af en β-cyclodextrin (β-CD) vært sammensatte. Den nye NHC ligand blev anvendt til Ru-baserede olefin metathesis katalysator. Ru katalysator udvist fremragende aktivitet i repræsentative ring-lukning metathesis (RCM) og ring-åbning metathesis polymerisation (BOLTRE) reaktioner i vandige medier såvel som organisk opløsningsmiddel, CH2Cl2. Efter reaktionen var komplet, dvælende Ru rester blev fjernet fra den vandige opløsning med effektiviteten af mere end 99% (53 ppm af Ru rest) ved simpel filtrering udnytter en vært-gæst interaktion mellem uopløselige silica-podet β-CD (vært) og den adamantyl gruppe (gæst) på katalysatoren. Den nye Ru katalysator også demonstreret høj fjernelse effektivitet via udvinding når reaktionen køres i organisk opløsningsmiddel ved partitionering rå reaktionsmiljøet mellem lag af diethylether og vand. På denne måde bliver katalysatoren i vandige lag kun. I organiske lag var det resterende beløb, Ru kun 0,14 ppm i RCM reaktioner af diallyl-forbindelser.

Introduction

Fjernelse af den homogene metalorganiske katalyse fra produktet er et vigtigt spørgsmål i moderne kemi1,2. Resterende katalysator forårsager ikke kun en toksicitet problem fra sin heavy metal element, men også en uønsket transformation af produktet fra sine potentielle reaktivitet. Homogen katalysator giver mange fordele, såsom høj aktivitet, hurtig reaktion sats og kemoselektivitet3, men dens fjernelse fra produktet er meget vanskeligere end heterogene katalysator, som er blot fjernes ved filtrering eller dekantering. Kombinationen af fordelene ved homogene og heterogene katalysator, dvs, homogen reaktion og heterogene fjernelse, repræsenterer vigtigt begreb for meget reaktive og let aftageligt metalorganiske katalysator. Figur 1 illustreret Funktionsprincip for homogene reaktion og heterogene fjernelse af katalysator via vært-gæst interaktion.

Vært-gæst kemi er noncovalent limning molekylære anerkendelse mellem vært molekyler og gæst molekyler i Supramolekylær kemi4,5,6,7,8. Cyclodextrins (CDs), cyklisk oligosaccharider, er repræsentative vært molekyler9,10,11,12, og de har været anvendt i store områder af videnskab som polymer videnskab 13 , 14, katalyse15,16, biomedicinske anvendelser6,10og analytisk kemi17. En gæst molekyle, adamatane, binder stærkt til at de hydrofobe hulrum af β-CD (vært, 7-leddede cyklisk saccharid) med høj association konstant, Ka (log Ken = 5,04)18. Denne Supramolekylær bindende affinitet er stærk nok til at fjerne resterende katalysator komplekse fra vandige reaktion løsning med solid understøttede β-CD.

Blandt mange katalysatorer, der er berettiget til vært-gæst fjernelse, blev Ru olefin metathesis katalysator undersøgt på grund af høje praktiske værktøjer og høj stabilitet mod luft og fugt. Olefin metathesis reaktion er et vigtigt redskab i syntetisk kemi til at danne en kulstof-kulstof-dobbeltbinding i overværelse af en overgang metal katalysator19,20,21,22. Udviklingen af stabil Ru olefin metathesis katalysator trigget metathesis som et stort felt i syntetisk kemi (fx, RCM og cross metathesis (CM)) samt polymer videnskab (fx, BOLTRE og acycliske Dien metathesis (ADMET)). Især syntetiserer RCM’EN macrocycles og mellemstore ringe, der har været svært at konstruere23.

På trods af syntetiske utilities af Ru katalyseret olefin metathesis er fuldstændig fjernelse af brugte Ru katalysator fra den ønskede vare en stor udfordring for mange praktiske anvendelser24. For eksempel, blev 1912 ppm af Ru rester observeret i ring-lukning metathesis produkt efter silicagel kolonne kromatografi25. Resterende Ru kan forårsage problemer som olefin isomerisation, nedbrydning, farvelægningsmetode og toksicitet af farmaceutiske produkter26. Internationale konference om harmonisering (ICH) offentliggjort en retningslinje af resterende metal reagenser i pharmaceuticals. Maksimalt tilladte Ru niveau i farmaceutiske produkt er 10 ppm27. Af disse grunde var forskellige tilgange forsøgte at fjerne Ru rester fra produkt løsning28,29,30,31,32,33. Også, udviklingen af flytbare Ru katalysatorer er blevet undersøgt for rensning uden nogen særlig behandling efter reaktionen. Blandt forskellige rensning metoder, blev katalysator ligand ændringer forsøgt at forbedre effektiviteten af silicagel filtrering og flydende udvinding. For eksempel, kan højeffektive silicagel filtrering opnås af indførte ion tag på bensylidencamphor34 eller rygraden i NHC ligand35,36. Katalysatoren forsynet med poly(ethylene glycol)37 eller ion tag35 på en NHC ligand kan forbedre effektiviteten af vandige udtræk til Ru katalysator fjernelse.

For nylig, vi rapporterede en meget vandopløselige Ru olefin metathesis katalysator, som vist ikke kun høj reaktivitet, men også høj katalysator fjernelse sats. Desuden opstod metathesis og katalysator fjernelse i både vand og methylenchlorid34,35,36,37. Hovedaksen i nye katalysator er, at den nye NHC bærer adamantyl bundet oligo(ethylene glycol). Oligo(ethylene glycol) giver høj vandopløselighed af hele katalysatoren komplekse. Derudover besidder oligo(ethylene glycol) adamantyl ende gruppe, der kan bruges i host-gæst samspil med eksterne β-CD.

Vi beskrevet protokoller for katalysator syntese, metathesis reaktioner og katalysator fjernelse i både vand og dichlormethan.

Protocol

Bemærk: Vi præsenteret syntesen af 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 tetrafluoroborate (imidazolium salt A) og vært komplekse, β-CD podet silica, i vores tidligere papir38. I protokollen beskrive vi en syntese af vores vandopløselige Ru olefin metathesis katalysator og metathesis reaktioner (RCM og BOLTRE). 1….

Representative Results

Figur 2 beskriver ligand exchange reaktion for vores katalysator 1. 1H NMR spektret er vist i figur 3. Figur 4 viser RCM’EN i vandig opløsning og efterfølgende fjernelse af brugt katalysator fra reaktionsmiljøet via vært-gæst interaktion, og tabel 1 opsummerer RCM i vandige medier. Kvaternæ…

Discussion

Vi beskrev syntesen af flytbare ensartet Ru olefin metathesis katalysator og dens fjernelse fra både vandige og den organiske løsninger. Homogen katalyse giver mange fordele i forhold til heterogene katalysatorer, såsom høj reaktivitet og hurtige reaktionshastigheden; fjernelse af brugt katalysator fra produktet er imidlertid vanskeligere end heterogene katalysator3. Hovedaksen i syntetiserede katalysator er NHC ligand, som bærer adamantyl tøjret vand opløselige oligo(ethylene glycol). Den …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af Florida State University energi og materialer leje initiativ og FSU afdeling af kemiske og Biomedicinsk teknik.

Materials

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. , (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. , (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. , (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, &. #. 3. 2. 1. ;. . Olefin Metathesis: Theory and Practice. , (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). , 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

RutheniumOlefin Metathesis CatalystWater-SolubleAqueous MediaHost-Guest InteractionCatalyst RemovalRecyclable Homogeneous CatalysisTransition Metal CatalystPolymer SciencePharmaceutical IndustryPurificationChromatographyImidazolium SaltHoveyda-Grubbs CatalystTolueneKH MDS Solution
check_url/58067?article_type=t&slug=heterogeneous-removal-water-soluble-ruthenium-olefin-metathesis

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image