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Chemistry

Raggiungimento di pressioni Moderate in vasi sigillati utilizzando ghiaccio secco come una fonte di solido 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

Qui presentiamo un protocollo per l'esecuzione di reazioni in recipienti di reazione semplice sotto basse a moderate pressioni di CO2. Le reazioni possono essere eseguite in una varietà di navi semplicemente amministrando l'anidride carbonica sotto forma di ghiaccio secco, senza la necessità di attrezzature costose o elaborata o set-up.

Abstract

Qui è presentato una strategia generale per eseguire reazioni sotto lieve a moderata CO2 pressioni con ghiaccio secco. Questa tecnica previene l'esigenza di attrezzature specializzate raggiungere pressioni modeste e può essere utilizzata anche per raggiungere pressioni più elevate in attrezzature più specializzate e più robusti recipienti di reazione. Alla fine della reazione, le fiale possono essere facilmente depressurizzate aprendo a temperatura ambiente. Nell'esempio presente CO2 funge da un presunto gruppo dirigente così come un modo per passivare substrati di ammina, impedendo l'ossidazione durante la reazione organometallica. Oltre ad essere facilmente aggiunto, il gruppo dirigente viene rimosso anche sotto vuoto, prevenente l'esigenza di vasta purificazione rimuovere il gruppo dirigente. Questa strategia permette la facile arilazione γ-C(sp3)-H di ammine alifatiche e ha il potenziale per essere applicato ad una varietà di altre reazioni dell'ammina-basato.

Introduction

L'uso di composti gassosi nelle reazioni chimiche in genere richiede attrezzature specializzate e procedure1,2. A bilancia da banco, alcuni gas possono essere aggiunti direttamente da un serbatoio usando un regolatore di alta pressione3. Un metodo alternativo è quello di condensare il gas in condizioni criogeniche4,5. Anche se utile, queste strategie richiedono l'uso di reattori a pressione specializzati con valvole, che possono essere il costo proibitivo per l'esecuzione di numerose reazioni in parallelo. Di conseguenza questo può notevolmente rallentare il tasso al quale reazione procedere con lo screening. Di conseguenza, chimici hanno trovato opportuno introdurre questi composti utilizzando metodi alternativi. Ammoniaca può essere aggiunto a reazioni utilizzando sali di ammonio diversi carbossilato, approfittando del debole equilibrio tra questi sali e ammoniaca libera6. Idrogenazione di trasferimento è una strategia importante per le reazioni di riduzione di olefine, carbonilico e gruppi nitro che elude l'uso di gas di idrogeno infiammabile con composti come formiato di ammonio o idrazina come elementi portanti di H27. Un altro gas di interesse in questa zona è il monossido di carbonio8 -CO può essere generato in situ di liberazione da metallo carbonilici complessi9,10, o in alternativa può essere generato dal decarbonylation da fonti quali formiati e formamides11,12,13 o cloroformio14,15.

Un gas che non ha goduto di sviluppo significativo in questo senso è anidride carbonica16. Una ragione di questo è che molte trasformazioni che coinvolgono CO2 inoltre richiedono pressioni e temperature elevate e quindi automaticamente sono relegate a reattori specializzati17,18. I recenti sforzi per sviluppare catalizzatori più reattivi, tuttavia, hanno facilitato in esecuzione molte di queste reazioni sotto pressioni atmosferiche di CO219,20,21,22. Abbiamo recentemente scoperto una reazione in cui anidride carbonica potrebbe essere utilizzato per mediare il γ-C (sp3) – H arilazione di ammine alifatiche23. Questa strategia era previsto per combinare i vantaggi di un approccio statico gruppo dirigente cui ammide24,25,26,27,28, sulfamidico 29 , 30 , 31 , 32, tiocarbonile33,34o idrazone35-basato dirigere gruppi (robustezza chimica), con la facilità di un gruppo dirigente temporanei (passaggio in diminuzione economia)36, 37,38,39.

Anche se la reazione potrebbe verificarsi sotto pressione atmosferica di CO2, la necessità di un set-up di Schlenk alle reazioni di schermo si dimostrò eccessivamente lento. Inoltre, aumentando la pressione leggermente portata a migliorato rendimenti di reazione, ma non poteva essere raggiunti facilmente utilizzando una linea di Schlenk. Abbiamo quindi cercato una strategia alternativa, e successivamente identificato quel ghiaccio secco potrebbe essere facilmente utilizzato come una solida fonte di CO2 che può essere aggiunto a una varietà di recipienti di reazione per introdurre la quantità necessaria di biossido di carbonio per raggiungere moderato pressioni (Figura 1). Anche se sottoutilizzato in sintesi, una simile strategia è abbastanza comune come un metodo per generare liquido CO2 per estrazione e cromatografia applicazioni40,41,42,43, 44. Utilizzando questa strategia ha permesso che il nostro gruppo a rapidamente schermo tantissimi reazioni in parallelo, mentre la capacità di accesso moderato CO2 pressioni di tra 2-20 atmosfere sono stati fondamentale per migliorare i rendimenti delle reazioni. In queste condizioni, sia primario (1°) e ammine secondarie (2°) possono essere arylated con elettroni ricchi e alogenuri arilici povero elettrone.

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Protocol

Attenzione: 1) i seguenti protocolli sono stati ritenuti sicuri attraverso prove ripetute. Tuttavia, si consiglia cautela quando tenuta fiale, durante la reazione, e soprattutto quando le reazioni di apertura, come disomogeneità nella reazione fiale possono condurre a guasto di apparecchiatura. Flaconcini devono essere ispezionati per prima difetti fisici dell'uso. Flaconcini devono essere posizionate dietro qualche forma di scudo o fusciacca cappuccio immediatamente dopo di tenuta per evitare incidenti se le fiale non riuscire. 2) anche se ci sono poche possibilità per asfissia a causa di piccole quantità di CO2 usato, reazioni dovrebbero essere set-up così come aperto in un'area ben ventilata o in una cappa aspirante. 3) ghiaccio secco è un criogeno e può causare gravi danni tissutali. Pertanto è necessario prestare attenzione durante la manipolazione per evitare il congelamento, ad esempio limitando il contatto diretto o utilizzando guanti criogenici. 4) ghiaccio secco sarà condensare il vapore acqueo, che significa che prima dell'uso, il ghiaccio secco dovrebbe essere esfoliato meccanicamente per garantire che sia la massa di CO2 (s) solo. Ciò può essere ottenuto semplicemente strofinando il ghiaccio secco tra le dita, o in modo più sicuro, lo sfregamento tra le dita con uno strato protettivo come un guanto o un asciugamano.

1. reazione in un flaconcino da 7,5 mL (aria non escluso)

  1. Aggiungere un ancoretta a una secco 7,5 mL fiala.
  2. Aggiungere acetato di Palladio (6,7 mg, 0,03 mmol) nel flaconcino.
  3. Aggiungere trifluoroacetato argento (mg 99,9, 0,45 mmol) nel flaconcino.
  4. Aggiungere ioduro di fenile (92,3 mg, 0,45 mmol) nel flaconcino.
  5. Aggiungere tert-ammina di amile (26,3 mg, 0,30 mmol) per flaconcino.
  6. Aggiungere acido acetico (1,0 mL) nel flaconcino.
    Nota: Il rapporto del volume di soluzione per fiala dimensione è importante, come la sublimazione immediata di CO2 con l'aggiunta di ghiaccio secco meccanicamente può spiazzare solvente se troppo è usato rispetto alla dimensione del recipiente di reazione.
  7. Aggiungere acqua deionizzata (21,7 μL, 12,1 mmol) nel flaconcino.
  8. Pesare il ghiaccio secco (26,3 mg, 0.60 mmol), e aggiungere subito il ghiaccio secco nel flaconcino, garantendo alla guarnizione anche immediatamente il flaconcino con tappo rivestito in PTFE.
    Nota: L'intera operazione deve essere eseguita all'interno di circa 5 secondi per evitare la sublimazione e la fuga della piccola quantità di CO2 aggiunto (questo è rallentato dalla formazione di acido acetico congelato intorno il ghiaccio secco). La quantità di CO2 aggiunto sarà un valore approssimativo, e nelle nostre mani una deviazione di pochi mg è ammissibile.
  9. Agitare il flaconcino di reazione sigillati per 15 minuti a temperatura ambiente.
  10. Trasferire il recipiente di reazione a un piatto preriscaldato a 110 ° C e mescolare per 14 ore prima che permette di raffreddare.
  11. Sul raffreddamento, aprire con cautela il flaconcino per sfogare la CO2.
  12. Rimuovere tutte le sostanze volatili sotto vuoto.
    Nota: Questa operazione può essere eseguita nel flaconcino, o la soluzione possa essere trasferita ad un più grande pallone rotondo.
  13. Aggiungere 1,2 M HCl(aq) (6 mL) alla miscela di reazione e mescolare aperto all'aria per 15 minuti.
  14. Trasferire la frazione acquosa di un imbuto separatore, lavaggio con ulteriori 1.2 M HCl (4 mL) ed estratto con una miscela 1:1. etere etilico/esano (3 x 8 mL).
    Nota: Questo lavaggio biologico contiene ioduro di fenile in eccesso e altri sottoprodotti neutri e possa essere smaltito.
  15. Neutralizzare e rendere base la soluzione acquosa mediante aggiunta di saturi NH4OH(aq) (10 mL è un buon punto di partenza).
  16. Estrarre lo strato acquoso con diclorometano (2 x 10 mL).
  17. Asciugare le frazioni organiche combinate sopra Na2modo4, quindi filtro in un campione tarato fiala.
  18. Evaporare il solvente sotto vuoto, conferendo al prodotto (2-metil-4-fenil-butanamine) come un olio giallo.

2. reazione in un flaconcino da 7,5 mL (eliminazione condizioni – aria escluso)

  1. Aggiungere un ancoretta a una secco 7,5 mL fiala.
  2. Aggiungere acetato di Palladio (6,7 mg, 0,03 mmol) nel flaconcino.
  3. Aggiungere trifluoroacetato argento (mg 99,9, 0,45 mmol) nel flaconcino.
  4. Aggiungere ioduro di fenile (92,3 mg, 0,45 mmol) nel flaconcino.
  5. Aggiungere tert-ammina di amile (26,3 mg, 0,30 mmol) per flaconcino.
  6. Aggiungere acido acetico (1,0 mL) nel flaconcino.
    Nota: Il rapporto del volume di soluzione per fiala dimensione è importante, come la sublimazione immediata di CO2 con l'aggiunta di ghiaccio secco meccanicamente può spiazzare solvente se troppo è usato rispetto alla dimensione del recipiente di reazione.
  7. Aggiungere acqua deionizzata (21,7 μL, 12,1 mmol) nel flaconcino.
  8. Tare il flaconcino su una bilancia, aggiungere circa 98 mg di ghiaccio secco e quindi consentire la CO2 sublimare fuori finché non si ottiene una massa finale di circa 26 mg, seguita da immediatamente il flaconcino con tappo rivestito PTFE di sigillamento.
    Nota: Se auspicabile, questo passaggio può essere eseguito con una maggiore massa di ghiaccio secco per escludere ulteriori aria dal flaconcino. È interessante nota che questo può introdurre acqua e quindi può non essere la strategia più efficace per acqua reazioni sensibili.
  9. Agitare il flaconcino di reazione sigillati per 15 minuti a temperatura ambiente.
  10. Trasferire il recipiente di reazione a un piatto preriscaldato a 110 ° C e mescolare per 14 ore prima che permette di raffreddare.
  11. Sul raffreddamento, aprire con cautela il flaconcino per sfogare la CO2.
  12. Rimuovere tutte le sostanze volatili sotto vuoto.
    Nota: Questa operazione può essere eseguita nel flaconcino, o la soluzione possa essere trasferita ad un più grande pallone rotondo.
  13. Aggiungere 1,2 M HCl(aq) (6 mL) alla miscela di reazione e mescolare aperto all'aria per 15 minuti.
  14. Trasferire la frazione acquosa di un imbuto separatore, lavaggio con ulteriori 1.2 M HCl (4 mL) ed estratto con una miscela 1:1. etere etilico/esano (3 x 8 mL).
    Nota: Questo lavaggio biologico contiene ioduro di fenile in eccesso e altri sottoprodotti neutri e possa essere smaltito.
  15. Neutralizzare e rendere base la soluzione acquosa mediante aggiunta di saturi NH4OH(aq) (10 mL è un buon punto di partenza).
  16. Estrarre lo strato acquoso con diclorometano (2 x 10 mL).
  17. Asciugare le frazioni organiche combinate sopra Na2modo4, quindi filtro in un campione tarato fiala.
  18. Far evaporare il solvente sotto vuoto, conferendo al prodotto (2-metil-4-fenil-butanamine) come un olio giallo.

3. reazione in un flaconcino da 40 mL (aria non escluso)

  1. Aggiungere un ancoretta a una secco 40 mL fiala.
  2. Aggiungere acetato di Palladio (33,5 mg, 0,15 mmol) nel flaconcino.
  3. Aggiungere trifluoroacetato argento (499,5 mg, 2,25 mmol) nel flaconcino.
  4. Aggiungere ioduro di fenile (461,5 mg, 2,25 mmol) nel flaconcino.
  5. Aggiungere ammina tert-amilico (131,5 mg, 1,5 mmol) nel flaconcino.
  6. Aggiungere acido acetico (5,0 mL) nel flaconcino.
    Nota: Il rapporto del volume di soluzione per fiala dimensione è importante, come la sublimazione immediata di CO2 con l'aggiunta di ghiaccio secco meccanicamente può spiazzare solvente se troppo è usato rispetto alla dimensione del recipiente di reazione.
  7. Aggiungere acqua deionizzata (108,5 μL, 6,02 mmol) nel flaconcino.
  8. Pesare il ghiaccio secco (131,5 mg, 3,0 mmol) e aggiungere subito il ghiaccio secco nel flaconcino, garantendo nel contempo per sigillare anche immediatamente il flaconcino con tappo rivestito in PTFE.
    Nota: L'intera operazione deve essere eseguita all'interno di circa 5 secondi per evitare la sublimazione e la fuga della piccola quantità di CO2 aggiunto (questo è rallentato dalla formazione di acido acetico congelato intorno il ghiaccio secco). La quantità di CO2 aggiunto sarà un valore approssimativo, e nelle nostre mani una deviazione di pochi mg è ammissibile.
  9. Agitare il flaconcino di reazione sigillati per 15 minuti a temperatura ambiente.
  10. Trasferire il recipiente di reazione a un piatto preriscaldato a 110 ° C e mescolare per 14 ore prima che permette di raffreddare.
  11. Sul raffreddamento, aprire con cautela il flaconcino per sfogare la CO2.
  12. Rimuovere tutte le sostanze volatili sotto vuoto.
    Nota: Questa operazione può essere eseguita nel flaconcino, o la soluzione possa essere trasferita ad un più grande pallone rotondo.
  13. Aggiungere 1,2 M HCl(aq) (30 mL) alla miscela di reazione e mescolare aperto all'aria per 15 minuti.
  14. Trasferire la frazione acquosa di un imbuto separatore, lavaggio con ulteriori 1.2 M HCl (20 mL) ed estratto con una miscela 1:1. etere etilico/esano (3 x 8 mL).
    Nota: Questo lavaggio biologico contiene ioduro di fenile in eccesso e altri sottoprodotti neutri e possa essere smaltito.
  15. Neutralizzare e rendere base la soluzione acquosa mediante aggiunta di saturi NH4OH(aq) (10 mL è un buon punto di partenza).
  16. Estrarre lo strato acquoso con diclorometano (2 x 20 mL).
  17. Asciugare le frazioni organiche combinate sopra Na2modo4, quindi filtro in un campione tarato fiala.
  18. Evaporare il solvente sotto vuoto, conferendo al prodotto (2-metil-4-fenil-butanamine) come un olio giallo.

4. reazione in un tubo di pressione (aria non escluso) da 35 mL

  1. Aggiungere un ancoretta a un tubo di pressione secca 35 mL.
  2. Aggiungere acetato di Palladio (6,7 mg, 0,03 mmol) il tubo di pressione.
  3. Aggiungere trifluoroacetato argento (132,5 mg, 0,6 mmol) il tubo di pressione.
  4. Aggiungere ioduro di fenile (183,6 mg, 0,9 mmol) il tubo di pressione.
  5. Aggiungere 2-metil -N-(3-methylbenzyl) butan-2-ammina (57,4 mg, 0,3 mmol), per il tubo di pressione.
  6. Aggiungere acido acetico (1,0 mL) nel flaconcino, seguita da 1,1,1,3,3,3,-hexafluoroisopropanol (1,0 mL).
    Nota: Il rapporto del volume di soluzione per fiala dimensione è importante, come la sublimazione immediata di CO2 con l'aggiunta di ghiaccio secco meccanicamente può spiazzare solvente se troppo è usato rispetto alla dimensione del recipiente di reazione.
  7. Aggiungere acqua deionizzata (21,7 μL, 1,2 mmol) il tubo di pressione.
  8. Pesare il ghiaccio secco (1,32 g, 30 mmol), e aggiungere subito il ghiaccio secco per il tubo di pressione, garantendo alla guarnizione anche immediatamente il tubo di pressione con il tappo a vite in Teflon appropriato.
    Nota: L'intera operazione deve essere eseguita all'interno di circa 5 secondi per evitare la sublimazione e la fuga della piccola quantità di CO2 aggiunto (questo è rallentato dalla formazione di acido acetico congelato intorno il ghiaccio secco). La quantità di CO2 aggiunto sarà un valore approssimativo, e nelle nostre mani una deviazione di pochi mg è ammissibile.
  9. Agitare il recipiente di reazione sigillati per 15 minuti a temperatura ambiente.
  10. Trasferire il recipiente di reazione ad una piastra pre-riscaldata a 90 ° C e agitare per 24 ore prima che permette di raffreddare.
  11. Sul raffreddamento, mettere un asciugamano o un guanto imbottito sopra il tappo e aprire con cautela il tubo di pressione per sfogare la CO2.
  12. Rimuovere tutte le sostanze volatili sotto vuoto.
    Nota: Questa operazione può essere eseguita nel tubo di pressione con un adattatore appropriato, o la soluzione possa essere trasferita ad un più grande pallone rotondo.
  13. Aggiungere 1,2 M HCl(aq) (12 mL) alla miscela di reazione e mescolare aperto all'aria per 15 minuti.
  14. Trasferire la frazione acquosa di un imbuto separatore, lavaggio con ulteriori 1.2 M HCl (8 mL) e l'estratto con una miscela 1:1. etere etilico/esano (3 x 8 mL).
    Nota: Questo lavaggio biologico contiene ioduro di fenile in eccesso e altri sottoprodotti neutri e possa essere smaltito.
  15. Neutralizzare e rendere base la soluzione acquosa mediante aggiunta di saturi NH4OH(aq) (10 mL è un buon punto di partenza).
  16. Estrarre lo strato acquoso con diclorometano (2 x 10 mL).
  17. Asciugare le frazioni organiche combinate sopra Na2modo4, quindi filtro in un campione tarato fiala.
  18. Evaporare il solvente sotto vuoto, conferendo al prodotto (2-Methyl-N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine) come un olio giallo.

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Representative Results

A seguito di questi protocolli, è possibile caricare un flaconcino di reazione con un'appropriata quantità di anidride carbonica per ottenere reazioni chimiche che richiedono CO2 atmosfere. La pressione raggiunta nel passaggio 1 è calcolata per essere di circa 3 atmosfere (Vedi la discussione per la determinazione del valore), anche se a causa della parziale solvatazione, pressione osservata è nelle vicinanze di 2 atmosfere a temperatura ambiente e dovrebbe essere circa 2,6 atmosfere sotto le condizioni di reazione. Pertanto, le condizioni nel passaggio 1, 2-metil-4-fenil-butanamine sono ottenibili nel 69% di rendimento (Figura 2). Dalla prima ripulitura pallone dell'aria attraverso lo spostamento da sublimando CO2 (passaggio 2), il rendimento può essere aumentato leggermente al 72%. Per distinguere tra questi risultati a ~2.6 atmosfere di pressione, eseguendo la reazione inferiore a 1 atmosfera di CO2 utilizzando un set-up standard di Schlenk arreda il prodotto desiderato in solo 49% di rendimento isolato. Se nessun CO2 viene utilizzato, o il flaconcino non è debitamente sigillato e così un'atmosfera di2 CO stabile non è mantenuta, quindi < 5% resa del prodotto desiderato viene rilevato da 1H NMR (utilizzando 1,1,2,2-Tetracloroetano come standard di riferimento). Nel frattempo, la scalabilità la reazione di un fattore 5 mentre contemporaneamente utilizzando un flaconcino di reazione maggiore (passaggio 3) può ancora dare prodotto, seppur in una resa leggermente in diminuzione del 42%. Le reazioni possono essere eseguite anche in provette di reazione di pressione (Figura 1), permettendo in questo caso la sintesi di 2-metil -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine in 40% di rendimento (Figura 3).

Figure 1
Figura 1. Reazione vasi utilizzati in questo studio. Da sinistra a destra: dram 2 flaconcino, 10 Dram flaconcino, 35 mL tubo a pressione). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Nella figura 2. 1 H NMR di 2-metil-4-fenil-butanamine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Nella figura 3. 1 H NMR di 2-metil -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Caricamento in flaconcini vuoti di biossido di carbonio
100 mg 125 mg 150 mg 175 mg 200 mg 225 mg 250 mg 275 mg 300 mg Leggenda
25º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ = Stabile in condizioni
60 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x = instabile in condizioni
70º c √ √ √ √ √ √ √ √ √
80º c √ √ √ √ √ √ √ √ √
90º c √ √ √ √ √ √ √ √ √
Temperatura 100 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √
110º c √ √ √ √ √ √ √ √ √
120º c √ √ √ √ √ √ √ √ √
130 √ √ √ √ √ √ √ √ √
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
150º c √ √ √ √ √ √ √ √ √
160º c √ √ √ √ √ √ √ √ √

Tabella 1. Stabilità relativa di 7,5 mL fiale basato su CO2 carico e temperatura. Flaconcini sono stati caricati con la quantità necessaria di ghiaccio secco, seguita immediatamente sigillando con un tappo rivestito in PTFE. Le fiale sono stati immediatamente messi in Pie-blocchi dietro uno schermo di scoppio in un fumehood, seguiti dal riscaldamento a 60 ° C, seguita da aumento di 10 ° C ogni ora ad un picco di 160 ° C. Le fiale sono stati poi raffreddate e maneggiate con attenzione per confermare che si è verificato nessuna perdita di pressione di CO2 .

Caricamento in flaconcini vuoti di biossido di carbonio
300 mg 325 mg 350 mg 375 mg 400 mg 425 mg 450 mg 475 mg 500 mg 525 mg Leggenda
25º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ x √ = Stabile in condizioni
60 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x x = instabile in condizioni
70º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
80º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
90º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
Temperatura 100 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
110º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
120º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
130 √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
150º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
160º c √ √ √ √ √ √ √ √ √ x

Tabella 2. Stabilità relativa di 40 mL fiale basato su CO2 carico e temperatura. Flaconcini sono stati caricati con la quantità necessaria di ghiaccio secco, seguita immediatamente sigillando con un tappo rivestito in PTFE. Le fiale sono stati immediatamente messi in Pie-blocchi dietro uno schermo di scoppio in un fumehood, seguiti dal riscaldamento a 60 ° C, seguita da aumento di 10 ° C ogni ora ad un picco di 160 ° C. Le fiale sono stati poi raffreddate e maneggiate con attenzione per confermare che si è verificato nessuna perdita di pressione di CO2 .

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Discussion

Utilizzo di van der Waals equazione di stato, la pressione approssimativa di questi sistemi può essere calcolato45

EQ. 1:Equation

Le condizioni nel protocollo n. 1, possiamo supporre 26,3 mg di CO2 dà n = 5,98 x 10-4 moli

Equation 1b

Secondo una stima approssimativa, questo suggerisce che, nel protocollo n. 1, le reazioni sono state eseguite sotto circa 2,8 atmosfere di CO2. Supponendo trascurabile spostamento dell'atmosfera nativo nel vaso (come notato sopra, una patina di acido acetico congelato rallenterà la sublimazione del ghiaccio secco, facilitando la migliore accuratezza nella misurazione del ghiaccio secco aggiunto iniziale), tuttavia, la pressione totale quindi dovrebbe essere modellato meglio dalla legge di Dalton:

EQ. 2:Equation 2

Equation 2b

Questo modello non tener conto che alcuni dei gas sarà sciolto nel solvente. In tal caso, è stato necessario allegare un manometro per valutare adeguatamente la pressione. Allegando un setto al flaconcino e inserendo un misuratore di pressione, è stato possibile misurare la pressione a temperatura ambiente. Le pressioni osservate sopra reazioni multiple sono state solo 15 ± 3 psi sopra pressione atmosferica (≈ 1 ± 0,2 atmosfere), o circa 2 atmosfere totale. Anche se la costante di Henry di CO2 in acido acetico ordinato non era prontamente disponibile per il confronto, è noto che l'aggiunta di acido acetico all'acqua migliora la solubilità dell'anidride carbonica46. La pressione stimata a temperatura ambiente potrebbe essere calcolata utilizzando l'approccio precedente:

Equation 5

Equation 6

La pressione prevista sarebbe pertanto un atmosfere 3,3 leggermente inferiore a temperatura ambiente in assenza di gas di dissoluzione nel solvente. La differenza tra le pressioni osservate e calcolate implica che CO2 è relativamente elevata solubilità in solventi organici. Ipotizzando trascurabile differenza nella quantità di dissolto di CO2 nell'intervallo di temperature, un aumento della temperatura di 298 K per la temperatura di reazione di 383 K aumenterebbe la pressione all'interno del flaconcino 2 dram a ~2.6 atmosfere.

Per valutare adeguatamente le condizioni di esercizio pratiche, dram 2 fiale erano set-up con diverse quantità di CO2, seguita da questi a diverse temperature di screening. Per garantire la sicurezza dell'operatore, le fiale erano solo riscaldata dopo essere stato messo dietro un scudo per contenere eventuali guasti del flaconcino. Se i flaconcini saltare in aria, le condizioni sono state considerate troppo dure per le fiale. Attraverso questi esperimenti è stato determinato che la CO2 caricamento fino a 200 mg è stata tollerata a 110 ° C per le fiale 2 dram (7,5 mL) attraverso prove coerenti. Ciò corrisponde a circa 20,7 atmosfere di pressione sulla base dell'approccio precedente, non sopportare la quantità di gas disciolti, che può diminuire la pressione totale di alcune atmosfere. Oltre 200 mg di caricamento, tuttavia, le fiale di reazione generalmente sarebbero esplosa prima di raggiungere la temperatura di 110 ° C. Si consiglia cautela quando si modificano le condizioni, tuttavia: In uno scenario è stata tentata una reazione correlata a 160 ° C con solo 150 mg di CO2, ma non è riuscito il flaconcino prima di aver raggiunto la temperatura di destinazione. Il più grande pericolo per modificare la reazione condizioni sarebbe da aumentare il carico di CO2, come questo può causare le fiale a fallire prima controlli ingegneria sicuri, come gli scudi di scoppio, può essere implementato.

Una limitazione potenziale di questa strategia è la mancanza di dati circa la stabilità delle fiale in condizioni diverse. Di conseguenza, era necessario di schermo le fiale per la loro capacità di resistere a pressioni differenti sotto una gamma di temperature diverse. Questo è stato avviato con i flaconcini di 7,5 mL (tabella 1). Ogni flaconcino è stato accusato di una quantità predeterminata di ghiaccio secco, seguita da sigillatura immediata con tappo a vite di PTFE-allineato. Queste fiale sono state osservate per essere tolleranti di queste condizioni, e nessuno è riuscito a temperatura ambiente. La temperatura è stata poi sollevata per tutte le fiale, e nessun esplosioni si è verificato durante l'esperimento. Sul raffreddamento, ogni flaconcino è stato aperto per confermare che aveva mantenuto la pressurizzazione con CO2. Ciò suggerisce che le fiale possono tollerare fino a 26,5 atmosfere di pressione, che è in contrasto con le condizioni di reazione in cui ~20.7 le atmosfere di pressione era il limite coerenza. Pertanto è incoraggiato dal fatto che solvente identità e volume essere attentamente considerati nella deviazione dal metodo divulgato.

Una schermata simile per tolleranza massima è stata effettuata usando fiale 40ml (tabella 2). In questo caso, è stato determinato un limite superiore per il carico di CO2 di flaconcini vuoti da 500 mg. di sopra di questo le fiale non riuscita rapidamente a temperatura ambiente. Sorprendentemente, la pressione calcolata dei campioni che ha iniziato a fallire a temperatura ambiente era circa 7 atmosfere e sopra. Questo è in contrasto con la fiala contiene 500 mg di CO2, che era stabile a 160 ° C, che corrisponderebbe ad una pressione calcolata di poco meno 10,5 atmosfere. Questi risultati erano riproducibili attraverso diverse fiale, ma non c'è nessuna chiara spiegazione per questo fenomeno in questo momento. Nelle condizioni descritte sotto protocollo n. 3, sono stati tollerati soltanto approssimativamente carichi di 300 mg di CO2 . Tuttavia, questo è effettivamente in linea con gli esperimenti precedenti, quanto alle condizioni la pressione, non corretta per il potenziale assorbimento di anidride carbonica da parte del solvente, sarebbe circa 10 atmosfere. La stabilità in diminuzione delle fiale più grandi alla pressione è previsto e suggerisce che queste procedure vengano eseguite meglio nei vasi che hanno diametri più piccoli e più spesse pareti47.

In sintesi, questo protocollo per l'utilizzo di ghiaccio secco come una solida fonte di CO2 in vetreria prontamente disponibile è previsto per aprire nuove direzioni nel campo della chimica di sintesi. Generando basse a moderate pressioni all'interno di flaconi sigillati o tubi di pressione, fissazione di anidride carbonica i processi quali la carbossilazione48,49,50, come pure CO2 riduzione51, 52 , 53, può essere realizzato senza l'uso di costose attrezzature specializzate. Questa strategia recente adozione faciliterà i progressi nel campo della valorizzazione di CO2 per incorporazione in materie prime chimiche utili quali carbonati ciclici, carbonati di poli e Carbammati54. Inoltre, la strategia dell'introduzione di CO2 come un solido può anche essere utile dove miscele di gas sono desiderate, ad esempio di CO2 e CO, o CO2 e H2, poiché questo facilita l'aggiunta di entrambi i reagenti in un gassoso modulo. Anche se l'utilizzo di ghiaccio secco per introdurre liquidi CO2 è stato utilizzato per le estrazioni e cromatografia40,41,42,43,44, questo protocollo per l'introduzione di CO2 come un solido può anche essere utile per la generazione in situ di CO2 per uso come una reazione solvente55,56,57, lavoro futuro esplorando altri usi per questo approccio, soprattutto la combinazione di CO2 con altri gas-precursori, sono attualmente in corso nel nostro gruppo.

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Disclosures

L'uso di CO2 come un gruppo dirigente per l'attivazione di C-H di substrati base di Lewis è attualmente al centro degli Stati Uniti brevetto provvisorio n. 62/608, 074.

Acknowledgments

Gli autori desiderano riconoscere finanziamento di Start-up da The University of Toledo, nonché fondi dalla Herman Frasch Foundation di American Chemical Society in supporto parziale di questo lavoro. Mr. Thomas Kina è riconosciuto per la sua assistenza con lo sviluppo di un adatto manometro per la misurazione delle pressioni di reazione. Mr. Steve Modar è ringraziato per utili discussioni.

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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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).

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