Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Oppnå moderat press i forseglet fartøy bruker tørris som en Solid 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

Her presenterer vi en protokoll for å utføre reaksjoner i enkel reaksjon skip under lav til moderat presset av CO2. Reaksjoner kan utføres i en rekke skip ved administrasjon av karbondioksid i form av tørris, uten behov for dyre eller utdype utstyr eller set-ups.

Abstract

Her vises en generell strategi for å utføre reaksjoner under mild til moderat CO2 presset med tørris. Denne teknikken obviates behovet for spesialisert utstyr å oppnå beskjeden press, og kan også brukes til å oppnå høyere press i mer spesialisert utstyr og kraftigere reaksjon fartøy. På slutten av reaksjonen, kan hetteglass være lett trykkavlastet av åpningen ved romtemperatur. I eksemplet stede fungerer CO2 som både en antatte dirigere gruppe så vel som en måte å passivate Amin underlag, og dermed hindre oksidasjon under organometalliske reaksjonen. I tillegg legges lett, er dirigere gruppen også fjernet under vakuum, obviating behovet for omfattende rensing å fjerne gruppen Regi. Denne strategien kan den lettvinte γ-C(sp3)-H arylation av alifatisk aminer og kan brukes til en rekke andre Amin-baserte reaksjoner.

Introduction

Bruk av gass forbindelser i kjemiske reaksjoner krever spesialisert utstyr og prosedyrer1,2. På benken skala, kan noen gasser legges direkte fra en tank med en høytrykk regulator3. En alternativ metode er å kondensere gassen under kryogene forhold4,5. Nyttige, krever disse strategiene bruk av spesialiserte press reaktorer med ventiler, som kan være kostnadseffektivt uoverkommelige for å kjøre mange reaksjoner parallelt. Derfor kan dette betydelig redusere hastigheten på som reaksjon screening kan fortsette. Derfor har kjemikere funnet det ønskelig å introdusere disse forbindelsene med alternative metoder. Ammoniakk kan legges til reaksjoner med forskjellige ammonium carboxylate salter, drar nytte av den svake likevekten mellom disse salter og gratis ammoniakk6. Overføre hydrogenering er en viktig strategi for reduksjon reaksjoner på olefins, karbonyl og nitro grupper som omgår bruk av brennbare hydrogengass med forbindelser som ammonium formiat eller hydrazine som bærere av H27. En annen gass rundt i dette området er karbonmonoksid8 -CO kan være generert i situ etter frigjøringen fra metall karbonyl komplekser9,10, eller alternativt det kan genereres ved decarbonylation fra kilder som formates og formamides11,12,13 eller kloroform14,15.

En gass som ikke har hatt betydelig utvikling i denne forbindelse er karbondioksid16. En årsak til dette er at mange transformasjoner som involverer CO2 også krever høye temperaturer og trykk, og dermed blir automatisk henvist til spesialiserte reaktorer17,18. Siste innsats for å utvikle mer reaktiv katalysatorer, imidlertid, lettet kjører mange av disse reaksjonene under atmosfærisk trykk CO219,20,21,22. Vi har nylig oppdaget en reaksjon som karbondioksid kan brukes å megle γ-C (sp3)-H arylation alifatisk aminer23. Denne strategien var ventet å kombinere fordelene med en dirigere gruppen tilnærming inkludert amid24,25,26,27,28sulfonamide 29 , 30 , 31 , 32, thiocarbonyl33,34eller hydrazone35-basert regi grupper (kjemiske robusticity), med enkelt en forbigående dirigere gruppe (redusert trinn økonomi)36, 37,38,39.

Selv om reaksjonen kan oppstå under lufttrykk CO2, redusere behovet for en Schlenk oppsett til skjermen reaksjoner viste uoverkommelig. Videre økende press litt førte til forbedret reaksjon avkastning, men enkelt oppnås ikke ved å bruke Schlenk:. Vi søkte derfor en alternativ strategi, og senere identifisert som tørris kan enkelt brukes som en solid CO2 som kan legges til en rekke reaksjon fartøy å introdusere den nødvendige mengden av karbondioksid å oppnå moderat Press (figur 1). Selv om underutilized i syntese, er en lignende strategi ganske vanlig som metode for å generere flytende CO2 for kromatografi og utvinning programmer40,41,42,43, 44. Bruker denne strategien tillatt vår gruppe å raskt skjermen stort antall reaksjoner i parallell, mens muligheten til å tilgang moderat CO2 Trykk på mellom 2-20 atmosfærer var avgjørende for å forbedre avkastningen av reaksjoner. Under disse forholdene, kan både primær (1°) og videregående (2°) aminer være arylated med elektron rike og elektron dårlig aryl halides.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FORSIKTIG: 1) følgende protokoller har vært ansett trygt gjennom gjentatte forsøk. Men forsiktighet bør utvises ved tetting ampuller, gjennom reaksjonen, og spesielt når åpning reaksjoner, som inhomogeneity i reaksjonen ampuller fører til utstyrssvikt. Ampuller bør inspiseres for fysiske defekter før bruk. Ampuller plasseres bak noen form for blast skjold eller hette sash straks tetting å forhindre hendelser skal hetteglass mislykkes. 2) selv om det er liten sjanse for kvelning på grunn av små mengder av CO2 brukes, reaksjoner bør settes opp som åpnes i et godt ventilert område eller i avtrekksvifte. 3) tørris er en cryogen og kan forårsake alvorlige vevsskade. Omsorg bør derfor utøves mens manipulerer den for å unngå frostskader, som begrenser direkte kontakt eller bruke kryogene hansker. 4) tørris vil minske vanndamp, betyr at før bruk, tørris bør være mekanisk skrubbet massen er av CO2 (s) bare. Dette kan oppnås ved å bare gni tørris mellom en finger eller sikrere, gni det mellom en finger med et beskyttende lag som en hanske eller håndkle.

1. reaksjon på 7,5 mL ampuller (luft ikke utelukket)

  1. Legge til en rør bar en tørr 7,5 mL flaske.
  2. Legge til palladium acetate (6,7 mg, 0,03 mmol) ampullen.
  3. Legge til en trifluoroacetate (99,9 mg, 0,45 mmol) ampullen.
  4. Legge til fenyl iodide (92,3 mg, 0,45 mmol) ampullen.
  5. Legge til tert-amyl Amin (26.3 mg, 0,30 mmol) til ampullen.
  6. Legge til eddiksyre (1,0 mL) ampullen.
    Merk: Løsning volumet medisinglass størrelse er viktig, som umiddelbar sublimering av CO2 etter tillegg av tørris kan mekanisk fortrenge løsemiddel Hvis for mye brukes i forhold til størrelsen på reaksjonen fartøyet.
  7. Legge til deionisert vann (21,7 μL, 12,1-tommers mmol) ampullen.
  8. Veie tørris (26.3 mg, 0,60 mmol), og umiddelbart legge tørris til ampullen, samtidig sikre å også umiddelbart segl ampullen med en PTFE-lined cap.
    Merk: Hele operasjonen skal utføres i ca 5 sekunder å hindre sublimering og rømning av den lille mengden CO2 lagt (dette er redusert med dannelsen av frosne eddiksyre rundt tørris). Mengden CO2 lagt blir en omtrentlig verdi, og i våre hender en del av noen mg er tillatt.
  9. Rør forseglet reaksjon ampullen i 15 minutter ved romtemperatur.
  10. Overføre reaksjonen fartøyet til en forvarmet plate på 110 ° C og rør i 14 timer før å kjøle.
  11. På kjøling, åpne nøye ampullen vent CO2.
  12. Fjern alle de flyktige i vacuo.
    Merk: Operasjonen kan utføres i ampullen eller løsningen kan overføres til en større runde bunnen kolbe.
  13. Legge til 1,2 M HCl(aq) (6 mL) reaksjonsblandingen og rør åpen luft i 15 minutter.
  14. Overføre vandig brøken til en separatory trakt, vaske med ekstra 1,2 M HCl (4 mL) og pakke med en 1:1 diethyl Eter/hexanes blanding (3 x 8 mL).
    Merk: Denne organisk vask inneholder overflødig fenyl iodide og andre nøytral biprodukter, og kan fjernes.
  15. Nøytralisere og gjøre grunnleggende vandig løsningen ved tillegg av mettet NH4OH(aq) (10 mL er et godt utgangspunkt).
  16. Ekstra vandig laget med diklormetan (2 x 10 mL).
  17. Tørr kombinert organisk fraksjoner over Na2så4, deretter filter i et tared utvalg medisinglass.
  18. Fordampe det løsemiddel i vacuo, gi et produkt (2-metyl-4-fenyl-butanamine) som en gul olje.

2. reaksjon på 7,5 mL ampuller (Purging forhold Air ekskludert)

  1. Legge til en rør bar en tørr 7,5 mL flaske.
  2. Legge til palladium acetate (6,7 mg, 0,03 mmol) ampullen.
  3. Legge til en trifluoroacetate (99,9 mg, 0,45 mmol) ampullen.
  4. Legge til fenyl iodide (92,3 mg, 0,45 mmol) ampullen.
  5. Legge til tert-amyl Amin (26.3 mg, 0,30 mmol) til ampullen.
  6. Legge til eddiksyre (1,0 mL) ampullen.
    Merk: Løsning volumet medisinglass størrelse er viktig, som umiddelbar sublimering av CO2 etter tillegg av tørris kan mekanisk fortrenge løsemiddel Hvis for mye brukes i forhold til størrelsen på reaksjonen fartøyet.
  7. Legge til deionisert vann (21,7 μL, 12,1-tommers mmol) ampullen.
  8. Tara ampullen på en balanse, Legg ca 98 mg tørris, og så la CO2 å sublimate av til siste masse ca 26 mg er oppnådd, etterfulgt av umiddelbart tetting ampullen med en PTFE-lined cap.
    Merk: Hvis ønskelig, dette trinnet utføres med en større mengde tørris ytterligere hindre luft ampullen. Det er bemerkelsesverdig at dette kan introdusere vann, og dermed kan ikke være den mest effektive strategien for vann følsom reaksjoner.
  9. Rør forseglet reaksjon ampullen i 15 minutter ved romtemperatur.
  10. Overføre reaksjonen fartøyet til en forvarmet plate på 110 ° C og rør i 14 timer før å kjøle.
  11. På kjøling, åpne nøye ampullen vent CO2.
  12. Fjern alle de flyktige i vacuo.
    Merk: Operasjonen kan utføres i ampullen eller løsningen kan overføres til en større runde bunnen kolbe.
  13. Legge til 1,2 M HCl(aq) (6 mL) reaksjonsblandingen, og rør åpen luft i 15 minutter.
  14. Overføre vandig brøken til en separatory trakt, vaske med ekstra 1,2 M HCl (4 mL) og pakke med en 1:1 diethyl Eter/hexanes blanding (3 x 8 mL).
    Merk: Denne organisk vask inneholder overflødig fenyl iodide og andre nøytral biprodukter, og kan fjernes.
  15. Nøytralisere og gjøre grunnleggende vandig løsningen ved tillegg av mettet NH4OH(aq) (10 mL er et godt utgangspunkt).
  16. Ekstra vandig laget med diklormetan (2 x 10 mL).
  17. Tørr kombinert organisk fraksjoner over Na2så4, deretter filter i et tared utvalg medisinglass.
  18. Fordampe løsemiddelet i vacuo gir produktet (2-metyl-4-fenyl-butanamine) som en gul olje.

3. reaksjon i 40 mL ampuller (luft ikke utelukket)

  1. Legge til en rør bar en tørr 40 mL flaske.
  2. Legge til palladium acetate (33,5 mg, 0,15 mmol) ampullen.
  3. Legge til en trifluoroacetate (499.5 mg, 2,25 mmol) ampullen.
  4. Legge til fenyl iodide (461.5 mg, 2,25 mmol) ampullen.
  5. Legge til tert-amyl Amin (131.5 mg, 1,5 mmol) ampullen.
  6. Legge til eddiksyre (5.0 mL) ampullen.
    Merk: Løsning volumet medisinglass størrelse er viktig, som umiddelbar sublimering av CO2 etter tillegg av tørris kan mekanisk fortrenge løsemiddel Hvis for mye brukes i forhold til størrelsen på reaksjonen fartøyet.
  7. Legge til deionisert vann (108.5 μL, 6.02 mmol) ampullen.
  8. Veie tørris (131.5 mg, 3.0 mmol), og umiddelbart legge tørris til ampullen, samtidig for å forsegle også ampullen med en PTFE-lined cap.
    Merk: Hele operasjonen skal utføres i ca 5 sekunder å hindre sublimering og rømning av den lille mengden CO2 lagt (dette er redusert med dannelsen av frosne eddiksyre rundt tørris). Mengden CO2 lagt blir en omtrentlig verdi, og i våre hender en del av noen mg er tillatt.
  9. Rør forseglet reaksjon ampullen i 15 minutter ved romtemperatur.
  10. Overføre reaksjonen fartøyet til en forvarmet plate på 110 ° C og rør i 14 timer før å kjøle.
  11. På kjøling, åpne nøye ampullen vent CO2.
  12. Fjern alle de flyktige i vacuo.
    Merk: Operasjonen kan utføres i ampullen eller løsningen kan overføres til en større runde bunnen kolbe.
  13. Legge til 1,2 M HCl(aq) (30 mL) reaksjonsblandingen og rør åpen luft i 15 minutter.
  14. Overføre vandig brøken til en separatory trakt, vaske med ekstra 1,2 M HCl (20 mL) og pakke med en 1:1 diethyl Eter/hexanes blanding (3 x 8 mL).
    Merk: Denne organisk vask inneholder overflødig fenyl iodide og andre nøytral biprodukter, og kan fjernes.
  15. Nøytralisere og gjøre grunnleggende vandig løsningen ved tillegg av mettet NH4OH(aq) (10 mL er et godt utgangspunkt).
  16. Ekstra vandig laget med diklormetan (2 x 20 mL).
  17. Tørr kombinert organisk fraksjoner over Na2så4, deretter filter i et tared utvalg medisinglass.
  18. Fordampe det løsemiddel i vacuo, gi et produkt (2-metyl-4-fenyl-butanamine) som en gul olje.

4. reaksjon i en 35 mL press Tube (luft ikke utelukket)

  1. Legge til en rør bar en tørr 35 mL press rør.
  2. Legge til palladium acetate (6,7 mg, 0,03 mmol) trykket røret.
  3. Legge til en trifluoroacetate (132,5 mg, 0,6 mmol) trykket røret.
  4. Legge til fenyl iodide (183.6 mg, 0.9 mmol) trykket røret.
  5. Legge til 2-metyl -N-(3-methylbenzyl) butan-2-Amin (57.4 mg, 0,3 mmol) til press røret.
  6. Legg eddiksyre (1,0 mL) til ampullen, etterfulgt av 1,1,1,3,3,3,-hexafluoroisopropanol (1,0 mL).
    Merk: Løsning volumet medisinglass størrelse er viktig, som umiddelbar sublimering av CO2 etter tillegg av tørris kan mekanisk fortrenge løsemiddel Hvis for mye brukes i forhold til størrelsen på reaksjonen fartøyet.
  7. Legge til deionisert vann (21,7 μL, 1,2 mmol) trykket røret.
  8. Veie tørris (1.32 g, 30 mmol), og umiddelbart legge tørris til press røret, samtidig sikre å også umiddelbart segl press røret med den aktuelle Teflon skrukork.
    Merk: Hele operasjonen skal utføres i ca 5 sekunder å hindre sublimering og rømning av den lille mengden CO2 lagt (dette er redusert med dannelsen av frosne eddiksyre rundt tørris). Mengden CO2 lagt blir en omtrentlig verdi, og i våre hender en del av noen mg er tillatt.
  9. Rør lukket reaksjon fartøyet i 15 minutter ved romtemperatur.
  10. Overføre reaksjonen fartøyet til en forvarmet plate 90 ° c og rør i 24 timer før å kjøle.
  11. På kjøling, sette en håndkle eller polstret hansken over hetten og nøye åpne press røret vent CO2.
  12. Fjern alle de flyktige i vacuo.
    Merk: Operasjonen kan utføres i press røret med en passende adapter, eller løsningen kan overføres til en større runde bunnen kolbe.
  13. Legge til 1,2 M HCl(aq) (12 mL) reaksjonsblandingen og rør åpen luft i 15 minutter.
  14. Overføre vandig brøken til en separatory trakt, vaske med ekstra 1,2 M HCl (8 mL) og pakke med en 1:1 diethyl Eter/hexanes blanding (3 x 8 mL).
    Merk: Denne organisk vask inneholder overflødig fenyl iodide og andre nøytral biprodukter og kan avhendes.
  15. Nøytralisere og gjøre grunnleggende vandig løsningen ved tillegg av mettet NH4OH(aq) (10 mL er et godt utgangspunkt).
  16. Ekstra vandig laget med diklormetan (2 x 10 mL).
  17. Tørr kombinert organisk fraksjoner over Na2så4, deretter filter i et tared utvalg medisinglass.
  18. Fordampe det løsemiddel i vacuo, gi et produkt (2-Methyl-N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine) som en gul olje.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Etter disse protokollene er det mulig å lade reaksjon ampuller med en passende mengde karbondioksid å oppnå kjemiske reaksjoner som krever CO2 atmosfærer. Trykket i trinn 1 er beregnet til ca 3 atmosfærer (se diskusjon for fastsettelse av denne verdien), men på grunn av delvis solvation, observerte trykket er i 2 atmosfærer ved romtemperatur, og skal ca 2,6 atmosfærer under reaksjonen forhold. Derfor under forholdene i trinn 1, kan 2-Methyl-4-fenyl-butanamine fås i 69% avkastning (figur 2). Første tømme kolbe luft gjennom forskyvning av sublimating CO2 (trinn 2), kan avkastningen økes litt 72%. For å skille mellom disse resultatene på ~2.6 atmosfærer press, utfører reaksjonen under 1 atmosfære av CO2 gir bruker en standard Schlenk oppsett det ønskede produktet i bare 49% isolert avkastning. Hvis ingen CO2 brukes, eller ampullen er ikke ordentlig lukket og dermed en stabil CO2 atmosfære ikke opprettholdes, deretter < 5% avkastning på det ønskede produktet oppdages av 1H-NMR (med 1,1,2,2-tetrachloroethane som referanse standard). I mellomtiden skalering reaksjonen med en faktor på 5 mens samtidig bruker større reaksjon ampuller (trinn 3) kan fortsatt gi produkt, men i en litt redusert ytelse på 42%. Reaksjoner kan også utføres i press reaksjon rør (figur 1), i dette tilfellet tillater syntesen av 2-metyl -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine i 40% avkastning (Figur 3).

Figure 1
Figur 1. Reaksjon fartøy brukt i denne studien. Fra venstre til høyre: 2 dram hetteglass, 10 Dram hetteglass, 35 mL press Tube). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. 1 H-NMR av 2-metyl-4-fenyl-butanamine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. 1 H-NMR 2-metyl -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Karbondioksid lasting i tomme flasker
100 mg 125 mg 150 mg 175 mg 200 mg 225 mg 250 mg 275 mg 300 mg Forklaring
25 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ = Stabil Under forhold
60 ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x = ustabile Under forhold
70ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
80ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
90ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
Temperatur 100 √ √ √ √ √ √ √ √ √
110ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
120ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
130ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
150ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
160ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √

Tabell 1. Relativ stabilitet på 7,5 mL ampuller basert på CO2 lasting og temperatur. Ampuller var lastet med den nødvendige mengden av tørre isen, etterfulgt av umiddelbart tetting med en PTFE-lined cap. Ampullene ble umiddelbart satt Pie-blokkene bak en blast skjold i en fumehood, etterfulgt av oppvarming til 60 ° C, etterfulgt av hevingen 10 ° C hver time til en topp på 160 ° C. Ampullene var så avkjølt, og åpnet nøye for å bekrefte uten tap av CO2 trykk hadde skjedd.

Karbondioksid lasting i tomme flasker
300 mg 325 mg 350 mg 375 mg 400 mg 425 mg 450 mg 475 mg 500 mg 525 mg Forklaring
25 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x √ = Stabil Under forhold
60 ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x x = ustabile Under forhold
70ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
80ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
90ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
Temperatur 100 √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
110ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
120ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
130ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
150ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
160ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x

Tabell 2. Relativ stabilitet på 40 mL ampuller basert på CO2 lasting og temperatur. Ampuller var lastet med den nødvendige mengden av tørre isen, etterfulgt av umiddelbart tetting med en PTFE-lined cap. Ampullene ble umiddelbart satt Pie-blokkene bak en blast skjold i en fumehood, etterfulgt av oppvarming til 60 ° C, etterfulgt av hevingen 10 ° C hver time til en topp på 160 ° C. Ampullene var så avkjølt, og åpnet nøye for å bekrefte uten tap av CO2 trykk hadde skjedd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bruke van der Waals ligning av staten, kan omtrentlig trykket av disse systemene være beregnede45

EQ. 1:Equation

Under forholdene i protokollen 1, kan vi anta 26.3 mg av CO2 gir n = 5.98 x 10-4 mols

Equation 1b

Som et grovt anslag tyder dette på at i protokollen 1 reaksjonene ble utført under ca 2,8 atmosfærer av CO2. Forutsatt ubetydelig forskyvning av den opprinnelige atmosfæren i beholderen (som nevnt ovenfor, en patina av frosne eddiksyre vil gjøre første sublimering av tørris, tilrettelegge bedre nøyaktighet i måling av ekstra tørris), men totalt trykket deretter forventes å være modellert bedre av Daltons lov:

EQ. 2:Equation 2

Equation 2b

Denne modellen tar ikke hensyn til at noen av gassene vil bli oppløst i løsemiddelet. I dette tilfellet var det nødvendig å knytte en manometer for å tilstrekkelig vurdere trykket. Vedlegges en septum ampullen og setter inn en trykkmåler, var det mulig å måle trykket ved romtemperatur. Observerte presset over flere reaksjoner var bare 15 ± 3 psi over lufttrykk (≈ 1 ± 0,2 atmosfærer) eller rundt 2 atmosfærer totalt. Selv om Henry konstant av CO2 i ryddig eddiksyre ikke var tilgjengelig for sammenligning, er det kjent at tillegg av eddiksyre vann forbedrer Løseligheten av karbondioksid46. Anslått trykket ved romtemperatur kan beregnes ved hjelp av den forrige fremgangsmåten:

Equation 5

Equation 6

Forventet trykket vil derfor være en noe lavere 3.3 atmosfærer ved romtemperatur i fravær av gass oppløses i løsemiddelet. Forskjellen mellom observert og beregnede presset antyde at CO2 har relativt høy oppløselighet i den organiske løsemidler. Forutsatt ubetydelig differansen mellom oppløst CO2 over temperaturområdet, vil en økning i temperaturen fra 298 K til reaksjon temperaturen 383 k øke trykket i 2 dram ampullen til ~2.6 atmosfærer.

Å tilstrekkelig vurdere praktisk driftsforholdene, var 2 dram ampuller oppsett med varierende mengder CO2, etterfulgt av screening dette ved forskjellige temperaturer. For å sikre operatør sikkerhet, var hetteglass oppvarmet etter blir plassert bak en blast skjold inneholder medisinglass feil. Hvis hetteglass blåste opp, var forholdene vurdert for hardt for hetteglass. Gjennom disse eksperimentene ble det fastslått at CO2 lasting av opptil 200 mg ble tolerert på 110 ° C i 2 dram (7,5 mL) hetteglass gjennom konsekvent prøvelser. Dette tilsvarer omtrent 20,7 atmosfærer press basert på den forrige fremgangsmåten, ikke motstå mengden gass oppløst, som kan redusere totale av noen atmosfærer. Utover 200 mg lasting, men ville reaksjonen hetteglass vanligvis eksplodere før ønsket temperatur på 110 ° C. Forsiktighet bør utvises ved endring av forhold, men: I et scenario en relaterte reaksjon ble forsøkt på 160 ° C med bare 150 mg av CO2, men ampullen mislyktes før den hadde nådd ønsket temperatur. Den største faren for å endre reaksjonen forhold vil være fra økende lasting av CO2, idet denne kanne anledning hetteglass mislykkes før trygt engineering kontroller, for eksempel eksplosjon skjold, kan implementeres.

En potensiell begrensning denne strategien er mangelen på data om stabiliteten i hetteglass under ulike forhold. Det var derfor nødvendig å skjermen hetteglass for sin evne til å tåle ulike trykk under en rekke forskjellige temperaturer. Dette ble startet med 7,5 mL hetteglass (tabell 1). Hvert hetteglass ble belastet med en forhåndsbestemt mengde tørris, etterfulgt av umiddelbar tetting med skrukork PTFE-lined. Disse ampuller ble observert for å være tolerante av disse vilkårene, og ingen kan ikke ved romtemperatur. Temperaturen var reiste for alle hetteglass, og ingen eksplosjoner forekommet under eksperimentet. På kjøling, ble hvert hetteglass åpnet for å bekrefte de hadde opprettholdt pressurization med CO2. Dette tyder på at hetteglass tåler opp 26.5 atmosfærer press, som er de reaksjonen forholdene som ~20.7 atmosfærer Press var konsekvent grensen. Det anbefales derfor at løsemiddel identitet og volum være nøye vurdert i avvik fra metoden avslørt.

En lignende skjermen for maksimal toleranse ble utført med 40 mL reaksjon ampuller (tabell 2). I dette tilfellet en øvre grense for CO2 lasting av tomme flasker ble identifisert som 500 mg. over dette hetteglass raskt mislyktes ved romtemperatur. Overraskende, beregnet presset av eksemplene begynte å mislykkes ved romtemperatur var ca 7 atmosfærer og over. Dette er ampullen inneholder 500 mg av CO2, som var stabil på 160 ° C, som skulle tilsvare et beregnet Trykk på like under 10,5 atmosfærer. Disse resultatene var reproduserbar over forskjellige ampuller, men det er ingen klar forklaring på dette fenomenet på dette tidspunktet. Under forholdene beskrevet under Protocol 3, ble bare ca 300 mg belastninger av CO2 tolerert. Men er dette faktisk i tråd med tidligere eksperimenter, som under forholdene trykket, uncorrected for potensielle absorpsjon av karbondioksid ved løsemiddel, vil være omtrent 10 atmosfærer. Redusert stabilitet i større hetteglass press er forventet, og antyder at disse prosedyrene utføres bedre i fartøy med mindre diameter og tykkere vegger47.

I sammendraget, denne protokollen for å bruke tørris som solid CO2 kilde i tilgjengelige glass forventes å åpne nye retninger innen syntetisk kjemi. Ved å generere lav til moderat press i forseglet hetteglass eller press rør, karbondioksid fiksering prosesser som carboxylation48,49,50, samt CO2 reduksjon51, 52 , 53, kan oppnås uten bruk av dyre spesialisert utstyr. Denne nylig vedtatt strategien vil lette fremskritt innen valorization av CO2 av inkorporering nyttig kjemiske feedstocks som syklisk karbonater, poly karbonater og carbamates54. Videre strategi presenterer CO2 som en solid kan også være fordelaktig der blandinger av gasser er ønsket, som CO2 og CO, eller CO2 og H2, som dette forenkler tillegg av både reagenser i en ikke-gass skjemaet. Selv om bruk av tørre isen å innføre flytende CO2 har blitt brukt for utdrag og kromatografi40,41,42,43,44, denne protokollen for innføring av CO2 som en solid kan også være nyttig for i situ generasjonen av CO2(L) som en reaksjon løsemiddel55,56,57, fremtiden arbeid utforske andre bruksområder for denne tilnærming, spesielt kombinasjonen av CO2 med andre gass-forløpere, er i gang i vår gruppe.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Bruk av CO2 som dirigere gruppe for C-H aktivisering av Lewis grunnleggende underlag er fokus for USA provisoriske Patent #62/608 074.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å erkjenne oppstart finansiering fra The University of Toledo, samt midler fra American Chemical Society's Herman Frasch Foundation delvise støtte for dette arbeidet. Mr. Thomas Kina er anerkjent for hans hjelp med å utvikle en egnet manometer for å måle reaksjon presset. Mr. Steve Modar er takket for nyttig diskusjoner.

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

Kjemi problemet 138 grønn kjemi organometalliske kjemi syntetiske metodikk karbondioksid aminer C-H aktivisering press reaksjoner
Oppnå moderat press i forseglet fartøy bruker tørris som en Solid 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