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Chemistry

Remoção heterogênea de rutênio Water-soluble Olefin Metathesis catalisador de meios aquosos através da interação do anfitrião-convidado

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

Summary

Um Water-soluble removível N-ligante de carbeno heterocíclicos (NHC) em meio aquoso através do anfitrião-convidado interação foi desenvolvido. Temos demonstrado reações de metátese de olefina representativa na água, bem como em diclorometano. Através de uma interação do anfitrião-convidado ou extração, o catalisador residual rutênio (Ru) foi tão baixo quanto 0,14 ppm após a reação.

Abstract

É desenvolvido um método de remoção de catalisador de metal de transição altamente eficiente. O catalisador solúvel em água contém um ligante NHC recém-projetado para a remoção do catalisador através de interações do anfitrião-convidado. O ligante novo do NHC possui um unidades de glicol de etileno linear adamantyl (convidado) amarrado para inclusão hidrofóbico na cavidade de um host de β-ciclodextrina (β-CD) composto. O novo ligante NHC foi aplicado a um catalisador de metátese de olefina baseado no Ru. O catalisador de Ru demonstrado excelente atividade no representante metátese de fechamento de anel (RCM) e reações de polimerização (ROMP) de metátese de anel de abertura em meios aquosos, bem como solvente orgânico, CH2Cl2. Após a reação foi completa, o resíduo persistente do Ru foi removido da solução aquosa com a eficiência de mais de 99% (53 ppm de resíduo Ru) por filtração simples, utilizando uma anfitrião-convidado interação entre insolúvel sílica-enxertados β-CD (anfitrião) e o adamantyl moiety (comentários) sobre o catalisador. O novo catalisador Ru também demonstrou eficiência alta remoção através de extração quando a reação é executada em solvente orgânico particionando a mistura de reação bruto entre camadas de éter etílico e água. Desta forma, o catalisador fica na camada aquosa somente. Na camada orgânica, a quantidade residual do Ru foi apenas 0,14 ppm nas reações de compostos de dialil RCM.

Introduction

A remoção da catálise homogênea organometálico do produto é uma questão importante na química moderna1,2. De seu elemento de heavy metal, mas também uma transformação indesejada do produto de sua reatividade potencial, catalisador residual faz com que não só um problema de toxicidade. Catalisador homogêneo oferece muitas vantagens, como alta atividade, taxa de reação rápida e quimioselectividade3, no entanto, a sua remoção do produto é muito mais difícil do que o catalisador heterogêneo que é simplesmente removido por filtração ou decantação. A combinação das vantagens do catalisador homogêneo e heterogêneo, isto é, reação homogênea e remoção heterogênea, representa um importante conceito para catalisador organometálico altamente reativo e facilmente removível. Figura 1 ilustrado o princípio de funcionamento para reação homogênea e heterogênea remoção do catalisador através da interação do anfitrião-convidado.

Anfitrião-convidado química é não covalente ligação molecular reconhecimento entre moléculas do anfitrião e moléculas de comentários em química supramolecular4,5,6,7,8. Ciclodextrinas (CDs), oligossacarídeos cíclicos, são representativas anfitrião moléculas9,10,11,12, e eles foram aplicados em grandes campos da ciência, como ciência de polímeros 13 , 14, catálise15,16, aplicações biomédicas6,10e química analítica17. Uma molécula de comentários, adamatane, liga-se fortemente à cavidade hidrofóbica de β-CD (anfitrião, 7 membros sacárido cíclico) com constante alta associação, Kum (log Kum = 5,04)18. Esta afinidade de ligação supramolecular é forte o suficiente para remover o catalisador residual complexo a partir da solução aquosa de reação com sólido β-CD com suporte.

Entre muitos catalisadores que são elegíveis para a remoção do anfitrião-convidado, catalisador de metátese de olefina Ru foi estudada devido à altos utilitários práticos e alta estabilidade contra o ar e a umidade. A reação de metátese de olefinas é uma ferramenta importante em química sintética para formar uma ligação dupla de carbono-carbono na presença de um metal de transição catalisador19,20,21,22. O desenvolvimento de estável catalisador de metátese de olefina Ru trigged a metátese como um campo importante em química sintética (por exemplo, RCM e Cruz metátese (CM)) bem como de ciência de polímeros (por exemplo, ROMP e metátese dieno acíclicos (ADMET)). Em particular, o RCM sintetiza macrociclos e anéis de médio porte que tem sido difícil construir23.

Apesar de sintéticas utilidades do Ru catalisada por metátese de olefina, remoção completa do catalisador utilizado de Ru do produto desejado é um grande desafio para muitas aplicações práticas24. Por exemplo, 1912 ppm de resíduo Ru foi observada em produto de metátese de anel-fechamento depois de cromatografia de coluna de sílica gel25. Ru residual pode causar problemas como a isomerização de olefina, decomposição, colorização e toxicidade de produtos farmacêuticos26. Conferência Internacional sobre harmonização (ICH) publicou uma diretriz de reagentes metais residuais em produtos farmacêuticos. O máximo permitido é de nível Ru no produto farmacêutico 10ppm27. Por estas razões, diversas abordagens foram julgadas para remover resíduos de Ru do produto solução28,29,30,31,32,33. Além disso, os desenvolvimentos de catalisadores de Ru removíveis têm sido estudados por purificação sem qualquer tratamento especial após a reação. Entre os vários métodos de purificação, modificações de ligante de catalisador foram julgadas para melhorar a eficiência de filtração de sílica gel e extração líquida. Por exemplo, gel de silicone altamente eficiente filtragem pode ser conseguida marca íon introduzido na benzilideno34 ou espinha dorsal da NHC ligante35,36. O catalisador de rolamento poly(ethylene glycol)37 ou íon marca35 em um ligante NHC pode melhorar a eficiência de extração aquosa para remoção de catalisador do Ru.

Recentemente, nós relatamos um altamente solúvel em água Ru olefin metátese catalisador, que demonstrou não só alta reatividade, mas também a taxa de remoção do catalisador de alta. Além disso, a remoção de metátese e catalisador ocorreu em água e diclorometano34,35,36,37. A característica fundamental do catalisador novo é que o novo NHC ursos oligo(ethylene glycol) adamantyl amarrado. Oligo(Ethylene glycol) fornece alta solubilidade em água do catalisador de todo complexo. Além disso, o oligo(ethylene glycol) possui adamantyl fim de grupo que pode ser usado na interação do anfitrião-convidado com β-CD externo.

Aqui, descrevemos os protocolos para a síntese do catalisador, reações de metátese e remoção do catalisador em água e diclorometano.

Protocol

Nota: Apresentamos a síntese de 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 (imidazólio A sal) e complexo de host, β-CD enxertados sílica, em nosso anterior papel38. O protocolo, descrevemos uma síntese do nossos Water-soluble Ru olefin metátese catalisador e metátese reações (RCM e TRAQUINAGEM). 1…

Representative Results

Figura 2 descreve a reação de troca de ligante para nosso catalisador 1. O espectro de H NMR 1é mostrado na Figura 3. A Figura 4 mostra o RCM em solução aquosa e posterior remoção do catalisador usado da mistura da reação através da interação do anfitrião-convidado, e a tabela 1 resu…

Discussion

Descrevemos a síntese de removível homogênea catalisador de metátese de olefina Ru e sua remoção de soluções aquosas e orgânicas. Catálise homogênea fornece muitos benefícios em comparação com catalisadores heterogêneos, tais como alta reatividade e taxa de reação rápida; no entanto, a remoção do catalisador usado do produto é mais difícil que catalisador heterogêneo3. A característica fundamental do catalisador sintetizado é o ligante NHC, que tem adamantyl amarrado água…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi financiado pela iniciativa energia de Universidade de estado de Florida e contratação de materiais e FSU departamento de química e Engenharia Biomédica.

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.
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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).

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Keywords: RutheniumOlefin Metathesis CatalystWater-SolubleAqueous MediaHost-Guest InteractionCatalyst RemovalRecyclable Homogeneous CatalysisTransition Metal CatalystPolymer SciencePharmaceutical IndustryPurificationChromatographyImidazolium SaltHoveyda-Grubbs CatalystTolueneKH MDS Solution
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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).
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