Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Достижение умеренного давления в герметичных сосудов с помощью сухого льда в качестве источника твердых CO2

Published: August 17, 2018 doi: 10.3791/58281
Automatic Translation
1,2, *1,2, *1,2, 1,2
1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Toledo, 2School of Green Chemistry and Engineering, University of Toledo
* These authors contributed equally

Summary

Здесь мы представляем протокол для проведения реакции в простой реакции сосудов под низким средним давлением CO2. Реакции могут выполняться в различных судов просто управляющей диоксида углерода в виде сухого льда, без необходимости в дорогостоящих или разработки оборудования или установок.

Abstract

Здесь представлена общая стратегия для выполнения реакций под легкой до умеренной CO2 давления с сухим льдом. Этот метод устраняет необходимость для специализированного оборудования для достижения скромного давления и может использоваться даже для достижения более высокого давления в более специализированное оборудование и крепкий реакции сосудов. В конце реакции флаконов может быть легко редуктором, открыв при комнатной температуре. В настоящем примере CO2 служит предполагаемый руководства группы, а также способ пассивации Амин субстратов, тем самым предотвращая окисление во время металлоорганические реакции. В дополнение к легко добавлены, руководство группы также удаляется под вакуумом, избавит от необходимости для обширных очистки для удаления руководства группы. Эта стратегия позволяет легким γ-C(sp3)-H арилирования алифатических аминов и имеет потенциал, чтобы применяться к целый ряд других реакций на основе аминов.

Introduction

Для использования газообразных соединений в химических реакциях обычно требуется специализированное оборудование и процедуры1,2. В ходе лабораторных некоторые газы могут быть добавлены непосредственно из бака, используя регулятор высокого давления3. Альтернативный метод заключается в конденсации газ под криогенных условий4,5. Несмотря на полезность, эти стратегии требуют использования специализированных давления реакторов с клапанами, которые могут быть дорого для параллельно многочисленные реакции. Поэтому это может значительно замедлить темпы, на какой реакции можно продолжить скрининга. В результате химики нашли желательно ввести эти соединения, с помощью альтернативных методов. Аммиака могут быть добавлены к реакциям, используя различные аммониевых солей карбоксилат, воспользовавшись слабым равновесия между этими соли и6свободный аммиак. Гидрирование передачи является важной стратегией для сокращения реакции олефины, карбонил и нитро групп, обходит использования легковоспламеняющихся водорода с соединениями, например аммония формате или гидразина как носители H27. Еще один газ интерес в этой области является окись углерода8 -CO может быть созданный в situ путем освобождения от металлических карбонильные комплексы9,10, или в качестве альтернативы он может быть порождена decarbonylation от источников, таких как форматах formamides11,12,13 или хлороформ14,и15.

Один газ, который не пользуется значительным событием в этом отношении является двуокись углерода16. Одна из причин этого является, что множество преобразований, которые связаны с CO2 также требуют высоких температур и давления и таким образом автоматически отводится специализированным реакторов17,18. Недавние усилия для разработки более реактивный катализаторы, однако, облегчили выполнение многих из этих реакций под атмосферным давлением CO219,20,,2122. Недавно мы обнаружили реакции, в котором двуокиси углерода могут использоваться для посредничества γ-C (sp3) – H арилирования Алифатические амины23. Ожидается, что эта стратегия была объединить преимущества подхода статической направляющей группы , включая Амида24,25,26,27,28, сульфаниламиды 29 , 30 , 31 , 32,33,thiocarbonyl34или35гидразоны-на основе направления групп (химическая robusticity), с легкостью переходных руководство группы (снижение шаг экономики)36, 37,,3839.

Хотя реакция может происходить при атмосферном давлении CO2, необходимость Шленк настройки экрана реакций, оказались чрезмерно медленно. Кроме того повышение давления, слегка привело к Улучшена реакция урожайности, но не могут быть достигнуты легко с помощью строки Шленк. Поэтому мы искали альтернативную стратегию, и впоследствии определены что сухого льда может легко использоваться как твердого источника CO2 , которые могут быть добавлены к различным реакции сосудов представить необходимое количество углекислого газа для достижения умеренной давление (рис. 1). Хотя недостаточно в синтезе, аналогичная стратегия является довольно распространенным, как метод для создания жидкого CO2 для хроматографии и извлечения приложений40,,4142,43, 44. Используя эту стратегию позволило нашей группы быстро экрана большого количества реакций параллельно, в то время как возможность доступа к умеренной CO2 давления между 2-20 атмосфер имеют решающее значение для повышения урожайности реакций. В этих условиях начальных (1°) и средних (2°) амины может быть arylated с электронно богатых и бедных арил галогениды электронов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Предупреждение: 1) следующие протоколы были признаны безопасно через повторные испытания. Однако следует проявлять осторожность при герметизации флаконов, на протяжении реакции, и особенно при открытии реакции, как неоднородность в реакции флаконов может привести к неисправности оборудования. Пузырьки должны быть проверены на физических дефектов до использования. Флаконы должны находиться позади щита взрыв в той или иной форме или не створки капота сразу же после того, как уплотнение для предотвращения инцидентов следует флаконов. 2) хотя существует мало шансов для удушья из-за небольшого количества CO2 используется, реакции должен быть настроен, а также открыт в хорошо проветриваемом помещении или в зонта. 3) сухого льда Криоген и может вызвать повреждения серьезные тканей. Таким образом, проявлять осторожность во время манипулирования его, чтобы избежать обморожения, такие, как ограничение прямого контакта или с использованием криогенных перчатки. 4) сухого льда будет конденсации водяного пара, означает, что до использования, следует механически расслаивается сухого льда, чтобы убедиться, что масса CO2 (s) только. Это может быть достигнуто путем просто затирание сухой лед между пальцам, или более безопасно, втирая его между пальцам с защитным слоем как перчатка или полотенце.

1. реакции в 7,5 мл флаконе (Air не исключены)

  1. Добавьте панель переполох в сухой 7,5 мл флакон.
  2. Добавьте ацетата палладия (6,7 мг, 0,03 ммоль) во флаконе.
  3. Добавьте Серебряный trifluoroacetate (99.9 мг, 0,45 ммоль) во флаконе.
  4. Добавьте фенил йодид (92.3 мг, 0,45 ммоль) во флаконе.
  5. Добавить трет-Амиловый Амин (26.3 мг, 0.30 ммоль) в пузырек.
  6. Добавьте уксусной кислоты (1.0 мл) во флаконе.
    Примечание: Соотношение объема раствора на флаконе размер имеет важное значение, как немедленное сублимации CO2 при добавлении сухого льда механически могут сместить растворителя, если слишком много используется относительно размера реакции судна.
  7. Добавьте деионизированной воды (21,7 мкл, 12.1 ммоль) флакон.
  8. Вес сухого льда (26.3 мг, 0,60 ммоль), и сразу же добавить сухой лед флакона, обеспечивая при этом также немедленно печать флакон с крышкой из ПТФЭ выстроились.
    Примечание: Вся операция должна быть выполнена в течение примерно 5 секунд, чтобы предотвратить сублимации и бежать небольшое количество CO2 добавил (это замедлил формирование замороженных уксусной кислоты вокруг сухой лед). Приближенное значение будет количество CO2 добавлена, и в наших руках допустимо отклонение в нескольких мг.
  9. Перемешайте флакона запечатанном реакции на 15 минут при комнатной температуре.
  10. Передача реакционный сосуд на подогретую тарелку на 110 ° C и перемешайте 14 часов, прежде чем разрешить охладить.
  11. После охлаждения, осторожно откройте флакон провентилировать CO2.
  12. Удалите все из летучих веществ в вакууме.
    Примечание: Эта операция может быть выполнена во флаконе, или решение может быть передано более круглым дном колбу.
  13. Добавить 1,2 М HCl(aq) (6 мл) в реакционной смеси и перемешать открыты для воздуха на 15 минут.
  14. Трансфер водная фракция в воронку separatory, мытье с дополнительным 1.2 М HCl (4 мл) и извлечь с диэтиловым эфиром/гексаны 1:1 смесь (3 x 8 мл).
    Примечание: Это органические мыть содержит избыточные фенил йодида и других нейтральных побочных продуктов и могут быть удалены.
  15. Нейтрализовать и сделать основной водный раствор с добавлением насыщенных NH4OH(aq) (10 мл является хорошей отправной точкой).
  16. Экстракт водный слой с Дихлорметан (2 x 10 мл).
  17. Сухие комбинированные органические фракции за Na2,4, а затем фильтр в образец тарированного флаконе.
  18. Испарения растворителя в вакууме, давая продукт (2-метил-4-фенил butanamine) как желтое масло.

2. реакция в 7,5 мл флаконе (очистка условий – воздуха исключены)

  1. Добавьте панель переполох в сухой 7,5 мл флакон.
  2. Добавьте ацетата палладия (6,7 мг, 0,03 ммоль) во флаконе.
  3. Добавьте Серебряный trifluoroacetate (99.9 мг, 0,45 ммоль) во флаконе.
  4. Добавьте фенил йодид (92.3 мг, 0,45 ммоль) во флаконе.
  5. Добавить трет-Амиловый Амин (26.3 мг, 0.30 ммоль) в пузырек.
  6. Добавьте уксусной кислоты (1.0 мл) во флаконе.
    Примечание: Соотношение объема раствора на флаконе размер имеет важное значение, как немедленное сублимации CO2 при добавлении сухого льда механически могут сместить растворителя, если слишком много используется относительно размера реакции судна.
  7. Добавьте деионизированной воды (21,7 мкл, 12.1 ммоль) флакон.
  8. Масса тары флакона на баланс, добавить примерно 98 мг сухого льда и, а затем CO2 сублимировать выключения, пока не будет достигнуто окончательное масса приблизительно 26 мг, следуют сразу герметизации флакон с крышкой из ПТФЭ выстроились.
    Примечание: Если желательно, этот шаг может выполняться с большей массы сухого льда далее исключить воздух из флакона. Примечательно, что это может ввести воду и таким образом не может быть наиболее эффективной стратегией для воды чувствительных реакций.
  9. Перемешайте флакона запечатанном реакции на 15 минут при комнатной температуре.
  10. Передача реакционный сосуд на подогретую тарелку на 110 ° C и перемешайте 14 часов, прежде чем разрешить охладить.
  11. После охлаждения, осторожно откройте флакон провентилировать CO2.
  12. Удалите все из летучих веществ в вакууме.
    Примечание: Эта операция может быть выполнена во флаконе, или решение может быть передано более круглым дном колбу.
  13. Добавить 1,2 М HCl(aq) (6 мл) в реакционной смеси и перемешать открыты для воздуха на 15 минут.
  14. Трансфер водная фракция в воронку separatory, мытье с дополнительным 1.2 М HCl (4 мл) и извлечь с диэтиловым эфиром/гексаны 1:1 смесь (3 x 8 мл).
    Примечание: Это органические мыть содержит избыточные фенил йодида и других нейтральных побочных продуктов и могут быть удалены.
  15. Нейтрализовать и сделать основной водный раствор с добавлением насыщенных NH4OH(aq) (10 мл является хорошей отправной точкой).
  16. Экстракт водный слой с Дихлорметан (2 x 10 мл).
  17. Сухие комбинированные органические фракции за Na2,4, а затем фильтр в образец тарированного флаконе.
  18. Испарения растворителя в вакууме, давая продукт (2-метил-4-фенил butanamine) как желтое масло.

3. реакция в 40 мл флаконе (Air не исключены)

  1. Добавьте панель переполох в сухой 40 мл во флаконе.
  2. Добавьте ацетата палладия (33.5 мг, 0,15 ммоль) во флаконе.
  3. Добавьте Серебряный trifluoroacetate (499.5 мг, 2,25 ммоль) во флаконе.
  4. Добавьте фенил йодид (461.5 мг, 2,25 ммоль) во флаконе.
  5. Добавьте трет Амиловый Амин (131,5 мг, 1,5 ммоль) во флаконе.
  6. Добавьте уксусной кислоты (5,0 мл) во флаконе.
    Примечание: Соотношение объема раствора на флаконе размер имеет важное значение, как немедленное сублимации CO2 при добавлении сухого льда механически могут сместить растворителя, если слишком много используется относительно размера реакции судна.
  7. Добавьте деионизированной воды (108,5 мкл, 6,02 ммоль) флакон.
  8. Вес сухого льда (131,5 мг, 3.0 ммоль) и сразу же добавить сухой лед флакона, обеспечивая также немедленно закрыть флакон с крышкой из ПТФЭ выстроились.
    Примечание: Вся операция должна быть выполнена в течение примерно 5 секунд, чтобы предотвратить сублимации и бежать небольшое количество CO2 добавил (это замедлил формирование замороженных уксусной кислоты вокруг сухой лед). Приближенное значение будет количество CO2 добавлена, и в наших руках допустимо отклонение в нескольких мг.
  9. Перемешайте флакона запечатанном реакции на 15 минут при комнатной температуре.
  10. Передача реакционный сосуд на подогретую тарелку на 110 ° C и перемешайте 14 часов, прежде чем разрешить охладить.
  11. После охлаждения, осторожно откройте флакон провентилировать CO2.
  12. Удалите все из летучих веществ в вакууме.
    Примечание: Эта операция может быть выполнена во флаконе, или решение может быть передано более круглым дном колбу.
  13. Добавить 1,2 М HCl(aq) (30 мл) в реакционной смеси и перемешать открыты для воздуха на 15 минут.
  14. Трансфер водная фракция в воронку separatory, мытье с дополнительным 1.2 М HCl (20 мл) и экстракт с диэтиловым эфиром/гексаны 1:1 смесь (3 x 8 мл).
    Примечание: Это органические мыть содержит избыточные фенил йодида и других нейтральных побочных продуктов и могут быть удалены.
  15. Нейтрализовать и сделать основной водный раствор с добавлением насыщенных NH4OH(aq) (10 мл является хорошей отправной точкой).
  16. Экстракт водный слой с Дихлорметан (2 x 20 мл).
  17. Сухие комбинированные органические фракции за Na2,4, а затем фильтр в образец тарированного флаконе.
  18. Испарения растворителя в вакууме, давая продукт (2-метил-4-фенил butanamine) как желтое масло.

4. реакция в 35 мл давления трубка (Air не исключены)

  1. Добавьте панель переполох в сухой 35 мл давления.
  2. Добавьте ацетата палладия (6,7 мг, 0,03 ммоль) в трубе давления.
  3. Добавьте Серебряный trifluoroacetate (132.5 мг, 0,6 ммоль) к трубе давления.
  4. Добавьте фенил йодид (183,6 мг, 0,9 ммоль) в трубе давления.
  5. Добавить 2-метил -N-(3-methylbenzyl) Бутан-2-Амин (57.4 мг, 0,3 ммоль) для труб давление.
  6. Добавьте уксусной кислоты (1.0 мл) во флаконе, следуют 1,1,1,3,3,3,-hexafluoroisopropanol (1.0 мл).
    Примечание: Соотношение объема раствора на флаконе размер имеет важное значение, как немедленное сублимации CO2 при добавлении сухого льда механически могут сместить растворителя, если слишком много используется относительно размера реакции судна.
  7. Добавьте деионизированной воды (21,7 мкл, 1,2 ммоль) давления трубы.
  8. Вес сухого льда (1.32 g, 30 ммоль), и сразу же добавить сухой лед давления трубка, обеспечивая при этом также немедленно печать давления Трубка с соответствующим тефлон колпачок.
    Примечание: Вся операция должна быть выполнена в течение примерно 5 секунд, чтобы предотвратить сублимации и бежать небольшое количество CO2 добавил (это замедлил формирование замороженных уксусной кислоты вокруг сухой лед). Приближенное значение будет количество CO2 добавлена, и в наших руках допустимо отклонение в нескольких мг.
  9. Перемешайте запечатанном сосуде на 15 минут при комнатной температуре.
  10. Передача реакционный сосуд на подогретую тарелку на 90 ° C и перемешать на 24 часа, прежде чем разрешить охладить.
  11. После охлаждения, положить полотенце или мягкие перчатка над крышкой и тщательно открыть давления трубы вентиляционные CO2.
  12. Удалите все из летучих веществ в вакууме.
    Примечание: Эта операция может быть выполнена в трубе давления с соответствующим адаптером, или решение может быть передано более круглым дном колбу.
  13. Добавить 1,2 М HCl(aq) (12 мл) в реакционной смеси и перемешать открыты для воздуха на 15 минут.
  14. Трансфер водная фракция в воронку separatory, мытье с дополнительным 1.2 М HCl (8 мл) и извлечь с диэтиловым эфиром/гексаны 1:1 смесь (3 x 8 мл).
    Примечание: Это органические мыть содержит избыточные фенил йодида и других нейтральных побочных продуктов и могут быть удалены.
  15. Нейтрализовать и сделать основной водный раствор с добавлением насыщенных NH4OH(aq) (10 мл является хорошей отправной точкой).
  16. Экстракт водный слой с Дихлорметан (2 x 10 мл).
  17. Сухие комбинированные органические фракции за Na2,4, а затем фильтр в образец тарированного флаконе.
  18. Испарения растворителя в вакууме, давая продукт (2-Methyl-N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine) как желтое масло.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

После эти протоколы это можно поручить реакции флакон с соответствующим количеством углекислого газа для достижения химических реакций, которые требуют CO2 атмосфер. Давление в шаге 1 рассчитывается как приблизительно 3 атмосфер (см. обсуждение для определения этого значения), хотя из-за частичного сольватации, наблюдаемых давления вблизи 2 атмосфер при комнатной температуре и должно быть примерно 2,6 атмосферы в условиях реакции. Таким образом в условиях на шаге 1, 2-метил-4-фенил butanamine можно получить в 69% доходности (рис. 2). Очистив первый колбу воздуха через перемещения путем сублимации CO2 (шаг 2), доходность может быть увеличена незначительно до 72%. Различать эти результаты в ~2.6 атмосфер давления, выполняя реакции до 1 атмосфера CO2 с помощью стандартной настройки Шленк предоставляет необходимый продукт только 49% изолированных урожайности. Если используется не CO2 , или флакона не запечатан должным образом, и таким образом стабильной атмосферы CO2 не поддерживается, то < 5% доходность желаемого продукта определяется 1H ЯМР (используя 1,1,2,2-тетрахлорэтан как эталон). Тем временем масштабирования реакции с коэффициентом 5 пока одновременно с использованием больших реакции флакона (шаг 3) все еще может дать продукт, хотя и в несколько снизилась доходность 42%. Реакции могут также выполняться в давления реакции трубы (рис. 1), при этом позволяя синтез 2-метил -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine в 40% доходности (рис. 3).

Figure 1
Рисунок 1. Реакции сосудов, используемые в данном исследовании. Слева направо: 2 драм флакон, 10 Dram флакон, 35 мл трубки давления). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2. 1 H ЯМР 2-метил-4-фенил butanamine. 400 МГц, CDCl3, 298 K. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
На рисунке 3. 1 H ЯМР 2-метил -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine. 400 МГц, CDCl3, 298 K. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Двуокись углерода, погрузка в пустые флаконы
100 мг 125 мг 150 мг 175 мг 200 мг 225 мг 250 мг 275 мг 300 мг Легенда
25 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ = Стабильных условиях
60ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x = нестабильных условиях
70 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √
80ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
90ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
Температура 100ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
110ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
120ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
130ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
150ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
160ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √

Таблица 1. Относительная стабильность по 7,5 мл флаконов на основе CO2 загрузки и температуры. Флаконы были загружены с необходимое количество сухого льда, следуют сразу уплотнения с ПТФЭ выстроились Кап. Флаконы были немедленно помещены в пирог блоки за взрыв щит в fumehood, а затем Отопление до 60 ° C, а затем поднимая 10 ° C каждый час пик 160 ° C. Флаконы были затем охлаждают и открыл тщательно, чтобы подтвердить, что имели место без потери давления CO2 .

Двуокись углерода, погрузка в пустые флаконы
300 мг 325 мг 350 мг 375 мг 400 мг 425 мг 450 мг 475 мг 500 мг 525 мг Легенда
25 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x √ = Стабильных условиях
60ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x x = нестабильных условиях
70 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
80ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
90ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
Температура 100ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
110ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
120ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
130ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
150ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
160ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x

Таблица 2. Относительная стабильность по 40 мл флаконов на основе CO2 загрузки и температуры. Флаконы были загружены с необходимое количество сухого льда, следуют сразу уплотнения с ПТФЭ выстроились Кап. Флаконы были немедленно помещены в пирог блоки за взрыв щит в fumehood, а затем Отопление до 60 ° C, а затем поднимая 10 ° C каждый час пик 160 ° C. Флаконы были затем охлаждают и открыл тщательно, чтобы подтвердить, что имели место без потери давления CO2 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

С помощью ван дер Ваальса уравнение состояния, приблизительное давление этих систем может быть вычисляемых45

Уравнение 1:Equation

В условиях протокола 1, мы можем предположить 26,3 мг CO2 дает n = 5,98 x 10-4 Молс

Equation 1b

Как грубую оценку это свидетельствует о том, что в протокол 1 реакции были выполнены под приблизительно 2,8 атмосфер CO2. Если предположить незначительное перемещение родной атмосферы в сосуде (как отмечалось выше, патина замороженных уксусной кислоты будет медленно первоначальный сублимации сухого льда, содействие большей точности в измерении добавлен сухого льда), однако, общее давление Затем предполагается быть лучше моделируется закон Дальтона:

Уравнение 2:Equation 2

Equation 2b

Эта модель не принимать во внимание, что некоторые из Газы будет распущен в растворителе. В этом случае необходимо присоединить манометр адекватно оценить давление. Присоединение перегородки к флакона и вставив манометр, можно было измерить давление при комнатной температуре. Наблюдаемые давления над несколькими реакции были только 15 ± 3 psi выше атмосферного давления (≈ 1 ± 0,2 атмосфер), или всего около 2 атмосфер. Хотя константа Генри CO2 в аккуратные уксусная кислота не была доступна для сравнения, известно, что добавлением уксусной кислоты в воде повышает растворимость углекислого газа46. Расчетное давление при комнатной температуре может быть рассчитан с использованием предыдущего подхода:

Equation 5

Equation 6

Поэтому ожидаемый давление будет немного ниже 3.3 атмосфер при комнатной температуре в отсутствие газа, растворяясь в растворителе. Разница между наблюдаемых и расчетных давлений подразумевает, что CO2 имеет относительно высокую растворимость в органических растворителях. При условии незначительной разница в размере растворенного CO2 в диапазоне температур, увеличение температуры от 298 K до температуры реакции 383 K будет увеличить давление внутри флакона 2 драм ~2.6 атмосфер.

Для адекватной оценки практических условий эксплуатации, 2 драм флаконы были настройки с различное количество CO2, следуют скрининг на разных температурах. Для обеспечения безопасности оператора, флаконы были только с подогревом после делается за взрыв щита, чтобы содержать сбои во флаконе. Если флаконы взорвали, условия были сочтены слишком суровыми для флаконов. Через этих экспериментов было установлено, что CO2 загрузки до 200 мг было допущено при 110 ° C для 2 драм (7,5 мл) флаконы через последовательную испытания. Это соответствует примерно 20,7 атмосфер давления, на основе предыдущего подхода, не выдерживая количество растворенного газа, который может уменьшаться общее давление на несколько атмосфер. За пределами 200 мг загрузки однако, флаконы реакции обычно взорвется до достижения заданной температуры 110 ° c. При изменении условий, однако следует проявлять осторожность: В одном сценарии связанной с реакцией было при 160 ° C с CO2только 150 мг, неудачную флакона до заданной температуры. Наибольшую опасность для изменения реакции бы условия от увеличения нагрузки CO2, как это может вызвать флаконы потерпеть до безопасных инженерных элементов управления, например Взрыв Шилдс, могут быть реализованы.

Потенциальным ограничением этой стратегии является отсутствие данных о стабильности флаконов в различных условиях. Поэтому было необходимо экран флаконы для их способность выдерживать различные давления под широкий спектр различных температур. Это было начато с 7,5 мл флаконы (Таблица 1). Каждый флакон был обвинен предопределенное количество сухого льда, следуют немедленного уплотнения с ПТФЭ выстроились винтовой крышкой. Эти пузырьки были замечены быть терпимыми этих условий, и никто не при комнатной температуре. Температура затем был поднят для всех флаконов, и никаких взрывов произошло во время эксперимента. После охлаждения, чтобы подтвердить, что они поддерживали наддув с CO2был открыт каждый флакон. Это свидетельствует о том, что свыше 26.5 атмосфер давления, которое в отличие от условий реакции, в которой ~20.7 атмосфер давления было последовательное ограничение может терпеть флаконов. Поэтому рекомендуется, что растворитель идентичности и объем тщательно рассматриваться в отклонения от метода раскрыты.

Подобный экран для максимальной терпимости была выполнена с использованием реакции 40 мл флаконы (Таблица 2). В этом случае верхний предел для загрузки2 CO Пустые флаконы был определен 500 mg. выше это флаконы быстро сбой при комнатной температуре. Удивительно, расчетное давление образцов, которые начал на провал при комнатной температуре был около 7 атмосфер и выше. Это в отличие от флакон, содержащий 500 мг CO2, который был стабильным при 160 ° C, которая отвечала бы расчетное давление чуть меньше 10,5 атм. Эти результаты были воспроизводимые через различных ампул, но существует нет четкого объяснения этого явления в настоящее время. В условиях, описанных в протокол 3 только около 300 мг нагрузок CO2 были мириться. Однако это на самом деле с учетом предыдущих экспериментов, как в условиях давления, нескорректированной для потенциальных поглощение углекислого газа, растворителя, будет приблизительно 10 атмосфер. Снижение стабильности больших флаконов для давления ожидается и свидетельствует о том, что эти процедуры выполняются лучше в сосудах, которые имеют меньший диаметр и толще стены47.

Таким образом этот протокол для использования сухого льда твердых CO2 в качестве источника посуда легко доступны, как ожидается, открыть новые направления в области синтетической химии. Создавая слабый до умеренного давления внутри закрытых флаконах или давления трубы, фиксации двуокиси углерода обрабатывает как карбоксилирования48,49,50, а также CO2 сокращение51, 52 , 53, может быть достигнуто без использования дорогих специализированного оборудования. Этот недавно принятая стратегия будет содействовать прогресс в области индексации CO2 путем включения в полезные химического сырья таких циклических карбонаты, поли карбонатов и карбаматы54. Кроме того, стратегия внедрения CO2 как твердое тело также может быть полезным где смеси газов желательны, например CO2 и CO, или CO2 и H2, поскольку это облегчает добавление обоих реагентов в не газообразное формы. Хотя использование сухого льда для вводить жидкие CO2 был использован для экстракции и хроматографии40,41,42,,4344, этот протокол для Представляя CO2 как сплошной мая также быть полезным в situ поколения CO2(L) для использования в качестве реакции растворителей55,56,57, будущая работа изучает другие использует для этого подход, особенно сочетание CO2 с других газов прекурсоров, ведутся в настоящее время в нашей группе.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Использование CO2 в качестве руководства группы для активации C-H Льюис основные субстратов в настоящее время в центре внимания предварительный патент США #62/608, 074.

Acknowledgments

Авторы хотели бы отметить начальное финансирование от Университет Толедо, а также средства от американского химического общества Фонд Германа Frasch в частичной поддержке этой работы. Г-н Томас Кина признается за его помощь в разработке подходящих манометр для измерения давления реакции. Г-н Стив Modar поблагодарил за полезные дискуссии.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
7.5 mL Sample Vial with Screw Cap (Thermoset) Qorpak GLC-00984 Can be reused.
40 mL Sample Vial with Screw Cap (Thermoset) Qorpak GLC-01039 Can be reused.
Pressure Tube, #15 Thread, 7" Long, 25.4 mm O.D. Ace Glass 8648-06 Can be reused.
Pie-Block for 2 Dram Vials ChemGlass CG-1991-P14 Can be reused.
Pie-Block for 10 Dram Vials ChemGlass CG-1991-P12 Can be reused.
3.2 mm PTFE Disposable Stir Bars Fisher 14-513-93 Can be reused.
C-MAG HS 7 Control Hotplate IKA 20002695
Analytical Weighing Balance Sartorius QUINTIX2241S
Double-Ended Micro-Tapered Spatula Fisher Scientific 21-401-10
Hei-VAP Advantage - Hand Lift Model with G5 Dry Ice Condenser Rotary Evaporator Heidolph 561-01500-00
Bump Trap 14/20 Joint ChemGlass CG-1322-01
tert-Amyl amine Alfa Aesar B24639-14 Used as received.
2-Methyl-N-(3-methylbenzyl)butan-2-amine N/A N/A Prepared from reductive amination of tert-amyl amine and 3-tolualdehyde in the presence of sodium borohydride in methanol.
Palladium Acetate Chem-Impex International, Inc. 4898 Used as received.
Silver Trifluoroacetate Oakwood Chemicals 007271 Used as received.
Phenyl Iodide Oakwood Chemicals 003461 Used as received.
Acetic Acid Fisher Chemical A38 Used as received.
1,1,1,3,3,3-Hexafluoroisopropanol Oakwood Chemicals 003409 Used as received.
Deionized Water Obtained from in-house deionized water system.
Dry Ice Carbonic Enterprises Dry Ice Inc. Non-food grade dry ice.
Concentrated Hydrochloric Acid Fisher Chemical A144SI Diluted to a 1.2 M solution prior to use.
Diethyl Ether, Certified Fisher Chemical E138 Used as received.
Hexanes, Certified ACS Fisher Chemical H292 Used as received.
Saturated Ammonium Hydroxide Fisher Chemical A669 Used as received.
Dichloromethane Fisher Chemical D37 Used as received.
Sodium Sulfate, Anhydrous Oakwood Chemicals 044702 Used as received.
250 mL Separatory Funnel Prepared in-house by staff glassblower.
100 mL Round Bottom Flask Prepared in-house by staff glassblower.
Scientific Disposable Funnel Caplugs 2085136030
Borosilicate Glass Scintillation Vials, 20 mL Fisher Scientific 03-337-15
5 mm O.D. Thin Walled Precision NMR Tubes Wilmad 666000575
Chloroform-d Cambridge Isotope Laboratories, Inc. DLM-7 Used as received.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Verboom, W. Selected Examples of High-Pressure Reactions in Glass Microreactors. Chemical Engineering and Technology. 32 (11), 1695-1701 (2009).
  2. Schettino, V., Bini, R. Constraining Molecules at the Closest Approach: Chemistry at High Pressure. Chemical Society Reviews. 36, 869-880 (2007).
  3. Hemminger, O., Marteel, A., Mason, M. R., Davies, J. A., Tadd, A. R., Abraham, M. A. Hydroformylation of 1-Hexene in Supercritical Carbon Dioxide Using a Heterogeneous Rhodium Catalyst. 3. Evaluation of Solvent Effects. Green Chemistry. 4, 507-512 (2002).
  4. Mo, F., Dong, G. Regioselective Ketone α-Alkylation with Simple Olefins via Dual Activation. Science. 345 (6192), 68-72 (2014).
  5. Schultz, A. G., Kirincich, S. J., Rahm, R. Asymmetric Organic Synthesis. Preparation and Birch Reduction-Alkylation of 2-Methyl-3,4-Dihydroisoquinolin-1-ones. Tetrahedron Letters. 36 (26), 4551-4554 (1995).
  6. Dong, L., Aleem, S., Fink, C. A. Microwave-Accelerated Reductive Amination Between Ketones and Ammonium Acetate. Tetrahedron Letters. 51 (39), 5210-5212 (2010).
  7. Wang, D., Astruc, D. The Golden Age of Transfer Hydrogenation. Chemical Reviews. 115 (13), 6621-6686 (2015).
  8. Morimoto, T., Kakiuchi, K. Evolution of Carbonylation Catalysis: No Need for Carbon Monoxide. Angewandte Chemie International Edition in English. 43 (42), 5580-5588 (2004).
  9. Iranpoor, N., Firouzabadi, H., Motevalli, S., Talebi, M. Palladium-Free Aminocarbonylation of Aryl, Benzyl, and Styryl Iodides and Bromides by Amines Using Mo(CO)6 and Norbornadiene. Tetrahedron. 69 (1), 418-426 (2013).
  10. Ren, W., Yamane, M. Mo(CO)6-Mediated Carbamoylation of Aryl Halides. Journal of Organic Chemistry. 75 (24), 8410-8415 (2010).
  11. Wang, H., Dong, B., Wang, Y., Li, J., Shi, Y. A Palladium-Catalyzed Regioselective Hydroesterification of Alkenylphenols to Lactones with Phenyl Formate as CO Source. Organic Letters. 16 (1), 186-189 (2014).
  12. Zhang, Y., Chen, J. -L., Chen, Z. -B., Zhu, Y. -M., Ji, S. -J. Palladium-Catalyzed Carbonylative Annulation Reactions Using Aryl Formate as a CO Source: Synthesis of 2-Substituted Indene-1,3(2H)-Dione Derivatives. Journal of Organic Chemistry. 80 (21), 10643-10650 (2015).
  13. Wan, Y., Alterman, M., Larhed, M., Hallberg, A. Dimethylformamide as a Carbon Monoxide Source in Fast Palladium-Catalyzed Aminocarbonylations of Aryl Bromides. Journal of Organic Chemistry. 67 (17), 6232-6235 (2002).
  14. Gockel, S. N., Hull, K. L. Chloroform as a Carbon Monoxide Precursor: In or Ex Situ Generation of CO for Pd-Catalyzed Aminocarbonylations. Organic Letters. 17 (13), 3236-3239 (2015).
  15. Zhao, H., Du, H., Yuan, X., Wang, T., Han, W. Iron-Catalyzed Carbonylation of Aryl Halides with Arylborons Using Stoichiometric Chloroform as the Carbon Monoxide Source. Green Chemistry. 18, 5782-5787 (2016).
  16. Chen, P., Xu, C., Yin, H., Gao, X., Qu, L. Shock Induced Conversion of Carbon Dioxide to Few Layer Graphene. Carbon. , 471-476 (2017).
  17. Iijima, T., Yamaguchi, T. Efficient Regioselective Carboxylation of Phenol to Salicylic Acid with Supercritical CO2 in the Presence of Alumnium Bromide. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 295 (1-2), 52-56 (2008).
  18. Jevtovikj, I., Manzini, S., Hanauer, M., Rominger, F., Schaub, T. Investigations on the Catalytic Carboxylation of Olefins with CO2 Towards α, β-Unsaturated Carboxylic Acid Salts: Characterization of Intermediates and Ligands as well as Substrate Effects. Dalton Transactions. 44, 11083-11094 (2015).
  19. Juliá-Hernández, F., Moragas, T., Cornella, J., Martin, R. Remote Carboxylation of Halogenated Aliphatic Hydrocarbons with Carbon Dioxide. Nature. 545, 84-88 (2017).
  20. North, M., Pasquale, R. Mechanism of Cyclic Carbonate Synthesis from Epoxides and CO2. Angewandte Chemie International Edition. 48 (16), 2946-2948 (2009).
  21. Yeung, C. S., Dong, V. M. Beyond Aresta's Complex: Ni- and Pd-Catalyzed Organozinc Coupling to CO2. Journal of the American Chemical Society. 130 (25), 7826-7827 (2008).
  22. Zhu, D. -Y., Fang, L., Han, H., Wang, Y., Xia, J. -B. Reductive CO2 Fixation via Tandem C-C and C-N Bond Formation: Synthesis of Spiro-Indopyrrolidines. Organic Letters. 19 (16), 4259-4262 (2017).
  23. Kapoor, M., Liu, D., Young, M. C. Carbon Dioxide Mediated C(sp3)–H Arylation of Amine Substrates. J. Am. Chem. Soc. , (2018).
  24. Zhang, Y. -F., Zhao, H. -W., Wang, H., Wei, J. -B., Shi, Z. -J. Readily Removable Directing Group Assisted Chemo- and Regioselective C(sp3)-H Activation by Palladium Catalysis. Angewandte Chemie International Edition. 54 (46), 13686-13690 (2015).
  25. He, G., Chen, G. A Practical Strategy for the Structural Diversification of Aliphatic Scaffolds Through the Palladium-Catalyzed Picolinamide-Directed Remote Functionalization of Unactivated C(sp3)-H Bonds. Angewandte Chemie International Edition. 50 (22), 5192-5196 (2011).
  26. Nack, W. A., Wang, X., Wang, B., He, G., Cheng, G. Palladium-Catalyzed Picolinamide-Directed Iodination of Remote ortho-C-H Bonds of Arenes: Synthesis of Tetrahydroquinolines. Beilstein Journal of Organic Chemistry. 12, 1243-1249 (2016).
  27. Feng, P., Li, M., Ge, H. Room Temperature Palladium-Catalyzed Decarboxylative ortho-Acylation of Acetanilides with α-Oxocarboxylic Acids. Journal of the American Chemical Society. 132 (34), 11898-11899 (2010).
  28. Coomber, C. E., Benhamou, L., Bučar, D. -K., Smith, P. D., Porter, M. J., Sheppard, T. D. Silver-Free Palladium-Catalyzed C(sp3)-H Arylation of Saturated Bicyclic Amine Scaffolds. Journal of Organic Chemistry. 83 (5), 2495-2503 (2018).
  29. Mei, T. -S., Wang, X., Yu, J. -Q. Pd(II)-Catalyzed Amination of C-H Bonds Using Single-Electron or Two-Electron Oxidants. Journal of the American Chemical Society. 131 (31), 10806-10807 (2009).
  30. Xie, W., Yang, J., Wang, B., Li, B. Regioselective Ortho Olefination of Aryl Sulfonamide via Rhodium-Catalyzed Direct C-H Bond Activation. Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 8278-8287 (2014).
  31. Rodriguez, N., Romero-Revilla, J. A., Fernández-Ibáñez, M. Á, Carretero, J. C. Palladium-Catalyzed N-(2-pyridyl)sulfonyl-Directed C(sp3)-H γ-Arylation of Amino Acid Derivatives. Chemical Science. 4, 175-179 (2013).
  32. Zheng, Y., Song, W., Zhu, Y., Wei, B., Xuan, L. Pd-Catalyzed Acetoxylation of γ-C(sp3)-H Bonds of Amines Directed by a Removable Bts-Protecting Group. Journal of Organic Chemistry. 83 (4), 2448-2454 (2018).
  33. Jain, P., Verma, P., Xia, G., Yu, J. -Q. Enantioselective Amine α-Functionalization Via Palladium-Catalysed C-H Arylation of Thioamides. Nature Chemistry. 9, 140-144 (2017).
  34. Tran, A. T. Practical Alkoxythiocarbonyl Auxiliaries for Ir(I)-Catalyzed C-H Alkylation of Azacycles. Angewandte Chemie International Edition. 56 (35), 10530-10534 (2017).
  35. Huang, Z., Wang, C., Dong, G. A Hydrazone-Based exo-Directing Group Strategy for β-C-H Oxidation of Aliphatic Amines. Angewandte Chemie International Edition. 55 (17), 5299-5303 (2016).
  36. Xu, Y., Young, M. C., Wang, C., Magness, D. M., Dong, G. Catalytic C(sp3)-H Arylation of Free Primary Amines via an in situ Generated Exo-Directing Group. Chemie International Edition. 55 (31), 9084-9087 (2016).
  37. Liu, Y., Ge, H. Site-Selective C-H Arylation of Primary Aliphatic Amines Enabled by a Catalytic Transient Directing Group. Nature Chemistry. 9, 26-32 (2017).
  38. Wu, Y., Chen, Y. -Q., Liu, T., Eastgate, M. D., Yu, J. -Q. Pd-Catalyzed γ-C(sp3)-H Arylation of Free Amines Using a Transient Directing Group. Journal of the American Chemical Society. 138 (44), 14554-14557 (2016).
  39. Yada, A., Liao, W., Sato, Y., Murakami, M. Buttressing Salicylaldehydes: A Multipurpose Directing Group for C(sp3)-H Bond Activation. Angewandte Chemie International Edition. 56 (4), 1073-1076 (2017).
  40. Baldwin, B. W., Kuntzleman, T. S. Liquid CO2 in Centrifuge Tubes: Separation of Chamazulene from Blue Tansy (Tanacetum annum) Oil via Extraction and Thin-Layer Chromatography. Journal of Chemical Education. 95 (4), 620-624 (2018).
  41. McKenzie, L. C., Thompson, J. E., Sullivan, R., Hutchison, J. E. Green Chemical Processing in the Teaching Laboratory: A Convenient Liquid CO2 Extraction of Natural Products. Green Chemistry. 6, 355-358 (2004).
  42. Hudson, R., Ackerman, H. M., Gallo, L. K., Gwinner, A. S., Krauss, A., Sears, J. D., Bishop, A., Esdale, K. N., Katz, J. L. CO2 Dry Cleaning: A Benign Solvent Demonstration Accessible to K-8 Audiences. Journal of Chemical Education. 94, 480-482 (2017).
  43. Barcena, H., Chen, P. An Anesthetic Drug Demonstration and an Introductory Antioxidant Activity Experiment with "Eugene, the Sleepy Fish.". Journal of Chemical Education. 93, 202-205 (2016).
  44. Bodsgard, B. R., Lien, N. R., Waulters, Q. T. Liquid CO2 Extraction and NMR Characterization of Anethole from Fennel Seed: A General Chemistry Laboratory. Journal of Chemical Education. 93, 397-400 (2016).
  45. Fishbane, P. M., Gasiorowicz, S. G., Thornton, S. T. Physics for Scientists and Engineers. , (2005).
  46. Rumpf, B., Xia, J., Maurer, G. Solubility of Carbon Dioxide in Aqueous Solutions Containing Acetic Acid or Sodium Hydroxide in the Temperature Range from 313 to 433 K and at Total Pressures up to 10 MPa. Industrial & Engineering Chemistry Research. 37, 2012-2019 (1998).
  47. Technical Information: Nomogram of Allowable Pressures. , Available from: http://www.adamschittenden.com/nomogram_of_pressures.pdf (2018).
  48. Luo, J., Larrosa, I. C-H Carboxylation of Aromatic Compounds Through CO2 Fixation. ChemSusChem: Chemistry & Sustainability, Energy & Materials. 10, 3317-3332 (2017).
  49. Manjolinho, F., Arndt, M., Gooßen, K., Gooßen, L. J. Catalytic C-H Carboxylation of Terminal Alkynes with Carbon Dioxide. ACS Catalysis. 2, 2014-2021 (2012).
  50. Banerjee, A., Dick., G. R., Yoshino, T., Kanan, M. W. Carbon Dioxide Utilization via Carbonate-Promoted C-H Carboxylation. Nature. 531, 215-219 (2016).
  51. Fei, H., Sampson, M. D., Lee, Y., Kubiak, C. P., Cohen, S. M. Photocatalytic CO2 Reduction to Formate Using a Mn(I) Molecular Catalyst in a Robust Metal-Organic Framework. Inorganic Chemistry. 54, 6821-6828 (2015).
  52. Chabolla, S. A., Yang, J. Y. For CO2 Reduction, Hydrogen-Bond Donors Do the Trick. ACS Central Science. 4, 315-317 (2018).
  53. Kim, D., Kley, C. S., Li, Y., Yang, P. Copper Nanoparticle Ensembles for Selective Electroreduction of CO2 to C2-C3 Products. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , C2-C3 (2017).
  54. Liu, Q., Wu, L., Jackstell, R., Beller, M. Using carbon dioxide as a building block in organic synthesis. Nature Communications. 6, 5933-5945 (2015).
  55. Hâncu, D., Green, J., Beckman, E. J. H2O2 in CO2 Sustainable Production and Green Reactions. Accounts of Chemical Research. 35, 757-764 (2002).
  56. Ballivet-Tkatchenko, D., Camy, S., Condoret, J. S. Carbon Dioxide, a Solvent and Synthon for Green Chemistry. Environmental Chemistry. Lichtofouse, E., Scwarzbauer, J., Robert, D. , Springer: Berlin. 541-552 (2005).
  57. Hyatt, J. A. Liquid and Supercritical Carbon Dioxide as Organic Solvents. Journal of Organic Chemistry. 49, 5097-5101 (1984).

Tags

Химия выпуск 138 зеленой химии Металлоорганическая химия синтетическая методология двуокиси углерода амины C-H активации давления реакции
Достижение умеренного давления в герметичных сосудов с помощью сухого льда в качестве источника твердых CO<sub>2</sub>
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kapoor, M., Chand-Thakuri, P.,… More

Kapoor, M., Chand-Thakuri, P., Maxwell, J. M., Young, M. C. Achieving Moderate Pressures in Sealed Vessels Using Dry Ice As a Solid CO2 Source. J. Vis. Exp. (138), e58281, doi:10.3791/58281 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter