JoVE Logo
著者
お問い合わせ

サインイン

このコンテンツを視聴するには、JoVE 購読が必要です。 サインイン又は無料トライアルを申し込む。

この記事について

  • 要約
  • 要約
  • 概要
  • プロトコル
  • 結果
  • ディスカッション
  • 開示事項
  • 謝辞
  • 資料
  • 参考文献
  • 転載および許可

要約

取り外し可能な水溶性N-ホスト-ゲスト相互作用による水溶液中における複素環カルベン (NHC) を配位子が開発されています。ジクロロ メタンと同様に水で代表的なオレフィンのメタセシス反応を示しました。ホスト-ゲスト相互作用または抽出のいずれかを介して残留ルテニウム (Ru) 触媒は反応後 0.14 ppm と低かった。

要約

非常に効率的な遷移金属触媒除去方法が開発されています。水溶性の触媒には、ホスト-ゲスト相互作用による触媒除去のため新設計 NHC 配位子が含まれています。新しい NHC 配位子では、β-シクロデキストリン (CD) ホスト化合物の空洞に疎水性の包含のためアダマンチル (ゲスト) テザー エチレング リコール線形単位を所有しています。新しい NHC 配位子は、Ru ベース オレフィン メタセシス触媒に適用されました。Ru 触媒は、代表的な閉環メタセシス (RCM) の優れた活動と水性メディアだけでなく、有機溶剤、CH2Cl2開環メタセシス重合 (楽勝) 反応を示した。残留 Ru 残渣が不溶性シリカをグラフトした β-CD (ホスト) のホスト-ゲスト相互作用を利用した簡単なろ過によって 99% (Ru 残渣の 53 ppm) 以上の効率で水溶液から削除された反応が完了した後、アダマンチル基 (ゲスト) の触媒。新しい Ru 触媒はまた粗反応混合物のジエチル エーテル層と水の間を分割することで有機溶媒中で反応を実行抽出による高い除去効率を示した。このように、触媒は水層のみに留まります。有機層の Ru 残量ジアリル化合物の RCM 反応でのみ 0.14 ppm であった。

概要

製品から均一な有機金属触媒の除去は、現代化学1,2の重要な問題です。残留触媒からの重金属元素だけでなく、その潜在的な反応から製品の不要な変換だけでなく、毒性の問題が発生します。均一系触媒に高活性、急速な反応速度、担体3など、多くの利点が提供しています、しかし、製品からの除去は単に濾過により除去が不均一触媒反応よりもはるかに困難またはデカンテーション。均一・不均一触媒、すなわち、均一反応と不均一除去の利点の組み合わせは、反応性の高い、容易に取り外し可能な有機金属触媒の重要な概念を表します。図 1は、均一系反応とホスト-ゲスト相互作用による触媒の異種の除去のための動作原理を説明します。

ホスト ・ ゲスト化学は noncovalent ホスト分子や超分子化学4,5,6,7,8のゲスト分子間の分子認識を接着します。シクロデキストリン (Cd)、環状オリゴ糖、代表的なホスト分子9,10、11,12、ポリマー科学など科学の幅広い分野で適用されています。13,14、触媒15,16バイオメディカル6,10、および分析化学17。ゲスト分子、adamatane、結合 β-CD の (ホスト、7 員環の環状糖) 高会定数、 Kは疎水性空洞に強く ( Kログ = 5.04)18。この分子結合親和性はしっかりサポートされている β-CD の水溶液反応液から複雑な残留触媒を削除するには十分に強いです。

ホスト ・ ゲストの除去の対象となる多くの触媒の中で高い実用的なユーティリティと空気と水分に対する安定性が高いため Ru オレフィン メタセシス触媒を調べた。オレフィンのメタセシス反応は、遷移金属触媒19,20,21,22の存在下での炭素-炭素二重結合を形成する合成化学で重要なツールです。安定した Ru オレフィン メタセシス触媒の開発は、高分子科学 (例えば楽勝、非環式ジエン オレフィンメタセシス (アドメット)) だけでなく、合成化学 (例えばRCM、クロス オレフィンメタセシス (CM)) の主要なフィールドとして、メタセシスをおり。特に、RCM は、大環状化合と23を構築するは難しいされている中型のリングを合成します。

オレフィンのメタセシスを Ru 触媒の合成ユーティリティにもかかわらず目的の製品から Ru 触媒の使用の完全な除去は多くの実用的なアプリケーション24の主要な課題です。たとえば、1912 ppm Ru 残渣の閉環メタセシス製品シリカゲル列クロマトグラフィー25後観察されました。残留 Ru オレフィン異性化、分解、色づけ、医薬品26の毒性などの問題が生じる。国際会議調和 (ICH) では、医薬品の残留金属試薬のガイドラインを公表しました。医薬品の Ru レベルは 10 ppm27最大です。これらの理由から、製品・ ソリューション28,29,30,31,32,33から Ru の残基を削除する様々 なアプローチを試みた。また、反応後の特別な治療なしの浄化のため取り外し可能な Ru 触媒の開発が研究されている.様々 な浄化法、触媒配位子変更はケイ酸ゲルろ過や液抽出法の効率を改善するために試みられました。たとえば、ベンジリデン34または NHC 配位子35,36のバックボーンの導入イオン タグで非常に効率的なシリカのゲル濾過が可能します。NHC 配位子の poly(ethylene glycol)37またはイオンのタグのための35を軸受の触媒は、Ru 触媒除去の水溶液抽出における効率を向上できます。

最近、我々 は、高い水溶性 Ru オレフィン メタセシス触媒、高反応性だけでなく、高触媒除去率を示した報告。また、メタセシスと触媒の除去は、水とジクロロ メタン34,35,36,37で発生しました。新しい触媒の主な機能は、つなぎ縄でつながれたアダマンチル oligo(ethylene glycol) を新しい健保に負担です。Oligo(ethylene glycol) は、複雑な全体の触媒の高水容解性を提供します。さらに、oligo(ethylene glycol) には、外部 β CD とホスト-ゲスト相互作用で使用できるアダマンチル エンド グループが所有しています。

水中でジクロロ メタン触媒除去、メタセシス反応触媒合成のためのプロトコルを記載しました。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

プロトコル

注: 我々 は、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 の合成を提示テトラフルオロホウ酸 (イミダゾリウム塩 A) および複雑なホストで、β CD は私たちの以前の紙38中のシリカを移植しました。プロトコルでは、私たち水溶性 Ru オレフィン メタセシス触媒メタセシス反応 (RCM と楽勝) の合成について述べる。

1 (( o - 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 の合成isopropoxyphenylmethylene) ルテニウム (触媒 1)

  1. 撹拌棒、20 mL バイアル オーブンでヘラと 25 mL の丸底フラスコを乾燥させます。
  2. 4 mL バイアルに 118 mg 、イミダゾリウム塩 (0.060 mmol) を置きます。
  3. 乾燥したガラス、中隔と 2 h のグローブ ボックス チャンバーと真空でヘラに準備イミダゾリウム塩Aを配置します。
  4. グローブボックス室の空気を完全に除去した後、チャンバ内に不活性ガスをパージし、それらをグローブ ボックスに移動します。
  5. グローブ ボックスに入れて 54 mg 反応-グラブス (H G) の 1st世代 (1.5 0.090 モル当量) 20 mL バイアルで。
  6. 2.0 mL のトルエンにプリペアド イミダゾリウム塩を溶解し、撹拌棒で 50 mL の丸底フラスコにそれを転送します。
  7. 0.18 mL カリウム ビス (トリメチルシリル) アミド (KHMDS) ソリューションの追加 (0.5 M トルエン溶液、1.5 0.090 モル当量) イミダゾリウム塩溶液に。
  8. 試薬を混合するフラスコを旋回します。
  9. トルエン、3.0 ml H G 1st世代を溶解し、反応フラスコにこのソリューションを追加します。
  10. 中隔とフラスコを密封し、グローブ ボックスからこれを削除します。
  11. 80 ° C で 3 h の反応混合物をかき混ぜる
  12. 3 h、中性アルミナ、エチル/メタノールで溶出のクロマトグラフィーによる触媒の浄化後は = 15/1 です。暗い緑のソリューションを収集します。
    注: 溶媒の蒸発はクロマトグラフィーの前に不要です。Rf値は中性アルミナ、エチル/メタノールで溶出 0.46 = 15/1。
  13. 減圧下で溶媒を除去します。
  14. 暗い緑の蝋のような固体を取得する最終的な残渣を真空します。

2. メタセシス反応と水溶液中における触媒残渣の除去

  1. 脱重水素酸化物 (D2O) またはバブル D2O で脱イオン水や窒素ガス 2 h 以上で脱イオン水を準備します。
  2. 4.4 mg (0.0020 モル) 触媒1のと 2 の 41 mg を置く-アリル-N,N,N- trimethylpent-4-en-1-aminium クロリド (テトラアルキル アンモニウム基質) (0.20 mmol) 各 4.0 mL バイアルで。
  3. 脱 D2O (または H2O) の 0.5 mL でテトラアルキル アンモニウム基質を溶解し、触媒1にソリューションに追加します。
  4. 反応バイアルをシールし、45 ° C で 24 時間の反応混合物を加熱1H-NMR による反応変換を監視します。
    注: は、 1H NMR ピーク変換 3.25 ppm (ダブレット、NCH2CH - 基板) から 3.52 ppm (ダブレット、NCH2CH - 製品) を監視します。
  5. 反応終了後、室温で反応バイアルを冷やします。
  6. 反応混合物に β-CD 接木シリカの 150 mg を追加します。
    注: シリカゲルに接木された β CD ユニットは熱重量分析 (TGA) して 1.57 10-4モル/mg で計算しました。
  7. 10 h の反応混合物を室温で攪拌します。
  8. 綿のプラグを反応混合物をフィルター処理します。
  9. 凍結乾燥機で溶剤を削除します。

3. 開環メタセシス重合と水溶液中における触媒残渣の除去

  1. 脱 D2O またはバブル D2O で脱イオン水や窒素ガス 2 h 以上で脱イオン水を準備します。
  2. 4.4 mg 触媒1 (0.0020 モル) と 2-((3aR*,4S*,7R*,7aS*)-1, 3-dioxo-1, 3, 3 a, 17.1 mg を入れて 4, 7, 7 a-ヘキサヒドロ-2H-4, 7-methanoisoindol-2-イル)-N,N,N- trimethylethan-1-aminium クロリド (単量体、図 5) (0.060 モル) 各 4.0 mL バイアルで。
  3. 脱 D2O (または H2O) の 0.5 mL 中のモノマーに溶解し、触媒1にソリューションに追加します。
  4. 反応バイアルをシールし、45 ° C で 2 時間反応混合物を加熱1H-NMR による反応変換を監視します。
    注: モニター 1H NMR ピーク消失 6.14 ppm (-CHCH- モノマーを =)。
  5. 反応終了後、室温で反応バイアルを冷やします。
  6. 0.1 mL とエチル ビニール エーテルの反応を消します。
    注: 焼入れ高分子鎖のターミナルから Ru 触媒を分離する必要があります。
  7. 反応混合物に β-CD 接木シリカの 150 mg を追加します。
  8. 10 h の反応混合物を室温で攪拌します。
  9. 綿のプラグを反応混合物をフィルター処理します。
  10. 凍結乾燥機で溶剤を削除します。

4. メタセシス反応と CH2Cl2から触媒残渣の除去

  1. 4.4 mg 触媒1 (0.0020 モル)、ジエチル diallylmalonate (0.20 mmol) の 48 mg を各 4.0 mL バイアルに入れてください。
  2. 0.5 ml の CH2Cl2、ジエチル diallylmalonate を溶解し、触媒1にソリューションに追加します。
  3. 反応バイアルをシールし、 1H NMR による反応変換 1 h. モニターの室温で反応混合物を維持します。
    注: モニター 1H NMR ピーク変換 2.63 ppm から (ダブレット、CCH2CH = CH2基板) 3.01 ppm (一重項、CCH2CH = CHCH2C - 製品)。
  4. 反応の完了後に、30 mL バイアルに得られた反応混合物を転送します。
  5. 15 ml のジエチル エーテルの反応液を希釈します。
  6. 5 倍の 15 mL の水で有機溶液を洗います。
  7. MgSO4、有機層を乾燥し、MgSO4粒子を除去する綿のプラグを使用してソリューションをフィルター処理します。
  8. 得られた溶液に活性炭の 60 mg を追加し、室温で 24 時間の混合物をかき混ぜます。
  9. 活性炭を削除する綿のプラグを使用してソリューションをフィルター処理し、減圧下で溶媒を除去します。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

結果

図 2では、当社の触媒1の配位子交換反応について説明します。1H NMR スペクトルを図 3に示します。

図 4は、水溶液やホスト-ゲスト相互作用による反応混合物から触媒の使用の後の除去の RCM を示しが表 1水溶液中における ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

ディスカッション

取り外し可能な Ru オレフィン メタセシス触媒の合成と水溶液と有機の両方のソリューションからの除去について述べる。同質な触媒作用が高い反応性と迅速な反応率などの不均一系触媒と比較して多くの利点を提供しますただし、製品から使用される触媒の除去は、異種触媒3よりも難しい。合成触媒の主な機能は、つなぎ縄でつながれたアダマンチル水可溶性 oligo(ethylene ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

開示事項

著者は競争の経済的利害関係を宣言しません。

謝辞

この作品は、フロリダ州立大学エネルギーと材料採用イニシアティブ FSU 化学科と医用生体工学によって支持されました。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Hoveyda-Grubbs Catalyst 1st GenerationSigma-Aldrich577944Air sensitivie. Light sensitivie.
Diethyl diallylmalonateSigma-Aldrich283479
Ethyl vinyl etherSigma-Aldrich422177Air sensitive.
Aluminum oxideSigma-Aldrich06300Activated, neutral, Brockmann Activity I
Potassium bis(trimethylsilyl)amide solution (0.5 M in toluene)Sigma-Aldrich277304Moisture sensitive.
Etyhl acetateVWRBDH1123Flammable liquid.
MethanolVWRBDH1135Flammable liquid. Toxic.
Deuterium Oxide 99.8%DTCIW0002
Methylene Chloride-D2 (D, 99.8%)Cambridge Isotope Laboratories, Inc.DLM-23Flammable liquid. Toxic.
Activated carbonSigma-Aldrich242276
Magnesium sulfateEMD MilliporeMX0075
Ethyl etherEMD MilliporeEX0190Flammable liquid.

参考文献

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

転載および許可

このJoVE論文のテキスト又は図を再利用するための許可を申請します

許可を申請

さらに記事を探す

138

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

個人情報保護方針

利用規約

一般データ保護規則

お問い合わせ

図書館への推薦

JoVE ニュースレター

研究

教育

著者

図書館員

JoVEについて

Copyright © 2023 MyJoVE Corporation. All rights reserved