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Chemistry

Atteindre des pressions modérées dans des récipients fermés hermétiquement à l’aide de neige carbonique comme Source solide CO2

doi: 10.3791/58281 Published: August 17, 2018
* These authors contributed equally

Summary

Nous présentons ici un protocole permettant d’effectuer des réactions dans les cuves de réaction simple sous des pressions de faible à modéré de CO2. Les réactions peuvent être effectuées dans une variété de navires simplement en administrant le dioxyde de carbone sous forme de glace sèche, sans besoin de matériel coûteux ou élaboré ou Set-up.

Abstract

Ici est présenté une stratégie générale pour effectuer des réactions sous légère à modérée CO2 pressions à la glace sèche. Cette technique élimine le besoin d’équipement spécialisé atteindre des pressions modestes et peut même être utilisée pour atteindre des pressions plus élevées dans l’équipement plus spécialisé et cuves de réaction plus robustes. À la fin de la réaction, les flacons peuvent facilement être dépressurisés par ouverture à température ambiante. Dans l’exemple présent CO2 est aussi bien un groupe dirigeant présumé comme un moyen pour passiver les substrats amine, empêchant ainsi l’oxydation au cours de la réaction organométallique. En plus d’être facilement ajoutés, le groupe dirigeant est également supprimé sous vide, qui éviterait la purification Poussée à supprimer le groupe dirigeant. Cette stratégie permet l’arylation γ-C(sp3)-H facile des amines aliphatiques et a le potentiel pour être appliqué à une variété d’autres réactions à base d’amines.

Introduction

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L’utilisation de composés gazeux dans les réactions chimiques nécessite généralement un équipement spécialisé et procédures1,2. À l’échelle de banc, certains gaz peut être ajoutés directement d’un réservoir à l’aide d’un régulateur de haute pression3. Une autre méthode consiste à condenser le gaz sous conditions cryogéniques4,5. Bien qu’utiles, ces stratégies nécessitent l’utilisation de réacteurs de pression spécialisés avec des soupapes, ce qui peuvent représenter un coût prohibitif pour l’exécution en parallèle de nombreuses réactions. Cela peut donc considérablement ralentir la vitesse à laquelle réaction dépistage peut procéder. En conséquence, les chimistes ont trouvé souhaitable d’introduire ces composés en utilisant des méthodes alternatives. L’ammoniac peut être ajouté aux réactions à l’aide de sels de carboxylate de différentes d’ammonium, en profitant de la faible équilibre entre ces sels et l’ammoniac libre6. Hydrogénation de transfert est une stratégie importante pour des réactions de réduction des oléfines, carbonyle et groupes nitro qui contourne l’utilisation du gaz d’hydrogène inflammable avec des composés tels que le formiate d’ammonium ou l’hydrazine comme transporteurs de H27. Un autre gaz d’intérêt dans ce domaine est le monoxyde de carbone8 – CO peut être généré in situ par libération de carbonyles métalliques complexes9,10, ou alternativement, il peut être généré par décarbonylation de sources telles que les formates et formamides11,12,13 ou chloroforme14,15.

Un gaz qui ne connaît pas de développement significatif à cet égard est le dioxyde de carbone,16. Une raison à cela est que les nombreuses transformations qui impliquent de CO2 exigent également des pressions et des températures élevées et donc sont automatiquement reléguées aux réacteurs spécialisés17,18. Efforts récents pour élaborer des catalyseurs plus réactifs, cependant, ont facilité l’exécution de bon nombre de ces réactions sous pressions atmosphériques de CO219,20,21,22. Nous avons récemment découvert une réaction dans laquelle le dioxyde de carbone pourraient servir d’arbitrer la γ-C (sp3) – H arylation des amines aliphatiques23. Cette stratégie devait combiner les avantages d’une approche statique groupe dirigeant dont amide24,25,26,27,28, sulfonamide 29 , 30 , 31 , 32,33,de thiocarbonyle34ou hydrazone35-base de diriger des groupes (robusticity chimique), avec la facilité d’un groupe dirigeant transitoire (étape une diminution économie)36, 37,38,,39.

Bien que la réaction peut se produire sous une pression atmosphérique de CO2, la nécessité d’une mise en place de Schlenk aux réactions d’écran s’est avérée beaucoup trop lent. En outre, augmentant la pression légèrement conduite à améliore les rendements des réactions, mais ne pouvait être facilement réalisé à l’aide d’une ligne de Schlenk. Nous avons donc cherché une autre stratégie, et par la suite identifié cette glace carbonique pourrait être facilement utilisé comme une source solide de CO2 qui pourraient être ajoutées à une variété de récipients d’introduire la quantité nécessaire de dioxyde de carbone pour atteindre modérée pressions (Figure 1). Bien que sous-utilisé dans la synthèse, une stratégie similaire est assez courante comme une méthode permettant de générer des liquides de CO2 d’extraction et chromatographie demandes40,41,42,43, 44. Utilisant cette stratégie a permis que notre groupe rapidement écran un grand nombre de réactions en parallèle, tandis que la capacité d’accès CO2 pressions modérées d’entre 2 à 20 atmosphères était essentiel pour améliorer les rendements des réactions. Dans ces conditions, les primaires (1°) et les amines secondaires (2°) peuvent être accès avec riche en électrons et halogénures d’aryles pauvre électron.

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Protocol

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ATTENTION : 1) les protocoles suivants ont été jugés sûrs par essais répétés. Toutefois, la prudence s’impose lorsque le scellage des flacons, tout au long de la réaction, et surtout lors de l’ouverture des réactions, comme le manque d’homogénéité dans la réaction flacons peuvent conduire à la défaillance de l’équipement. Les flacons doivent être inspectés pour avant l’utilisation des défauts physiques. Les flacons doivent être placées derrière une forme de bouclier blast ou ceinture de capot immédiatement après pour prévenir les incidents d’étanchéité doit les flacons échouent. 2) bien qu’il y a peu de chances d’asphyxie en raison des faibles quantités de CO2 utilisé, réactions devraient être programmé comme ouvrent dans un endroit bien aéré ou une hotte aspirante. 3) la glace sèche est un cryogène et peut entraîner des lésions tissulaires graves. Il fallait donc être prudent lors de la manipulation pour éviter les engelures, telles que limiter le contact direct ou l’utilisation de gants cryogéniques. 4) la glace sèche se condensera vapeur d’eau, ce qui signifie qu’avant son utilisation, la glace sèche devrait être mécaniquement exfoliée pour s’assurer que la masse est de CO2 (s) seulement. Ceci peut être réalisé en frottant simplement la glace sèche entre les doigts, ou de façon plus sécuritaire, il frotte entre les doigts avec une couche de protection comme un gant ou une serviette.

1. réaction dans un flacon 7,5 mL (Air ne pas exclus)

  1. Ajouter un flacon sec 7,5 mL.
  2. Acétate de palladium (6,7 mg, 0,03 mmol), verser dans la cuvette.
  3. Ajouter trifluoroacétate argent (99,9 mg, 0,45 mmol) dans le flacon.
  4. Ajouter iodure de phényle (92,3 mg, 0,45 mmol) dans le flacon.
  5. Ajouter tert-amine amylique (26,3 mg, 0,30 mmol) dans le flacon.
  6. Ajouter l’acide acétique (1,0 mL) dans le flacon.
    Note : Le rapport du volume de la solution au flacon de taille est important, comme la sublimation immédiate du CO2 à l’addition de la glace sèche peut déplacer mécaniquement solvant si trop est utilisé par rapport à la taille de la cuve de réaction.
  7. Ajouter l’eau désionisée (21,7 μL, 12,1 mmol) dans le flacon.
  8. Peser la glace sèche (26,3 mg, 0,60 mmol), et immédiatement verser la glace sèche dans la cuvette, tout en assurant également immédiatement joint le flacon avec un bouchon bordées de PTFE.
    Remarque : L’ensemble de l’opération doit être effectuée après environ 5 secondes pour prévenir la sublimation et s’échapper de la petite quantité de CO2 ajouté (c’est ralentie par la formation de l’acide acétique gelé autour de la glace sèche). La quantité de CO2 ajouté sera une valeur approximative, et dans nos mains un écart de quelques mg est admissible.
  9. Agiter le flacon de réaction scellée pendant 15 minutes à température ambiante.
  10. Transfert de la cuve de réaction à un plat préchauffé à 110 ° C et mélanger pendant 14 heures avant de laisser refroidir.
  11. Lors du refroidissement, ouvrir avec précaution le flacon pour évacuer le CO2.
  12. Retirez toutes les substances volatiles dans l’abstrait.
    Remarque : Cette opération peut être effectuée dans le flacon ou la solution peut être transférée vers un plus grand ballon à fond rond.
  13. Ajouter 1,2 M HCl(aq) (6 mL) au mélange réactionnel et remuer ouvert à l’air pendant 15 minutes.
  14. Transférer la fraction aqueuse à une ampoule à décanter, lavage avec supplémentaire 1,2 M HCl (4 mL) et extrait avec un mélange de 1:1 éther diéthylique/hexanes (3 x 8 mL).
    Remarque : Ce lavage biologique contient l’iodure de phényl excès et autres sous-produits neutres et peut être éliminé.
  15. Neutraliser et rendre à la base la solution aqueuse par addition de saturés NH4OH(aq) (10 mL est un bon point de départ).
  16. Extraire la phase aqueuse avec du dichlorométhane (2 x 10 mL).
  17. Sécher les fractions organiques combinées sur Na2donc4, puis filtrer dans un échantillon de taré flacon.
  18. Évaporer le solvant dans l’abstrait, ce qui donne le produit (2-méthyl-4-phényl-butanamine) comme une huile jaune.

2. la réaction dans un flacon 7,5 mL (purge des Conditions – Air exclus)

  1. Ajouter un flacon sec 7,5 mL.
  2. Acétate de palladium (6,7 mg, 0,03 mmol), verser dans la cuvette.
  3. Ajouter trifluoroacétate argent (99,9 mg, 0,45 mmol) dans le flacon.
  4. Ajouter iodure de phényle (92,3 mg, 0,45 mmol) dans le flacon.
  5. Ajouter tert-amine amylique (26,3 mg, 0,30 mmol) dans le flacon.
  6. Ajouter l’acide acétique (1,0 mL) dans le flacon.
    Note : Le rapport du volume de la solution au flacon de taille est important, comme la sublimation immédiate du CO2 à l’addition de la glace sèche peut déplacer mécaniquement solvant si trop est utilisé par rapport à la taille de la cuve de réaction.
  7. Ajouter l’eau désionisée (21,7 μL, 12,1 mmol) dans le flacon.
  8. Tarer le flacon sur une balance, ajouter environ 98 mg de glace sèche et laisser ensuite le CO2 sublimer au large jusqu'à l’obtention d’une masse finale d’environ 26 mg, suivie immédiatement du flacon avec un bouchon de PTFE bordées d’étanchéité.
    Remarque : Si souhaitable, cette étape peut être réalisée avec une plus grande masse de glace carbonique à air plus exclure le flacon. Il convient de noter que cela peut introduire de l’eau et donc peut-être pas la stratégie la plus efficace pour l’eau réactions sensibles.
  9. Agiter le flacon de réaction scellée pendant 15 minutes à température ambiante.
  10. Transfert de la cuve de réaction à un plat préchauffé à 110 ° C et mélanger pendant 14 heures avant de laisser refroidir.
  11. Lors du refroidissement, ouvrir avec précaution le flacon pour évacuer le CO2.
  12. Retirez toutes les substances volatiles dans l’abstrait.
    Remarque : Cette opération peut être effectuée dans le flacon ou la solution peut être transférée vers un plus grand ballon à fond rond.
  13. Ajouter 1,2 M HCl(aq) (6 mL) de mélange réactionnel et remuer ouvert à l’air pendant 15 minutes.
  14. Transférer la fraction aqueuse à une ampoule à décanter, lavage avec supplémentaire 1,2 M HCl (4 mL) et extrait avec un mélange de 1:1 éther diéthylique/hexanes (3 x 8 mL).
    Remarque : Ce lavage biologique contient l’iodure de phényl excès et autres sous-produits neutres et peut être éliminé.
  15. Neutraliser et rendre à la base la solution aqueuse par addition de saturés NH4OH(aq) (10 mL est un bon point de départ).
  16. Extraire la phase aqueuse avec du dichlorométhane (2 x 10 mL).
  17. Sécher les fractions organiques combinées sur Na2donc4, puis filtrer dans un échantillon de taré flacon.
  18. Évaporer le solvant dans le vide, ce qui donne le produit (2-méthyl-4-phényl-butanamine) comme une huile jaune.

3. réaction dans un flacon de 40 mL (Air ne pas exclus)

  1. Ajouter un flacon sec 40 mL.
  2. Acétate de palladium (33,5 mg, 0,15 mmol), verser dans la cuvette.
  3. Ajouter trifluoroacétate argent (499,5 mg, 2,25 mmol) dans le flacon.
  4. Ajouter iodure de phényle (461,5 mg, 2,25 mmol) dans le flacon.
  5. Ajouter amines tert-amyl (131,5 mg, 1,5 mmol) dans le flacon.
  6. Ajouter l’acide acétique (5,0 mL) dans le flacon.
    Note : Le rapport du volume de la solution au flacon de taille est important, comme la sublimation immédiate du CO2 à l’addition de la glace sèche peut déplacer mécaniquement solvant si trop est utilisé par rapport à la taille de la cuve de réaction.
  7. Ajouter l’eau désionisée (108,5 μL, 6.02 mmol) dans le flacon.
  8. Peser la glace sèche (131,5 mg, 3,0 mmol) et immédiatement verser la glace sèche dans la cuvette, tout en assurant pour sceller immédiatement le flacon avec un bouchon bordées de PTFE.
    Remarque : L’ensemble de l’opération doit être effectuée après environ 5 secondes pour prévenir la sublimation et s’échapper de la petite quantité de CO2 ajouté (c’est ralentie par la formation de l’acide acétique gelé autour de la glace sèche). La quantité de CO2 ajouté sera une valeur approximative, et dans nos mains un écart de quelques mg est admissible.
  9. Agiter le flacon de réaction scellée pendant 15 minutes à température ambiante.
  10. Transfert de la cuve de réaction à un plat préchauffé à 110 ° C et mélanger pendant 14 heures avant de laisser refroidir.
  11. Lors du refroidissement, ouvrir avec précaution le flacon pour évacuer le CO2.
  12. Retirez toutes les substances volatiles dans l’abstrait.
    Remarque : Cette opération peut être effectuée dans le flacon ou la solution peut être transférée vers un plus grand ballon à fond rond.
  13. Ajouter 1,2 M HCl(aq) (30 mL) de mélange réactionnel et remuez ouvert à l’air pendant 15 minutes.
  14. Transférer la fraction aqueuse à une ampoule à décanter, lavage avec supplémentaire 1,2 M HCl (20 mL) et extrait avec un mélange de 1:1 éther diéthylique/hexanes (3 x 8 mL).
    Remarque : Ce lavage biologique contient l’iodure de phényl excès et autres sous-produits neutres et peut être éliminé.
  15. Neutraliser et rendre à la base la solution aqueuse par addition de saturés NH4OH(aq) (10 mL est un bon point de départ).
  16. Extraire la phase aqueuse avec du dichlorométhane (2 x 20 mL).
  17. Sécher les fractions organiques combinées sur Na2donc4, puis filtrer dans un échantillon de taré flacon.
  18. Évaporer le solvant dans l’abstrait, ce qui donne le produit (2-méthyl-4-phényl-butanamine) comme une huile jaune.

4. réaction dans un Tube de pression (Air ne pas exclus) de 35 mL

  1. Ajouter un à un tube de pression sec 35 mL.
  2. Ajouter acétate de palladium (6,7 mg, 0,03 mmol) dans le tube de pression.
  3. Ajouter trifluoroacétate argent (132,5 mg, 0,6 mmol) dans le tube de pression.
  4. Ajouter iodure de phényle (183,6 mg, 0,9 mmol) dans le tube de pression.
  5. Ajouter le 2-méthyl -N-(3-methylbenzyl) butan-2-amine (57,4 mg, 0,3 mmol) pour le tube de pression.
  6. Ajouter l’acide acétique (1,0 mL) dans le flacon, suivi de 1,1,1,3,3,3,-hexafluoroisopropanol (1,0 mL).
    Note : Le rapport du volume de la solution au flacon de taille est important, comme la sublimation immédiate du CO2 à l’addition de la glace sèche peut déplacer mécaniquement solvant si trop est utilisé par rapport à la taille de la cuve de réaction.
  7. Ajouter l’eau désionisée (21,7 μL, 1,2 mmol) dans le tube de pression.
  8. Peser la glace sèche (1,32 g, 30 mmol), et ajouter immédiatement la glace sèche dans le tube de pression, tout en assurant également immédiatement joint le tube de pression avec le bouchon à vis téflon approprié.
    Remarque : L’ensemble de l’opération doit être effectuée après environ 5 secondes pour prévenir la sublimation et s’échapper de la petite quantité de CO2 ajouté (c’est ralentie par la formation de l’acide acétique gelé autour de la glace sèche). La quantité de CO2 ajouté sera une valeur approximative, et dans nos mains un écart de quelques mg est admissible.
  9. Remuez la cuve de réaction scellée pendant 15 minutes à température ambiante.
  10. Transfert de la cuve de réaction à une assiette préchauffée à 90 ° C et remuez pendant 24 heures avant de laisser refroidir.
  11. Lors du refroidissement, mettre une serviette ou un gant rembourré au-dessus de la calotte et ouvrez soigneusement le tube de pression pour évacuer le CO2.
  12. Retirez toutes les substances volatiles dans l’abstrait.
    Remarque : Cette opération peut être effectuée dans le tube de pression avec un adaptateur approprié, ou la solution peut être transférée à un plus grand ballon à fond rond.
  13. Ajouter 1,2 M HCl(aq) (12 mL) au mélange réactionnel et remuer ouvert à l’air pendant 15 minutes.
  14. Transférer la fraction aqueuse à une ampoule à décanter, lavage avec supplémentaire 1,2 M HCl (8 mL) et extrait avec un mélange de 1:1 éther diéthylique/hexanes (3 x 8 mL).
    Remarque : Ce lavage biologique contient l’iodure de phényl excès et autres sous-produits neutres et peut être éliminé.
  15. Neutraliser et rendre à la base la solution aqueuse par addition de saturés NH4OH(aq) (10 mL est un bon point de départ).
  16. Extraire la phase aqueuse avec du dichlorométhane (2 x 10 mL).
  17. Sécher les fractions organiques combinées sur Na2donc4, puis filtrer dans un échantillon de taré flacon.
  18. Évaporer le solvant dans l’abstrait, ce qui donne le produit (2-Methyl-N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine) comme une huile jaune.

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Representative Results

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Suite à ces protocoles, il est possible de charger un flacon de réaction à une quantité appropriée de dioxyde de carbone pour réaliser des réactions chimiques qui nécessitent de CO2 atmosphères. La pression obtenue à l’étape 1 est évaluée à environ 3 atmosphères (voir la discussion pour la détermination de cette valeur), bien qu’en raison de la solvatation partielle, la pression observée se trouve à proximité de 2 atmosphères à température ambiante et doit être environ 2,6 atmosphères dans les conditions de réaction. Par conséquent, dans les conditions à l’étape 1, 2-Methyl-4-phényl-butanamine peut être obtenu avec un rendement de 69 % (Figure 2). Par la première purge le ballon d’air par déplacement de sublimer le CO2 (étape 2), le rendement peut être augmenté légèrement à 72 %. Pour faire la distinction entre ces résultats au ~2.6 des atmosphères de pression, en effectuant la réaction sous 1 atmosphère de CO2 avec une installation standard de Schlenk fournit le produit désiré, seuls 49 % de rendement isolé. Si pas de CO2 est utilisé, ou le flacon n’est pas correctement scellé et ainsi une atmosphère stable de2 CO n’est pas maintenue, puis < rendement de 5 % du produit souhaité n’est détectée par 1H RMN (utilisant le 1,1,2,2-tétrachloroéthane comme étalon de référence). Pendant ce temps, amplifier la réaction d’un facteur de 5 tandis que simultanément à l’aide d’un flacon de réaction plus grand (étape 3) peut donner encore produit, quoique dans un rendement légèrement une diminution de 42 %. Les réactions peuvent également être effectuées dans des tubes de réaction de pression (Figure 1), dans ce cas permettant la synthèse du 2-méthyl -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine avec un rendement de 40 % (Figure 3).

Figure 1
Figure 1. Réaction de navires utilisés dans cette étude. De gauche à droite : 2 dram Vial, 10 Dram, flacon de 35 mL de Tube de pression). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
La figure 2. 1 RMN du 2-méthyl-4-phényl-butanamine H. 400 MHz, CDCl3, 298 K. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
La figure 3. 1 H RMN du 2-méthyl -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Dioxyde de carbone dans les flacons vides
100 mg 125 mg 150 mg 175 mg 200 mg 225 mg 250 mg 275 mg 300 mg Légende
25 ° C √ = Stable dans des Conditions
60 ° C x = instable dans les Conditions
70 ° C
80 ° C
90 ° C
Température 100 ° C
110 ° C
120 ° C
130ºC
140ºC
150ºC
160ºC

Le tableau 1. La stabilité relative de 7,5 mL flacons basé sur chargement de CO2 et de la température. Les flacons ont été chargés avec la quantité requise de glace sèche, suivie immédiatement d’étanchéité avec une casquette bordées de PTFE. Les flacons ont été immédiatement placés en tarte-blocs derrière un écran de projection sous une hotte, suivie par un chauffage à 60 ° C, suivie d’augmenter de 10 ° C toutes les heures à un maximum de 160 ° C. Les flacons ont été ensuite refroidis et ouverts avec précaution pour confirmer que sans perte de pression de2 CO avait eu lieu.

Dioxyde de carbone dans les flacons vides
300 mg 325 mg 350 mg 375 mg 400 mg 425 mg 450 mg 475 mg 500 mg 525 mg Légende
25 ° C x √ = Stable dans des Conditions
60 ° C x x = instable dans les Conditions
70 ° C x
80 ° C x
90 ° C x
Température 100 ° C x
110 ° C x
120 ° C x
130ºC x
140ºC x
150ºC x
160ºC x

Le tableau 2. La stabilité relative de 40 mL flacons basé sur chargement de CO2 et de la température. Les flacons ont été chargés avec la quantité requise de glace sèche, suivie immédiatement d’étanchéité avec une casquette bordées de PTFE. Les flacons ont été immédiatement placés en tarte-blocs derrière un écran de projection sous une hotte, suivie par un chauffage à 60 ° C, suivie d’augmenter de 10 ° C toutes les heures à un maximum de 160 ° C. Les flacons ont été ensuite refroidis et ouverts avec précaution pour confirmer que sans perte de pression de2 CO avait eu lieu.

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Discussion

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À l’aide de van der Waals équation d’État, la pression approximative de ces systèmes peut être calculée45

Équation 1 :Equation

Dans les conditions dans le protocole 1, nous pouvons supposer 26,3 mg de CO2 donne n = 5,98 x 10-4 mols

Equation 1b

Comme une estimation approximative, cela donne à penser que dans le protocole 1, les réactions ont été effectuées sous environ 2,8 atmosphères de CO2. En supposant que le déplacement négligeable de l’atmosphère native dans le vaisseau (comme indiqué plus haut, une patine de l’acide acétique congelé ralentira initiale sublimation de la glace sèche, facilitant la meilleure précision dans la mesure de l’ajout de glace sèche), cependant, la pression totale puis devrait être mieux modélisée par la Loi de Dalton :

Équation 2 :Equation 2

Equation 2b

Ce modèle ne prend pas en compte que certains gaz seront dissoute dans le solvant. Dans ce cas, il était nécessaire d’attacher un manomètre pour évaluer adéquatement la pression. En joignant un septum dans le flacon et en insérant un manomètre, il était possible de mesurer la pression à la température ambiante. Les pressions observées au cours des réactions multiples ont été seulement 15 ± 3 kPa au-dessus de la pression atmosphérique (atmosphères de 1 ± 0,2 ≈) ou totales autour de 2 atmosphères. Bien que la constante de Henry de CO2 dans l’acide acétique pur n’était pas facilement accessible aux fins de comparaison, on sait qu’addition d’acide acétique à de l’eau l'améliore la solubilité du dioxyde de carbone46. La pression estimée à température ambiante pouvait être calculée à l’aide de l’approche précédente :

Equation 5

Equation 6

La pression prévue serait donc une atmosphères 3,3 légèrement inférieure à la température ambiante en l’absence de gaz se dissolvant dans le solvant. La différence entre les pressions observées et calculées implique que CO2 a relativement grande solubilité dans les solvants organiques. En supposant que la différence négligeable d’un montant de CO2 dissous sur la plage de température, une augmentation de la température de 298 K à la température de la réaction de 383 K augmenterait la pression dans la fiole de dram 2 pour ~2.6 des atmosphères.

Pour évaluer adéquatement les conditions pratiques de fonctionnement, dram 2 flacons ont été mise en place avec des quantités variables de CO2, puis en projetant celles-ci à des températures différentes. Afin d’assurer la sécurité de l’opérateur, les flacons ont été seulement chauffé après être placé derrière un bouclier blast pour contenir tout échec de flacon. Si les flacons a explosé, les conditions étaient considérées comme trop sévères pour les flacons. Grâce à ces expériences, il a été déterminé que le CO2 chargement jusqu'à 200 mg a été tolérée à 110 ° C pour les flacons de 2 dram (7,5 mL) au moyen d’essais conformes. Cela correspond à environ 20,7 atmosphères de pression basée sur l’approche précédente, ne résiste ne pas à la quantité de gaz dissous, ce qui peut diminuer la pression totale de quelques atmosphères. Au-delà de 200 mg de chargement, cependant, les flacons à réaction seraient généralement exploser avant d’atteindre la température de consigne de 110 ° C. Il faut être prudent lorsque vous modifiez les conditions, cependant : dans un scénario, une autre réaction a été tentée à 160 ° C avec seulement 150 mg de CO2, mais le flacon a échoué avant il avait atteint la température de la cible. Le plus grand danger pour la modification de la réaction des conditions serait d’augmenter la charge de CO2, car ceci peut causer les flacons d’échouer avant sûr contrôles d’ingénierie, tels que les boucliers de l’explosion, peut être mises en œuvre.

Une limitation potentielle de cette stratégie est l’absence de données sur la stabilité des flacons dans des conditions différentes. Donc, il était nécessaire d’examiner les flacons pour leur capacité à résister aux pressions différentes dans une plage de températures différentes. Cela a commencé avec les flacons de 7,5 mL (tableau 1). Chaque flacon a été inculpé d’une quantité prédéterminée de glace sèche, suivie d’une étanchéité immédiate avec un bouchon à vis bordées de PTFE. Ces flacons ont été observés pour qu’elles tolèrent des présentes conditions, et aucun n’a échoué à la température ambiante. La température est ensuite élevée pour tous les flacons, et aucune explosion s’est produite pendant l’expérience. Lors du refroidissement, chaque flacon a été ouvert pour confirmer qu’ils avaient maintenu pressurisation en CO2. Ceci suggère que les flacons peuvent tolérer plus de 26,5 atmosphères de pression, ce qui contraste avec les conditions de réaction où ~20.7 des atmosphères de pression était la limite uniforme. Il est donc encouragée qu’identité solvant et volume soigneusement considérer dans l’écart par rapport à la méthode divulguée.

Un écran similaire pour la tolérance maximale a été réalisé à l’aide de flacons à réaction 40 mL (tableau 2). Dans ce cas, une limite supérieure pour le CO2 chargement de flacons vides a été déterminée à 500 mg. ci-dessus présente les flacons a échoué rapidement à température ambiante. Étonnamment, la pression calculée des échantillons qui se détériore à la température ambiante était approximativement 7 atmosphères et ci-dessus. Cette méthode diffère la fiole contient 500 mg de CO2, qui était stable à 160 ° C, ce qui correspondrait à une pression calculée d’un peu moins 10,5 atmosphères. Ces résultats sont reproductibles à travers différents flacons, mais il n’y a aucune explication claire de ce phénomène en ce moment. Dans les conditions décrites en vertu du Protocole N° 3, seulement environ 300 mg charges de CO2 ont été tolérés. Cependant, c’est en fait en ligne avec les expériences précédentes, comme dans les conditions, la pression, non corrigée pour le potentiel d’absorption de dioxyde de carbone par le solvant, seraient environ 10 atmosphères. La stabilité d’une diminution du plus grand flacon à pression devrait et suggère que ces procédures sont mieux exécutées dans les vaisseaux qui ont des diamètres plus petits et plus épais murs47.

En résumé, ce protocole pour l’utilisation de la glace sèche comme une source solide de2 CO en verrerie facilement disponible devrait ouvrir de nouvelles orientations dans le domaine de la chimie de synthèse. En générant de faibles à modérés de pressions à l’intérieur de flacons scellés ou des tubes de force, fixation de dioxyde de carbone processus tels que la carboxylation48,49,50, en plus de CO2 réduction51, 52 , 53, peut être réalisé sans l’utilisation d’équipements spécialisés coûteux. Cette stratégie nouvellement adoptée facilitera les avancées dans le domaine de la valorisation de CO2 par incorporation dans des matières chimiques utiles tels que les carbonates cycliques, poly carbonates et carbamates54. En outre, la stratégie d’introduction de CO2 sous forme de solide peut aussi être bénéfique lorsque des mélanges de gaz sont demandés, tels que le CO2 et CO, ou CO2 et H2, car cela facilite l’ajout de ces deux réactifs dans un non gazeux formulaire. Bien que l’utilisation de glace sèche d’introduire le liquide CO2 a été utilisé pour l’extraction et chromatographie40,41,42,43,44, ce protocole pour présentant le CO2 solide peut aussi être utile pour la génération in situ de CO2(L) pour une utilisation comme une réaction solvant55,56,57, explorant d’autres utilisations pour cela les travaux futurs approche, particulièrement la combinaison de CO2 avec d’autres gaz précurseurs, sont actuellement en cours dans notre groupe.

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Disclosures

L’utilisation de CO2 comme un groupe dirigeant pour l’activation de C-H de substrats de base de Lewis est actuellement l’objet d’une demande de brevet provisoire aux États-Unis #62/608, 074.

Acknowledgments

Les auteurs souhaitent reconnaître des fonds de démarrage de l’Université de Toledo, ainsi que des fonds de la Fondation de l’American Chemical Society Herman Frasch dans la prise en charge partielle de cet ouvrage. M. Thomas Kina est reconnu pour son aide à l’élaboration d’un manomètre adapté pour mesurer les pressions de la réaction. M. Steve Modar est remerciée pour des discussions fructueuses.

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.

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Atteindre des pressions modérées dans des récipients fermés hermétiquement à l’aide de neige carbonique comme Source solide CO<sub>2</sub>
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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).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).

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