키랄 금속-유기 프레임워크(MOF)를 이용한 이기종 에난티오 선택적 촉매 개발

요약

여기서, 우리는 금속-유기 프레임워크의 내부 또는 외부 표면에서 반응이 발생하는지 여부를 확인하기 위해 세포측량및 촉매 카보닐-ene 반응을 비교하여 금속-유기 프레임워크 촉매의 활성 부위 검증을 위한 프로토콜을 제시한다.

초록

반응 부위에서 키랄 환경의 기공 크기 및 균질성에 의한 기판 크기 차별은 상방선택적 촉매 반응에서 금속-유기 프레임워크(MOF)-기반 촉매에서 반응 부위의 유효성 검사에 중요한 문제점이다. 시스템. 따라서, MOF 기반 촉매의 반응 부위를 검증하는 방법이 이 문제점을 조사할 필요가 있다. 기공 크기에 의한 기판 크기 차별은 두 가지 유형의 카보닐-ene 반응에서 기판 크기와 반응 속도를 비교하여 두 가지 종류의 Moofs를 달성시켰다. MOF 촉매는 두 개의 상이한 매체에서 두 반응 유형(Zn-매개 식종 및 Ti-촉매 카보닐-엔 반응)의 성능을 비교하는 데 사용되었다. 제안된 방법을 사용하여, 전체 MOF 결정이 반응에 참여하고, 결정 기공의 내부가 반응이 점성측정되었을 때 키랄 제어를 발휘하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 관찰되었다. MOF 촉매의 키랄 환경의 균질성은 Zn 매개 식층 측정 반응 시스템에 사용되는 입자에 대한 크기 제어 방법에 의해 확립되었다. 촉매 반응에 대해 제안된 프로토콜은 MOF 기반 이기종 촉매에서 실제 반응 부위를 드러내는 기질 크기에 관계없이 촉매 표면에서 주로 반응이 발생한다는 것을 밝혔다. MOF 촉매의 반응 부위 검증을 위한 이 방법은 이질적인 enantioselective MOF 촉매를 개발하기 위한 다양한 고려사항을 시사한다.

서문

MoF는 화학 반응에 유용한 이기종 촉매로 간주됩니다. enantioselective 촉매^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11},^{12,13,14,15,16,17에 대한 MoOFs의 많은 다른 보고 된 용도가 있습니다. ,18,19}. 여전히, 반응이 MoFs의 내부 또는 외부 표면에 일어나는지 여부를 아직 결정되지 않았습니다. 최근 연구는 사용 가능한 표면의 활용및 감소 확산에 관한 질문을^{제기하고있다 20,21,22,23.} 더 눈에 띄는 문제는 키랄 환경이 MOF 결정의 각 공동의 위치에 따라 달라진다는 것입니다. 이러한 키랄 환경의 이질성은 반응 생성물의 스테레오선택성이 반응^{부위(24)에}의존한다는 것을 의미한다. 따라서, 효율적인 상항선택적 촉매를 설계하려면 반응이 일어날 위치를 식별해야 한다. 이렇게 하려면 내부를 그대로 유지하면서 내부 표면에서만 또는 MOF의 외부 표면에서만 반응이 발생하는지 확인해야 합니다. MoF의 다공성 구조 및 키랄 환경 활성 사이트를 포함하는 그들의 넓은 표면적은 enantioselective 촉매를 위해 이용될 수 있습니다. 이러한 이유로, Mofs는 고체 지지형 이기종^{촉매(25)의}우수한 대체품이다. 이질적인 촉매로 MoIF를 사용하는 것은 그(것)들 안쪽에 반응이 일어나지 않는 경우에 재고될 필요가 있습니다. 반응 부위의 위치뿐만 아니라 공동의 크기도 중요합니다. 다공성 재료에서 캐비티의 크기는 크기에 따라 기판을 결정합니다. 공동 크기 문제^25를간과 MOF 기반 촉매의 일부 보고서가 있습니다. 많은 MOF 기반 촉매는 원래 의 프레임 워크 구조^3,8,13에부피가 큰 촉매 종 (예를 들어, Ti (O-i Pr)4)를 소개합니다. 부피가 큰 촉매 종은 원래의 프레임 워크 구조에서 채택 될 때 공동 크기의 변화가 있다. 부피가 큰 촉매 종으로 인한 공동 크기가 감소하면 기판이 MoF로 완전히 확산되는 것이 불가능합니다. 따라서, 이러한 경우, MOF의 캐비티 크기에 의한 기판 크기의 차별이 고려되어야 한다. MOF에 의한 촉매 반응은 종종 MOF 공동 내부에서 일어나는 반응의 증거를 지원하기 어렵게 만듭니다. 일부 연구는 MOF 캐비티보다 큰 기판이 쉽게 예상 제품으로 변환되는 것으로 나타났습니다, 이는 모순 보인다^8,13. 이러한 결과는 촉매 반응을 시동하는 기질 및 촉매 부위의 작용기 간의 접촉으로 해석될 수 있다. 이 경우, 기판이 MoF로 확산될 필요가 없다; 반응은 MOF^{결정(26)의} 표면에서 발생하며 캐비티 크기는 그 크기에 기초하여 기판의 판화의 판화의 판화에 직접적으로 관여하지 않는다.

MoF의 반응 부위를 확인하기 위해, 공지된 루이스산 촉진 카보닐-엔 반응을^2를선택하였다. 3-메틸제란및 이의 컨젠터를 기질로서 사용하여, 4가지 유형의 상안성 선택적 카보닐-에네 반응을연구하였다(도1). 이전에 보고된 반응은, 두 가지 클래스로 분류되었다: Ti 시약^27을이용한 Zn 시약 및 촉매 반응을 이용한 종족 측정 반응. 가장 작은 기판의 반응은Zn/KUMOF-1의 크기 측정량을 필요로 한다(KUMOF = 고려대학교 금속-유기 프레임워크); 이 반응은^결정(27)내부에서 일어난다고 보고되었다. 이 방법에서는 촉매 반응에 대한Sn/KUMOF-1 및Ti/KUMOF-1에 대해 두 가지 종류의 Moof를 사용하였다. 이러한 두 가지 MOF의 뚜렷한 반응 메커니즘으로 인해, 반응 속도 대 기판 크기 간의 비교가^{가능하기2,28,29.} Zn/KUMOF-1^27을 가진 카보닐-ene 반응에 대한 입자 크기의 효과는, 이전 보고서에서 볼 수 있듯이, 외부 표면의 키랄 환경이 MOF^{결정(24)의}내측과 다르다는 것을 입증했다. 이 문서는 3가지 종류의 기판의 반응과 촉매의 2가지 클래스및 이전^{논문(27)에}보고된 입자 크기의 효과를 비교하여 반응 부위를 결정하는 방법을 보여 준다.

프로토콜

1. 세가지 크기의 (S)-KUMOF-1 결정의 준비

참고 : 각 단계는 이전 보고서^2,24,27의실험 섹션 및 보충 정보를 따릅니다. (S)-KUMOF-1의 3개의 상이한 크기는 각각 준비하였다: 큰(S)-KUMOF-1-(L),중간(S)-KUMOF-1-(M), 및 작은(S)-KUMOF-1-(S)와입자 크기 >100 μm, >20 μm, <1m, 각각 제조하였다. 용매를 벗어날 때(S)-KUMOF-1이 해체된다. 따라서, 결정은 항상 사용하는 동안 젖은 유지되어야한다.

1. 작은 크기의 합성(S)-KUMOF-1-(S)
   1. 10 mL 셀에서 Cu (NO₃₎₂ ∙ 3H₂O (0.2 mg, 0.0008 mmol) 및 (S)-2,2'-디하이드록시-6,6'-디메틸-[1,1'-비페닐]-4,4'-디카르복실산² (0.24 mg, 0.0008 mmol) 4 mL의 DEF/MeOH (DEF = N, N-dieform/1-diform/vamid).
      참고 : 새로 준비 된 DEF 및 MeOH (메탄올)를 사용하는 것이 가장 좋습니다. (S)에서(S)-KUMOF-1은 KUMOF 합성에 사용되는 리간드의 입체화학적 구성이 S임을의미한다.
   2. 반응 세포를 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 캡으로 캡하고 마이크로파 반응기(65°C, 100psi, 50W, 20분)에 넣습니다.
      참고: 필요한 수의 결정을 얻으려면 위의 단계(1.1.1. 및 1.1.2.)를 여러 번 반복합니다.
   3. 얻어진 파란색 입방 결정 (45 % 수율)을 부동 작은 주걱으로 부드럽게 휘저어.
   4. 부동 결정을 필터 용지에 붓고 뜨거운 DEF 3 mL로 3 x를 씻으소서.
   5. 용매를 3mL의 무수 디클로로메탄(DCM)으로 교환하여 보관합니다.
      참고: 프로토콜에서 DCM을 필요로 하는 모든 단계는 CaH_2를통해 DCM 증류됩니다.
2. 중간 크기의 합성(S)-KUMOF-1-(M)
   1. 용해 Cu (NO₃₎₂ ∙ 3H₂O (7.2 mg, 0.030 mmol) MeOH및 (S)-2,2'-디하이드록시-6,6'-디메틸-[1,1'-비페닐]-4,4'-디카르복실산 (9 mg, 0.030 mmol) 5.030 mmol.
      참고: 언급된 화합물과 용매는 1개의 바이알 세트용입니다. 촉매 사용에 필요한 수의 MoOF를 얻으려면 확장이 필요합니다. 이 단계에서 스케일을 곱하고 각 화합물에 대한 재고 솔루션을 만듭니다. 그런 다음 스톡 솔루션을 각 바이알로 세분화합니다.
   2. 두 솔루션을 4mL 바이알에 결합합니다.
   3. PTFE 테이프로 4 mL 바이알을 덮고 바늘로 덮개를 펀치하여 구멍을 만듭니다.
   4. 이 작은 바이알을 20 mL 바이알에 넣고 1.0 mL의 N,N-dimethylaniline을 작고 큰 바이알 사이의 공간에 추가합니다.
   5. 큰 바이알을 단단히 캡을 씌우고 오븐에 1일 동안 65°C로 놓습니다.
   6. 작은 주걱으로 부드럽게 휘저어 얻은 파란색 입방 체결정을 떠다.
   7. 부동 결정을 필터 용지에 붓고 DEF/MeOH(3mL/3mL)로 3x 세척합니다.
      참고: 부동 결정을 부은 후 바이알을 필터 용지 위로 기울입니다. 그런 다음 주사기로 용매를 배출하여 바이알에 남아있는 모든 결정을 씻어냅니다.
   8. 용매를 3mL의 무수 DCM으로 교환하여 보관하십시오.
3. 큰 사이즈의 합성(S)-KUMOF-1-(L)
   1. 1.2.3단계를 제외하고 섹션 1.2와 동일한 절차를 사용하여 4 mL 바이알을 열어 둡니다.
      참고: 얻어진 결정의 수율은 사용된 리간드를 기초로 한다. 중형 및 대형(S)-KUMOF-1의 수율은 최종 세척 후 거의 동일(35% 수율)이었다.

2. Zn/(S)-KUMOF-1의 3가지 크기

참고 : 각 단계는 이전 보고서^2,24,27의실험 섹션 및 보충 정보를 따릅니다.

1. 디메틸진(0.68 mL, 톨루엔 1.2M, 0.81 mmol)을 현탁액(S)-KUMOF-1(102 mg, 0.27 mmol)에 -78°C에서 DCM 의 2 mL에 넣고 이 온도에서 3시간 흔들어 줍니다.
   주의: -78°C의 모든 단계는 극저온 냉각 욕조(아세톤이 있는 드라이 아이스)로 이루어집니다. 이 장비를 취급할 때는 항상 주의하십시오.
   참고 : 모든 흔들림 절차는 플레이트 셰이커 (180rpm)를 사용하여 수행됩니다.
2. 미반응 디메틸진을 완전히 제거하기 위해 상류를 제거하고 3 mL 의 차가운 DCM으로 여러 번 세척하십시오.
   참고: 카보닐-엔 반응에는Zn/KUMOF-1의 세 가지 크기가 필요합니다. KUMOF-1의세 가지 크기에 대해 설명된 것과 동일한 단계를 따르십시오. 촉매 부위의 수는 하나의 촉매 부위가 Cu 및 리간드 쌍에 존재한다고 가정하여 계산됩니다. 이러한 이유로, 제조된 결정의 Zn/Cu 및 Ti/Cu 비율은 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(ICP-AES)^27을사용하여 이전 보고서에서와 같이 결정되었다. 이 프로토콜에 사용된 Zn 및 Ti 시약의 양은 우리의 이전 연구^27에서사용된 것과 동일했습니다.

3. Ti/(S)-KUMOF-1의 3가지 크기

참고 : 각 단계는 이전 보고서^2,24,27의실험 섹션 및 보충 정보를 따릅니다.

1. Ti(O-iPr)₄₍₅₉ μL, 0.20 mmol)를 DCM 2 mL에 현탁액(S)-KUMOF-1(24 mg, 0.063 mmol)에 넣고 실온에서 5시간 동안 흔들어 줍니다.
2. 잔류 Ti(O-iPr)의 완전한 제거를 위해 3 mL의 차가운 DCM으로 여러 번 씻어 낸다_4.

4. 준비된 MoF를 이용한 카보닐-엔 반응

참고: 이전 보고서^27에설명된 방법에 따라 일련의 기판을 준비합니다. 3개의 기질은 모두 입자 크기 효과 측정을 제외한 각 카보닐-ene 반응에서 개별적으로 사용되며, 이 중 가장 작은 기판(1a)만^{사용된다(27).} 각 단계는 이전 보고서^2,24,27의실험 섹션 및 보충 정보를 따릅니다.

1. Zn/(S)-KUMOF-1에의한 이질성스투치오메트릭 카보닐-엔 반응.
   1. 기판 용액(0.089 mmol)을 DCM의 0.1 mL에 Zn/(S)-KUMOF-1(102 mg, 0.27 mmol)의 현탁액에 -78°C에서 DCM의 2 mL에 첨가한다.
   2. 반응 혼합물을 0°C로 천천히 데우고 이 온도에서 3.5시간 동안 흔들어 줍니다.
   3. 반응 혼합물을 6 N HCl의 수성 용액의 3 mL로 담금질한다.
   4. 규조질 실리카 패드를 통해 결과 혼합물을 걸레질합니다.
   5. 백액에 여과액을 농축하고 플래시 크로마토그래피로 잔류물을 정화합니다(n-헥산 /에틸 아세테이트 10:1).
      참고 : 실리카 겔 60 (230-400 메쉬) 및 용리액으로 적절한 n-헥산 / 에틸 아세테이트 혼합물은 플래시 크로마토그래피에 사용됩니다. 제품은 옅은 노란색 오일입니다. 이 프로토콜내의 모든 제품의 광학 순도는 앞서^27일설명한 바와 같이 결정되었다. 동일한 절차는 Zn/(S)-KUMOF-1의세 가지 크기에 대해 따라야합니다.
2. 이질적인 촉매 카보닐-엔 반응 에 의한Ti/(S)-KUMOF-1.
   1. 기판 용액 (0.29 mmol)을 DCM의 0.1 mL에 추가하여 0 °C에서 DCM (2 mL)에서 Ti /(S)-KUMOF-1 (12 mg, 0.029 mmol)의 현탁액에 넣고이 온도에서 36 시간 동안 흔들어줍니다.
   2. 상급체를 수집하고 DCM의 3 mL로 결과 결정을 3 배 씻어.
   3. 수집된 상류물을 백공에 농축하고 플래시 크로마토그래피에 의해 잔류물을 정화한다(n-헥산/에틸 아세테이트 10:1).

결과

Zn 시약을 이용한 에난티오 선택적 카보닐-엔 반응은 금속에 대한 알콕시 및 카보닐 기의 결합 친화도의 차이 때문에 점진성 측정이다(도2). 이러한 이유로, 기판은 반응 부위에서 제품으로 변환되고 거기에 남아 있었다. 원하는 생성물은 프로토콜의 섹션 4에 상세히 설명된 바와 같이, 결정을 해체함으로써 수득되었다. Zn/(S)-KUMOF-1(표1)에의한 기판의 이질적 enantio...

토론

(S)-KUMOF-1의합성 후, 일부 바이알의 결정은 분말처럼 보이며 촉매에 사용하기에 적합하지 않습니다. 따라서, 적절한 결정(S)-KUMOF-1을 선택해야 한다. (S)-KUMOF-1의 수율은 성공적으로 합성된 바이알만을 사용하여 계산됩니다. 용매에서 철수할 때,(S)-KUMOF-1 분해한다. 따라서 결정은 항상 젖은 상태로 유지되어야합니다. 이러?...

자료

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