Activation of Elemental Sulfur via Multicomponent Reactions for more Sustainable Organocatalysts and Sulfur-containing Polymers

Eine nachhaltigere Synthese für nicht sterisch anspruchsvolle aliphatische Isocyanide, die p-Toluolsulfonsäurechlorid (p-TsCl) als Dehydratisierungsreagenz verwendet, wurde eingeführt. Dieses Reagenz ist im Vergleich zu klassischen Dehydratisierungsreagenzien, wie Phosphoroxychlorid, weniger toxisch und leichter handhabbar. Zudem ist p-TsCl ein Abfallprodukt aus der industriellen Saccharinsynthese. Dieses Syntheseprotokoll wurde verwendet, um 11 Isocyanide aus den jeweiligen Mono-und Di-N-formamiden in moderater bis exzellenter Ausbeute (bis zu 98%) herzustellen. Durch einfaches Extrahieren als einzigen Aufarbeitungsschritt wurde der E-Faktor im Vergleich zu gängigen Syntheseprotokollen deutlich reduziert. Mit dem optimierten Zugang zu Isocyaniden konnte die Multikomponentenreaktion (MCR) zur Bildung von Thioharnstoffen aus Isocyaniden, Aminen und elementarem Schwefel für einen nachhaltigeren Zugang zu Thioharnstoff-basierten Organokatalysatoren verwendet werden. Durch die Reaktivität von mit Basen aktiviertem Schwefel können so Thioharnstoffe hergestellt werden, wobei typischerweise verwendete, giftige Chemikalien, wie Thiophosgenderivate oder Kohlenstoffdisulfid, vermieden werden. Des Weiteren ist die Verwendung von elementarem Schwefel wünschenswert, da er ein Abfallprodukt der Ölindustrie ist und die Lagerung des jährlichen Überschusses an Schwefel zu Sicherheits- und Umweltproblemen führt. Eine weitreichende Untersuchung der Aktivierungsmotive, die zu katalytisch aktiven Thioharnstoffen führen, zeigte, dass häufig verwendete elektronenarme aromatische Reste über die Isocyanidkomponente in der MCR eingeführt werden müssen. Zwei neuartige Aktivierungsmotive, genauer der Isophthalsäureester- und der p-(Alkyl)sulfonylphenylrest, die eine ähnliche katalytische Aktivität wie der weitläufig verwendete 3,5-Bis(trifluoromethyl)phenylrest in einer Ugi- und einer Ringöffnungsreaktion von Carbonaten aufwiesen, wurde aufgezeigt. Die neuen Aktivierungsgruppen haben des Weiteren das Potential die Löslichkeit der, in gängigen organischen Lösemitteln oft schwerlöslichen, Thioharnstoffkatalysatoren anzupassen. Zusammenfassend bietet der in dieser Arbeit vorgestellte Syntheseweg mittels MCR von elementarem Schwefel einen nachhaltigeren Zugang zu katalytisch aktiven Thioharnstoffen. Der Transfer solcher katalytisch aktiven Thioureagruppen in ein Polymergerüsts mittels Stufenwachstums- (Polykondensation und Poly-Thiol-En Reaktion) und lebender Polymerisation (Ringöffnungsmetathese Polymerisation (ROMP)) wurde weiterführend untersucht, um recycelbare Organokatalysatoren zu erhalten. Die ROMP erwies sich als der vielversprechendste Ansatz, da fast vollständiger Umsatz eines Thioharnstoffnorbornens nach nur zwei Stunden bei 44 °C erreicht wurde. Darüber hinaus zeigte der Ansatz das größte Potential für eine Anpassung der Löslichkeit der erhaltenen Polymere. Mittels eines co-ROMP-Ansatzes des Thioharnstoffnorbornens und Norbornen oder Cycloocten konnte ein weiterer Paramater zur Steuerung der Löslichkeit eingeführt werden, wobei zudem ein schneller Umsatz des Thioharnstoffmonomers erreicht wurde (vollständiger Umsatz nach einer Stunde). Nichtsdestotrotz konnte kein adäquates Aufreinigungsprotokoll etabliert werden, dass die Isolation der hergestellten Polymere erlaubte. Im Allgemeinen konnte durch die Evaluierung aller drei Ansätze gezeigt werden, dass über den ROMP-Ansatz die gewünschten polymeren Organokatalysatoren erhalten werden könnten, wenn die Löslichkeitsproblematik in der Aufarbeitung adressiert wird. Mechanistische Untersuchungen der oben erwähnten MCR zwischen Isocyaniden, Aminen und Schwefel führten zu der Etablierung einer nachhaltigeren Isothiocyanatsynthese, welches das Schlüsselintermediat dieser Reaktion darstellte. Durch die Nutzung von tertiären Aminen, Amidinen und Guanidinen als Aminkomponente wurde der aktivierte, elementare Schwefel mit dem Isocyanid zum Isothiocyanat statt dem Thioharnstoff umgesetzt. Mit diesem Protokoll konnten 20 Mono- und Diisothiocyanate in moderater bis exzellenter Ausbeute (34-95%) hergestellt werden. Die breite Anwendung des Syntheseprotokolls wurde durch die Umsetzung von aliphatischen, zyklischen, benzylischen und aromatischen Isothiocyanaten unterstrichen. Ein Vergleich der E-Faktoren von typischen Syntheserouten zeigte die Vorteile dieser Methode (Einfachheit, Minimierung von Abfall). Zudem konnten Lösungsmittel, wie DMSO, die für das Lösen von Basen-aktiviertem Schwefel unabdingbar sind, durch nachhaltigere Lösungsmittel, wie Cyrene™ oder GBL, ersetz werden, während die Aufarbeitungsmethode im Sinne der Nachhaltigkeit optimiert wurde. Weitere mechanistische Untersuchungen zu der basischen Aktivierung von Schwefel mit carbenartigen funktionellen Gruppen, wie Isocyaniden, führte zum Erhalt einer neuen Synthese von tetrasubstituierten Arylolefinen startend von Tosylhydrazonen. Der hypothetische Reaktionsmechanismus wurde postuliert, ausgehend von einer Carbenbildung unter Stickstoffextrusion mit nachfolgendem Barton-Kellogg-ähnlichem Reaktionsverlauf. Die optimierte Reaktion führte zu einem einfachen Syntheseprotokoll für Tetraarylethylene in exzellenten Ausbeuten, beispielhaft gezeigt an zwei Tosylhydrazonen. Darüber hinaus wurden weitere Testexperimente vorgeschlagen und konkret diskutiert, die den vorgeschlagenen Reaktionsmechanismus bestätigen könnten. Durch die Verwendung von Hydrazin als Aminkomponente in der MCR mit Isocyaniden und elementarem Schwefel konnte die Anwendungsbreite der Reaktion erweitert und Thiosemicarbazide erhalten werden. Über eine Polykondensation von Dithiosemicarbaziden und Aryldialdehyden wurden 13 neuartige (co-)poly(thiosemicarbazon)e hergestellt und vollständig über NMR, IR, SEC, DSC und TGA Analysen charakterisiert. Die Polymere zeigten Molekulargewichte bis zu 38 kDa und Zersetzungstemperatur ab ca. 200 °C. Generell zeigten sie keinen Tg, sofern nicht ein gewisser Anteil an sterisch anspruchsvollen Thiosemicarbazidresten verwendet wurde, der wiederum zu hohen Tgs führte (162-182 °C). Die Anwendung dieser Polymere als komplexierender Ligand für Metalle wurde anhand von Membranen gezeigt, die über den Anti-Lösungsmittel induzierte Phasenseperationsprozess (non-solvent induced phase separation, NIPS) hergestellt wurde. Für die Herstellung via NIPS wurden DMSO und NMP als Lösungsmittel verwendet und die Membranen zeigten Permeabilitäten im Bereich der Ultrafiltration bis zur Umkehrosmose (32-0.3 Lm-2h-1bar-1). Hochmolekulare Makromoleküle, wie Bovines Serumalbumin (BSA), wurden komplett zurückgehalten. Salze oder Mikroschadstoffe wurden nicht zurückgehalten, vermutlich durch Defekte in den Membranen. Komplexierung von Kupfer und Silber wurde in einem Batch-Absorptionsexperiment gezeigt und ein dynamisches dead-end set-up wurde durchgeführt, um zu zeigen, dass Silberionen auch in einem Wasserfluss zurückgehalten werden können

Synthesis of highly substituted alkenes by sulfur-mediated olefination of N-tosylhydrazones

Tetraphenylethylenes (TPEs) are well-known for their aggregation-induced emission properties. The synthesis of TPE derivatives, as well as other highly substituted olefins, generally requires the use of hazardous reagents, such as metalorganic compounds, to overcome the high activation energies caused by the sterically congested double bond. Herein, we present an efficient and metal-free procedure for the synthesis of tetraarylethylenes via alkylidene-homocoupling of N-tosylhydrazones, derived from readily available benzophenones, in excellent yields. The method relies only on cheap and benign additives, i.e. elemental sulfur and potassium carbonate, and easily competes with other established procedures in terms of scope, yield and practicability. A mechanistic study revealed a diazo compound, a thioketone and a thiirane as key intermediates in the pathway of the reaction. Based on this, a modified method, which allows for selective alkylidene-cross-coupling, generating a broader scope of tri- and tetrasubstituted olefins in good yields, is showcased as well

Novel Access to Known and Unknown Thiourea Catalyst via a Multicomponent-Reaction Approach

Thioureas are frequently used in organocatalysis and typically rely on 3,5‐bis(trifluoromethyl) phenyl moieties motifs to enhance their catalytic activity. In this work, these common motifs were replaced with tailorable functional groups, such as ester or sulfone aryls, applying elemental sulfur in a multicomponent reaction (MCR) strategy for the first time for thiourea catalyst synthesis. First, several thioureas bearing aryl, benzylic or aliphatic moieties were synthesized and tested for their hydrogen bonding strength by evaluating thiourea phosphine oxide complexes via $^{31}$P NMR and their catalytic activity in an Ugi four‐component reaction (U‐4CR). Finally, ester and sulfone aryl thioureas were tested in the aminolysis of propylene carbonate, leading to conversions similar to those previously reported in the literature using the 3,5‐bis(trifluoromethyl)phenyl moiety, proving that these groups are suitable alternatives for the trifluoromethyl group

Removal of Transition-Metal Ions by Metal-Complexing Polythiosemicarbazone Membranes

Membrane technology is one of the many strategies to remove transition-metal ions from aqueous streams because of its relatively lower costs and ease of operation. Typically, adsorbent materials are added into polymeric membranes to impart chelating/complexing properties, but this often results in a limited number of adsorption sites within the membrane. In this work, polythiosemicarbazone (pTSC) is proposed as a material to prepare polymeric membranes due to its metal-complexing ligands in the backbone, providing more adsorption sites. The polymer was easily processed into membranes via the nonsolvent-induced phase separation technique and exhibited asymmetric structures with adequate mechanical strength. The porosity of the membranes was controlled by increasing the polymer concentration in the casting solution, leading to ultrafiltration- and nanofiltration-type membranes with permeabilities ranging from 30 to 0.7 L·m-2·h-1·bar-1. The resulting pTSC membranes were applied for the removal of silver and copper ions in batch and, in the case of silver ions, also in dynamic adsorption experiments. The maximum removal rate of 17 mg·g-1 for silver and 3.8 mg·g-1 for copper ions was obtained in the batch removal experiment. Streaming potential, pH measurements, and infrared spectroscopy (FTIR) were conducted to verify the anionic binding of TSC groups, while neutral binding modes were revealed by FTIR and batch removal experiments. Furthermore, the removal of silver ions was also successfully demonstrated in a flow setup operated at 4 bar of applied pressure. The streaming potential and energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy conducted on the membranes after the flow tests confirmed the complexation by TSC-functional groups as the separation mechanism. Finally, partial desorption of the silver ions was successfully conducted in water to demonstrate the reusability of pTSC membranes.</p

Removal of Transition-Metal Ions by Metal-Complexing Polythiosemicarbazone Membranes

Membrane technology is one of the many strategies to remove transition-metal ions from aqueous streams because of its relatively lower costs and ease of operation. Typically, adsorbent materials are added into polymeric membranes to impart chelating/complexing properties, but this often results in a limited number of adsorption sites within the membrane. In this work, polythiosemicarbazone (pTSC) is proposed as a material to prepare polymeric membranes due to its metal-complexing ligands in the backbone, providing more adsorption sites. The polymer was easily processed into membranes via the nonsolvent-induced phase separation technique and exhibited asymmetric structures with adequate mechanical strength. The porosity of the membranes was controlled by increasing the polymer concentration in the casting solution, leading to ultrafiltration- and nanofiltration-type membranes with permeabilities ranging from 30 to 0.7 L·m$^{–2}$·h$^{–1}$·bar$^{–1}$. The resulting pTSC membranes were applied for the removal of silver and copper ions in batch and, in the case of silver ions, also in dynamic adsorption experiments. The maximum removal rate of 17 mg·g$^{–1}$ for silver and 3.8 mg·g$^{–1}$ for copper ions was obtained in the batch removal experiment. Streaming potential, pH measurements, and infrared spectroscopy (FTIR) were conducted to verify the anionic binding of TSC groups, while neutral binding modes were revealed by FTIR and batch removal experiments. Furthermore, the removal of silver ions was also successfully demonstrated in a flow setup operated at 4 bar of applied pressure. The streaming potential and energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy conducted on the membranes after the flow tests confirmed the complexation by TSC-functional groups as the separation mechanism. Finally, partial desorption of the silver ions was successfully conducted in water to demonstrate the reusability of pTSC membranes

Dual sequence definition increases the data storage capacity of sequence-defined macromolecules

Sequence-defined macromolecules offer applications in the field of data storage. Challenges include synthesising precise and pure sequences, reading stored information and increasing data storage capacity. Herein, the synthesis of dual sequence-defined oligomers and their application for data storage is demonstrated. While applying the well-established Passerini three-component reaction, the degree of definition of the prepared monodisperse macromolecules is improved compared to previous reports by utilising nine specifically designed isocyanide monomers to introduce backbone definition. The monomers are combined with various aldehyde components to synthesise dual-sequence defined oligomers. Thus, the side chains and the backbones of these macromolecules can be varied independently, exhibiting increased molecular diversity and hence data storage capacity per repeat unit. In case of a dual sequence-defined pentamer, 33 bits are achieved in a single molecule. The oligomers are obtained in multigram scale and excellent purity. Sequential read-out by tandem ESI-MS/MS verifies the high data storage capacity of the prepared oligomers per repeat unit in comparison to other sequence defined macromolecules

Mechanistic effect modeling of earthworms in the context of pesticide risk assessment: Synthesis of the FORESEE Workshop.

Earthworms are important ecosystem engineers, and assessment of the risk of plant protection products towards them is part of the European environmental risk assessment (ERA). In the current ERA scheme, exposure and effects are represented simplistically and are not well integrated, resulting in uncertainty when applying the results to ecosystems. Modeling offers a powerful tool to integrate the effects observed in lower tier laboratory studies with the environmental conditions under which exposure is expected in the field. This paper provides a summary of the FORESEE Workshop ((In)Field Organism Risk modEling by coupling Soil Exposure and Effect) held January 28‐30, 2020 in Düsseldorf, Germany. This workshop focussed on toxicokinetic‐toxicodynamic (TKTD) and population modeling of earthworms in the context of environmental risk assessment. The goal was to bring together scientists from different stakeholder groups to discuss the current state of soil invertebrate modeling, explore how earthworm modeling could be applied to risk assessments, and in particular how the different model outputs can be used in the tiered ERA approach. In support of these goals, the workshop aimed at addressing the requirements and concerns of the different stakeholder groups to support further model development. The modeling approach included four submodules to cover the most relevant processes for earthworm risk assessment: Environment, Behavior (feeding, vertical movement), TKTD, and Population. Four workgroups examined different aspects of the model with relevance for: Risk assessment, earthworm ecology, uptake routes, and cross‐species extrapolation and model testing. Here, we present the perspectives of each workgroup and highlight how the collaborative effort of participants from multidisciplinary backgrounds helped to establish common ground. In addition, we provide a list of recommendations for how earthworm TKTD modeling could address some of the uncertainties in current risk assessments for plant protection products

Removal of Transition-Metal Ions by Metal-Complexing Polythiosemicarbazone Membranes

Membrane technology is one of the many strategies to remove transition-metal ions from aqueous streams because of its relatively lower costs and ease of operation. Typically, adsorbent materials are added into polymeric membranes to impart chelating/complexing properties, but this often results in a limited number of adsorption sites within the membrane. In this work, polythiosemicarbazone (pTSC) is proposed as a material to prepare polymeric membranes due to its metal-complexing ligands in the backbone, providing more adsorption sites. The polymer was easily processed into membranes via the nonsolvent-induced phase separation technique and exhibited asymmetric structures with adequate mechanical strength. The porosity of the membranes was controlled by increasing the polymer concentration in the casting solution, leading to ultrafiltration- and nanofiltration-type membranes with permeabilities ranging from 30 to 0.7 L·m–2·h–1·bar–1. The resulting pTSC membranes were applied for the removal of silver and copper ions in batch and, in the case of silver ions, also in dynamic adsorption experiments. The maximum removal rate of 17 mg·g–1 for silver and 3.8 mg·g–1 for copper ions was obtained in the batch removal experiment. Streaming potential, pH measurements, and infrared spectroscopy (FTIR) were conducted to verify the anionic binding of TSC groups, while neutral binding modes were revealed by FTIR and batch removal experiments. Furthermore, the removal of silver ions was also successfully demonstrated in a flow setup operated at 4 bar of applied pressure. The streaming potential and energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy conducted on the membranes after the flow tests confirmed the complexation by TSC-functional groups as the separation mechanism. Finally, partial desorption of the silver ions was successfully conducted in water to demonstrate the reusability of pTSC membranes