La sintesi di catalizzatori organometallici può essere complessa, poiché spesso richiede reagenti sensibili e prodotti complessi e instabili. I legami relativamente deboli tra i centri metallici e i gruppi coordinanti fanno sì che i leganti acquosi e diossigeni possano interrompere la struttura molecolare desiderata, richiedendo spesso condizioni di lavoro prive di ossigeno e acqua. Dopo la sintesi e la caratterizzazione, è necessario trovare le condizioni ottimali per questi catalizzatori. Metalli costosi e non sostenibili come rodio, iridio e palladio spesso costituiscono i centri dei catalizzatori, e quindi il loro consumo deve essere ridotto al minimo. In questo lavoro, la rilevanza di Easy DOE per l'ottimizzazione e l'analisi di tre catalizzatori all'iridio viene discussa in due gruppi di variabili.
Il primo set di condizioni indica quali sono le migliori condizioni di lavoro per i catalizzatori e contribuisce a delinearne le capacità. Le variabili testate sono il sostituente del catalizzatore (etere corona, metossietile o metile), il substrato, l'aggiunta di sali di sodio o litio e l'aggiunta di acqua. Il secondo set di condizioni fornisce una valutazione della compatibilità ambientale, facendo riferimento ai criteri di Anastas e Warner per la chimica verde. Le variabili testate sono il solvente (solventi tradizionali come il diclorometano rispetto a soluzioni più ecologiche come l'acetonitrile), la pressione dell'idrogeno e la sensibilità all'ossigeno. Easy DOE viene utilizzato per progettare queste analisi, riducendo l'input necessario per ottenere dati significativi. Insieme, questi due set di condizioni forniscono un quadro dell'ambiente chimico più adatto ai catalizzatori, nonché di come ottimizzare questa chimica per renderla più ecologica.
Ciao. Mi chiamo JR Cobb. Lavoro come stagista presso JMP e come assistente di ricerca universitario presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill. Oggi parlerò di come abbiamo utilizzato Graph Builder in JMP per caratterizzare le capacità di idrogenazione di questo particolare complesso di iridio, nell'ambito dell'obiettivo più ampio del mio gruppo di ricerca di esplorare la catalisi controllata da cationi, ovvero senza la presenza di litio. Questo catalizzatore è cataliticamente inattivo. Quindi, se aggiungiamo un equivalente di litio, otteniamo un complesso cataliticamente attivo in grado di effettuare diverse trasformazioni.
In precedenza, è stato dimostrato che questo catalizzatore sintetizza gli alcheni. Ma in questo specifico lavoro, esploreremo come le prestazioni di idrogenazione variano quando moduliamo diverse variabili. Prima di tutto, dobbiamo capire perché stiamo idrogenando. La vera risposta ha a che fare con il fatto che l'aggiunta di idrogeno attraverso un doppio legame è molto promettente per l'introduzione di nuovi gruppi funzionali che rendono le molecole molto più interessanti. Ad esempio, questo sistema pi greco tra un atomo di carbonio e un atomo di azoto è chiamato nitrile.
Se lo idrogeniamo, otteniamo un'ammina. Allo stesso modo, possiamo ridurre un chetone ad un alcol, un'ammina ad un'ammina. Con l'idrogenazione possiamo effettuare molte trasformazioni. Crea molecole più funzionali o con funzionalità diverse rispetto a prima, che è, ovviamente, ciò che vogliamo fare in chimica.
In questo specifico lavoro, esploreremo l'idrogenazione degli alcheni, e l'obiettivo è che questa idrogenazione sia selettiva. Il percorso rosso a destra mostra un'idrogenazione completa e non selettiva. Ciò significa che questa molecola, che contiene sia un nitrile che un chetone, viene ridotta completamente.
Stiamo ottenendo un'ammina e un alcol. Ma ciò che preferiremmo, e questo ha a che fare con la progettazione del catalizzatore e con le condizioni della reazione, è ridurre solo uno di questi due composti, perché questo ci dà un maggiore controllo sulle trasformazioni che possiamo effettuare. Ad esempio, vogliamo ridurre solo il nitrile o solo l'alcol, ma non entrambi.
In questo lavoro esploreremo anche i modi per garantire che l'idrogenazione sia selettiva per gli alcheni che vogliamo ridurre e non per altre molecole. Questo riassume la visione e il modo in cui siamo riusciti a impostare queste idrogenazioni. Quindi, di nuovo, ecco il nostro complesso cataliticamente inattivo e non vogliamo vedere alcuna reazione. Questo è un esempio con un chetone alfa-beta insaturo. Non vogliamo alcuna catalisi senza l'aggiunta di litio alla soluzione.
Quando aggiungiamo litio, vogliamo vedere solo la riduzione di questo doppio legame, lasciando inalterato questo doppio legame carbonio-ossigeno. Questa tabella riassume brevemente le condizioni di reazione che abbiamo utilizzato.
È stata utilizzata una variante più piccola della sperimentazione ad alta produttività, con 18 fiale alla volta, in cui abbiamo caricato il catalizzatore, l'attivatore al litio, se utilizzato, una soluzione di substrato, un inibitore per prevenire la polimerizzazione e uno standard interno, il tutto in una fiala per gascromatografia. Questa è stata idrogenata a 10 bar di idrogeno per un'ora. Abbiamo quindi monitorato l'andamento della reazione e i risultati utilizzando una spettroscopia protonica, HSTC e MR.
Il problema è che ci sono molti aspetti da capire sul funzionamento di questo catalizzatore. Sapevamo solo che questo catalizzatore poteva idrogenare lo stirene. Questa era l'unica base di partenza che avevamo. Avevamo tutti questi interrogativi sulle prestazioni di questo catalizzatore. Ciò significa che abbiamo dovuto fare molta sperimentazione.
Volevamo vedere quale fosse l'impatto dei gruppi donatori e prelevatori elettronici sui substrati. In che modo la sostituzione di un substrato influisce sulla resa ottenuta? La geometria effettiva del substrato influisce sulla resa? Avevamo tutte queste domande a cui volevamo rispondere, e questo ci ha naturalmente portato alla necessità di una visualizzazione. Abbiamo ottenuto oltre 70 righe di dati, ognuna delle quali corrisponde a uno spettro NMR.
Questo spettro, che si tratti di un protone 1D o di un QC 2DHS, ci fornisce molte informazioni. Ma anche una volta raccolti i risultati in una tabella di grandi dimensioni, è davvero difficile analizzarli e comprendere in modo significativo il tipo di idrogenazione di cui è capace questo catalizzatore. È proprio qui che abbiamo utilizzato molto Graph Builder.
Volevamo creare visualizzazioni che ci aiutassero a gestire questi dati senza doverli analizzare a fondo, spettro per spettro. Questo è un esempio iniziale, un po' disordinato, ma valido, di centralizzazione di tutti i nostri dati di resa. L'ideale sarebbe una conversione molto elevata dall'alchene all'alcano corrispondente. Questo vale praticamente per ogni analisi che abbiamo eseguito in questo specifico lavoro.
Immediatamente, otteniamo alcune informazioni. Innanzitutto, la dimensione del cerchio dipende dalla temperatura a cui eseguiamo l'idrogenazione. I cerchi più piccoli sono a temperatura ambiente, mentre quelli più grandi a 60 gradi Celsius. Il colore del cerchio dipende dall'attivatore che abbiamo utilizzato. Questo colore blu corrisponde a un sale chiamato litio BARF, di cui parlerò più approfonditamente più avanti, e da lì possiamo proseguire.
Il viola, il verde, il rosso e il blu indicano semplicemente che sono stati aggiunti sali diversi o che non è stato aggiunto alcun sale. Notiamo immediatamente che questo substrato di orto-vinilanisolo presentava un'idrogenazione molto elevata a temperatura ambiente. Sappiamo fin da subito che i derivati dell'anisolo saranno favorevoli all'idrogenazione da parte di questo catalizzatore.
Allo stesso modo, a 60 gradi Celsius con l'aggiunta di litio BARF, osserviamo che gli alaceani ciclici hanno un'elevata propensione all'idrogenazione. Mentre alcuni substrati più voluminosi come il tetrafeniletilene e il tetrametiletilene... Non importa se lo facciamo a caldo o a freddo. Non importa se aggiungiamo litio o meno. Questi substrati sono molto difficili da idrogenare.
Questo ci ha aiutato a capire quali tipi di substrati scegliere, ma questa tabella è ancora caotica. È ancora difficile estrarre gli impatti variabili sulla resa di idrogenazione. Sapendo che il derivato dell'anisolo aveva una resa di idrogenazione piuttosto elevata, abbiamo voluto studiare altri derivati dello stirene.
Ad esempio, aggiungendo un gruppo metilico allo stirene, che è una molecola qui al centro, possiamo ottenere alfa-metilstirene. Questo è chiamato carbonio alfa, oppure possiamo ottenere trans-β-metilstirene aggiungendolo dall'altro lato di quel doppio legame. Eravamo curiosi di sapere quale impatto avrebbe potuto avere la geometria. Quello che abbiamo visto è che lo stirene ha elevate rese di idrogenazione perché questo doppio legame in questione è semplicemente sospeso senza alcuna interferenza sterica. Mentre l'alfa-metilstirene con questo gruppo metilico qui, era molto difficile da idrogenare e abbiamo ottenuto rese solo del 35%. Mentre se mettessimo il gruppo metilico dall'altro lato, otteneremmo rese nell'ordine delle decine di percento.
Questo si stava avvicinando a quanto avevamo osservato nelle nostre analisi originali sullo stirene. Abbiamo anche ipotizzato che, poiché un catione di litio si lega al macrociclo, avremmo potuto ottenere un gruppo metossilico relativamente carico negativamente per coordinare quel litio e dirigere il doppio legame più vicino al centro dell'iridio.
Volevamo condurre un esperimento con il gruppo metossilico posizionato proprio accanto al gruppo vinilico e con il gruppo metossilico posizionato di fronte al gruppo vinilico. Ciò che abbiamo effettivamente osservato è stata una differenza piuttosto significativa nella resa di orto-vinilanisolo rispetto al paravinilanisolo. Si è trattato di uno studio davvero interessante su come la geometria del substrato, pur avendo lo stesso peso molecolare in ciascun gruppo, influisse comunque sulla resa.
Allo stesso modo, ci sono due modi per aumentare realmente la velocità di idrogenazione. Il primo è riscaldare il materiale, cosa che ha a che fare con i quattro substrati che abbiamo trattato a temperatura elevata. Questo era il 2-cicloesene-1, che è quello che ha un doppio legame e un chetone. Questo era il nostro studio di selettività, così come gli stessi alcheni ciclici di cui abbiamo parlato in precedenza. Quello che abbiamo visto è che, a parte il tetrametilene, che aveva ancora una resa relativamente bassa in questo viola, tutti gli altri hanno visto rese più elevate a 60 °C.
Ecco come abbiamo scoperto che temperature più elevate erano più favorevoli all'idrogenazione. Inoltre, sapevamo che il litio BARF, che è l'abbreviazione di questo anione lungo, avrebbe coordinato il macrociclo e generato un'attività più elevata. Ma eravamo curiosi di sapere se un catione con due o tre cationi potesse legarsi ancora più saldamente al macrociclo e aumentare ulteriormente le rese.
E, sfortunatamente, usando il triflato di litio e il triflimmide di magnesio, non abbiamo riscontrato risultati molto migliori, poiché la barra di litio che avevamo effettivamente visto era decisamente peggiore, con il triflato di litio che si è rivelato dannoso tanto quanto l'assenza di attivatore. L'ultima cosa che volevamo fare era utilizzare i parametri Steremal B1, ovvero le quantificazioni della massa sterica che stiamo utilizzando per valutare quanto sia affollato l'ambiente chimico attorno a un doppio legame.
In questo caso, maggiore è il parametro "stairwell", maggiore è il volume dell'olefina. Pertanto, abbiamo ipotizzato che per questo substrato sarebbe stato più difficile legarsi al centro di iridio. Questo è praticamente esattamente ciò che abbiamo osservato con parametri sommativi inferiori di Steremal B1. Abbiamo osservato rese di idrogenazione più elevate, soprattutto con la barra di litio a temperature più elevate.
Man mano che raggiungevamo i sei punti più alti per il parametro Steremal B1, abbiamo riscontrato rese davvero molto basse. Tutti questi risultati, insieme, sono stati visualizzati da JMP e abbiamo imparato molte cose sul comportamento di questo catalizzatore e sugli schemi di idrogenazione. Abbiamo anche molte direzioni future. Possiamo fare chimica combinatoria usando il DOE per realizzare nuovi catalizzatori che prima non eravamo nemmeno in grado di realizzare. Possiamo effettuare analisi di screening per capire come si comportano in idrogenazione.
Possiamo anche effettuare l'analisi delle componenti principali introducendo più variabili numeriche continue e sfruttando al massimo JMP per comprendere meglio il comportamento del catalizzatore del nostro gruppo in questo nuovo ambito dell'idrogenazione che non abbiamo ancora esplorato. JMP renderà tutto questo possibile e ne siamo davvero entusiasti.
Un ringraziamento davvero veloce al Miller Group dell'UNC, il laboratorio in cui è stata condotta questa ricerca, al Dipartimento di Chimica dell'Università della Carolina del Nord e al Laboratorio di Spettrometria di Massa, dove hanno avuto luogo tutte queste reazioni. Tutto questo è stato realizzato grazie a una sovvenzione della National Science Foundation, ed è quello che ho ottenuto.
