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Chemistry

Alcanzar presiones moderadas en recipientes sellados usando hielo seco sólido CO2 fuente

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

Aquí presentamos un protocolo para la realización de reacciones en los vasos de reacción simple bajo presiones bajas a moderadas de CO2. Las reacciones pueden realizarse en una variedad de recipientes simplemente por administrar el dióxido de carbono en forma de hielo seco, sin necesidad de equipo costoso o elaborado o configuraciones.

Abstract

En este documento se presenta una estrategia general para llevar a cabo reacciones bajo leves a moderadas presiones de CO2 con hielo seco. Esta técnica evita la necesidad de equipo especializado para lograr presiones modestas y puede utilizarse incluso para alcanzar presiones más altas en el equipo más especializado y resistentes vasos de reacción. Al final de la reacción, los frascos pueden ser fácilmente despresurizados abriendo a temperatura ambiente. En el ejemplo presente CO2 sirve como un supuesto grupo directivo así como una forma de apaciguar los sustratos amina, previniendo así la oxidación durante la reacción organometálicas. Además de ser fácilmente añadida, el grupo directivo también se quitará al vacío, evitando la necesidad de purificación extensa quitar el grupo directivo. Esta estrategia permite la arilación de γ-C(sp3)-H facile de Aminas alifáticas y tiene el potencial para ser aplicado a una variedad de otras reacciones base de aminas.

Introduction

El uso de compuestos gaseosos en las reacciones químicas normalmente requiere equipo especializado y procedimientos1,2. A escala de banco, algunos gases pueden añadirse directamente de un tanque usando un regulador de alta presión3. Un método alternativo consiste en condensar el gas bajo condiciones criogénicas4,5. Aunque útiles, estas estrategias requieren el uso de reactores de presión especializados con válvulas, que pueden ser costos prohibitivos para el funcionamiento de numerosas reacciones en paralelo. Esto por lo tanto puede reducir grandemente la tasa en que la reacción puede continuar la proyección. Como resultado, químicos han encontrado deseable introducir estos compuestos usando métodos alternativos. Amoníaco puede añadirse a las reacciones con sales de carboxilato de amonio diferentes, aprovechando el débil equilibrio entre estas sales y amoniaco libre6. Transferencia de la hidrogenación es una estrategia importante para las reacciones de reducción de olefinas, carbonilo y grupos nitro que evita el uso de gas de hidrógeno inflamable con compuestos como el formiato de amonio o hidracina como portadores de H27. Otro gas de interés en esta área es monóxido de carbono8 -CO puede ser generado en situ por liberación de complejos de metal carbonilo9,10, o también puede ser generada por decarbonylation de fuentes como la formates y formamides11,12,13 o cloroformo14,15.

Un gas que no ha disfrutado de un desarrollo importante en este sentido es dióxido de carbono16. Una de las razones es que muchas transformaciones que implican CO2 también requieren presiones y altas temperaturas y así son automáticamente relegadas a reactores especializado17,18. Esfuerzos recientes para desarrollar catalizadores más reactivos, sin embargo, han facilitado la ejecución muchas de estas reacciones bajo presión atmosférica de CO219,20,21,22. Recientemente hemos descubierto una reacción en la que dióxido de carbono podría utilizarse para mediar la γ-C (sp3) – H cetonas Aminas alifáticas23. Esta estrategia se esperaba que combinan los beneficios de un enfoque de grupo de dirección estática incluyendo amida24,25,26,27,28, sulfamida 29 , 30 , 31 , 32,33,de tiocarbonilo34o hidrazona35-basado dirigir grupos (química robusticity), con la facilidad de un Grupo Directivo transitorio (economía de menor paso)36, 37,38,39.

Aunque la reacción podría ocurrir bajo presión atmosférica de CO2, la necesidad de una configuración de Schlenk pantalla reacciones probó prohibitivo lenta. Además, aumentando la presión ligeramente conducida a mejora rendimiento de la reacción, pero podría no ser fácilmente logrado usando una línea de Schlenk. Por lo tanto buscamos una estrategia alternativa, y posteriormente identificado ese hielo seco podría ser fácilmente utilizado como una fuente sólida de CO2 que se podría añadir a una variedad de recipientes de reacción para introducir la cantidad necesaria de dióxido de carbono para lograr moderada presiones (figura 1). Aunque subutilizado en síntesis, una estrategia similar es bastante común como un método para generar líquido CO2 para cromatografía y extracción aplicaciones40,41,42,43, 44. Utilizando esta estrategia permitió que nuestro grupo rápidamente grandes números de pantalla de las reacciones en paralelo, mientras que la capacidad de acceso moderado CO2 presiones de entre 2-20 atmósferas fueron fundamental para mejorar los rendimientos de las reacciones. En estas condiciones, primaria (1 º) y aminas secundarias (2°) pueden ser arylated con ricos en electrones y electrones pobre aryl halides.

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Protocol

PRECAUCIÓN: 1) los siguientes protocolos han sido consideradas como seguros a través de ensayos repetidos. Sin embargo, se debe ejercer precaución al sellar los frascos, a lo largo de la reacción, y especialmente al abrir las reacciones, como la inhomogeneidad en la reacción frascos pueden llevar a fallas del equipo. Frascos deben inspeccionarse antes de defectos físicos a utilizar. Frascos deben colocarse detrás de algún tipo de escudo blast o marco de la campana inmediatamente después de sellado para evitar incidentes si los frascos no. 2) aunque hay poca posibilidad de asfixia debido a las pequeñas cantidades de CO2 utilizado, las reacciones deben configurarse como abierto en un área bien ventilada o en una campana de humos. 3) hielo seco es un criógeno y puede causar daño tisular grave. Debe por lo tanto tener cuidado mientras manipula a fin de evitar la congelación, como limitar el contacto directo o el uso de Guantes criogénicos. 4) hielo seco se condensará el vapor de agua, lo que significa que antes de usar el hielo seco debe mecánicamente exfoliado para asegurar la masa de CO2 (s) solamente. Esto puede lograrse simplemente frotar el hielo seco entre los dedos, o con más seguridad, frotando entre los dedos con una capa protectora como un guante o una toalla.

1. reacción en un Vial de 7,5 mL (aire no excluido)

  1. Añadir una barra de agitación a un vial de 7,5 mL seco.
  2. Añadir acetato del paladio (6,7 mg, 0.03 mmol) al vial.
  3. Añadir trifluoroacetate plata (99,9 mg, 0.45 mmol) al vial.
  4. Añadir yoduro de fenilo (92,3 mg, 0.45 mmol) al vial.
  5. Añadir terc-amina de amilo (26,3 mg, 0.30 mmol) al vial.
  6. Agregar ácido acético (1,0 mL) al frasco.
    Nota: La proporción del volumen de la solución al frasco de tamaño es importante, como la sublimación inmediata de CO2 con la adición de hielo seco puede desplazar mecánicamente solvente si es mucho se utiliza en relación con el tamaño del recipiente de reacción.
  7. Añadir agua desionizada (21,7 μL, 12.1 mmol) al vial.
  8. Pesan hielo seco (26,3 mg, 0.60 mmol), y añadir el hielo seco para el vial, garantizando también inmediatamente el sello del frasco con una tapa con revestimiento de PTFE .
    Nota: Toda la operación debe realizarse en aproximadamente 5 segundos para evitar que la sublimación y escapar de la pequeña cantidad de CO2 añadido (esto es más lento por la formación de acético congelado en el hielo seco). La cantidad de CO2 añadido será un valor aproximado, y en nuestras manos una desviación de pocos mg es permisible.
  9. Agitar el frasco de reacción sellada durante 15 minutos a temperatura ambiente.
  10. El recipiente de la reacción de transferencia a un plato precalentado a 110 ° C y agitar durante 14 horas antes de permitir que se enfríe.
  11. En refrigeración, abra con cuidado el frasco para ventilación CO2.
  12. Quitar todos los volátiles en vacío.
    Nota: Esta operación se puede realizar en el vial o la solución se puede transferir a un matraz de fondo redondo mayor.
  13. Añadir 1,2 M HCl(aq) (6 mL) a la mezcla de reacción y mezclar abierto al aire durante 15 minutos.
  14. Transferencia de la fracción acuosa en un embudo de separatory, con adicional 1.2 M HCl (4 mL) y el extracto con una mezcla de éter dietílico 1:1 / hexanes (3 x 8 mL).
    Nota: Este lavado orgánico contiene yoduro de fenilo exceso y otros subproductos neutrales y puede eliminarse.
  15. Neutralizar y hacer básica la solución acuosa por la adición de saturados NH4OH(aq) (10 mL es un buen punto de partida).
  16. Extraer la capa acuosa con diclorometano (2 x 10 mL).
  17. Seco las fracciones orgánicas combinadas sobre Na2para que4, entonces el filtro en una muestra de Tara del frasco.
  18. Evaporar el disolvente en vacío, el producto (2-metil-4-fenil-butanamine) como un aceite amarillo.

2. reacción en un Vial de 7,5 mL (purga de condiciones – aire excluido)

  1. Añadir una barra de agitación a un vial de 7,5 mL seco.
  2. Añadir acetato del paladio (6,7 mg, 0.03 mmol) al vial.
  3. Añadir trifluoroacetate plata (99,9 mg, 0.45 mmol) al vial.
  4. Añadir yoduro de fenilo (92,3 mg, 0.45 mmol) al vial.
  5. Añadir terc-amina de amilo (26,3 mg, 0.30 mmol) al vial.
  6. Agregar ácido acético (1,0 mL) al frasco.
    Nota: La proporción del volumen de la solución al frasco de tamaño es importante, como la sublimación inmediata de CO2 con la adición de hielo seco puede desplazar mecánicamente solvente si es mucho se utiliza en relación con el tamaño del recipiente de reacción.
  7. Añadir agua desionizada (21,7 μL, 12.1 mmol) al vial.
  8. TARE el frasco en un equilibrio, añadir aproximadamente 98 mg de hielo seco y luego permitir que el CO2 sublimar apagado hasta conseguir una masa final de aproximadamente 26 mg, seguido inmediatamente sellar el frasco con una tapa con revestimiento de PTFE.
    Nota: Si deseable, este paso se puede realizar con una mayor masa de hielo seco para excluir más aire del frasco. Cabe mencionar que esto puede introducir el agua y así puede no ser la estrategia más eficaz para el agua reacciones sensibles.
  9. Agitar el frasco de reacción sellada durante 15 minutos a temperatura ambiente.
  10. El recipiente de la reacción de transferencia a un plato precalentado a 110 ° C y agitar durante 14 horas antes de permitir que se enfríe.
  11. En refrigeración, abra con cuidado el frasco para ventilación CO2.
  12. Quitar todos los volátiles en vacío.
    Nota: Esta operación se puede realizar en el vial o la solución se puede transferir a un matraz de fondo redondo mayor.
  13. Añadir 1,2 M HCl(aq) (6 mL) a la mezcla de reacción y revuelva abierto al aire durante 15 minutos.
  14. Transferencia de la fracción acuosa en un embudo de separatory, con adicional 1.2 M HCl (4 mL) y el extracto con una mezcla de éter dietílico 1:1 / hexanes (3 x 8 mL).
    Nota: Este lavado orgánico contiene yoduro de fenilo exceso y otros subproductos neutrales y puede eliminarse.
  15. Neutralizar y hacer básica la solución acuosa por la adición de saturados NH4OH(aq) (10 mL es un buen punto de partida).
  16. Extraer la capa acuosa con diclorometano (2 x 10 mL).
  17. Seco las fracciones orgánicas combinadas sobre Na2para que4, entonces el filtro en una muestra de Tara del frasco.
  18. Evaporar el disolvente en vacío, el producto (2-metil-4-fenil-butanamine) como un aceite amarillo.

3. reacción en un frasco de 40 mL (aire no excluido)

  1. Agregar una barra de agitación en un frasco de 40 mL seco.
  2. Añadir acetato del paladio (33,5 mg, 0,15 mmol) al vial.
  3. Añadir plata trifluoroacetate (499,5 mg, 2.25 mmol) al vial.
  4. Añadir yoduro de fenilo (461,5 mg, 2.25 mmol) al vial.
  5. Añadir amina tert-amílico (131,5 mg, 1,5 mmol) al vial.
  6. Agregar ácido acético (5,0 mL) al frasco.
    Nota: La proporción del volumen de la solución al frasco de tamaño es importante, como la sublimación inmediata de CO2 con la adición de hielo seco puede desplazar mecánicamente solvente si es mucho se utiliza en relación con el tamaño del recipiente de reacción.
  7. Añadir agua desionizada (108,5 μL, 6.02 mmol) al vial.
  8. Pesan hielo seco (131,5 mg, 3.0 mmol) y añadir el hielo seco al frasco, mientras asegurándose de sellar también inmediatamente el frasco con una tapa con revestimiento de PTFE.
    Nota: Toda la operación debe realizarse en aproximadamente 5 segundos para evitar que la sublimación y escapar de la pequeña cantidad de CO2 añadido (esto es más lento por la formación de acético congelado en el hielo seco). La cantidad de CO2 añadido será un valor aproximado, y en nuestras manos una desviación de pocos mg es permisible.
  9. Agitar el frasco de reacción sellada durante 15 minutos a temperatura ambiente.
  10. El recipiente de la reacción de transferencia a un plato precalentado a 110 ° C y agitar durante 14 horas antes de permitir que se enfríe.
  11. En refrigeración, abra con cuidado el frasco para ventilación CO2.
  12. Quitar todos los volátiles en vacío.
    Nota: Esta operación se puede realizar en el vial o la solución se puede transferir a un matraz de fondo redondo mayor.
  13. Añadir 1,2 M HCl(aq) (30 mL) a la mezcla de reacción y mezclar abierto al aire durante 15 minutos.
  14. Transferencia de la fracción acuosa en un embudo de separatory, con adicional 1.2 M HCl (20 mL) y el extracto con una mezcla de éter dietílico 1:1 / hexanes (3 x 8 mL).
    Nota: Este lavado orgánico contiene yoduro de fenilo exceso y otros subproductos neutrales y puede eliminarse.
  15. Neutralizar y hacer básica la solución acuosa por la adición de saturados NH4OH(aq) (10 mL es un buen punto de partida).
  16. Extraer la capa acuosa con diclorometano (2 x 20 mL).
  17. Seco las fracciones orgánicas combinadas sobre Na2para que4, entonces el filtro en una muestra de Tara del frasco.
  18. Evaporar el disolvente en vacío, el producto (2-metil-4-fenil-butanamine) como un aceite amarillo.

4. reacción en un tubo de presión (aire no excluido) de 35 mL

  1. Agregue una barra de agitación a un tubo de presión seco 35 mL.
  2. Añadir acetato del paladio (6,7 mg, 0.03 mmol) en el tubo de presión.
  3. Añadir plata trifluoroacetate (132,5 mg, 0,6 mmol) en el tubo de presión.
  4. Añadir yoduro de fenilo (183,6 mg, 0,9 mmol) en el tubo de presión.
  5. Añadir 2-metil -N-(3-methylbenzyl) butan-2-amina (57,4 mg, 0,3 mmol) en el tubo de presión.
  6. Añadir ácido acético (1,0 mL) al frasco, seguido de 1,1,1,3,3,3,-hexafluoroisopropanol (1,0 mL).
    Nota: La proporción del volumen de la solución al frasco de tamaño es importante, como la sublimación inmediata de CO2 con la adición de hielo seco puede desplazar mecánicamente solvente si es mucho se utiliza en relación con el tamaño del recipiente de reacción.
  7. Añadir agua desionizada (21,7 μL, 1,2 mmol) en el tubo de presión.
  8. Pesan hielo seco (1,32 g, 30 mmol), y añadir el hielo seco para el tubo de presión, garantizando sello también inmediatamente el tubo de presión con el correspondiente tapón de Teflon .
    Nota: Toda la operación debe realizarse en aproximadamente 5 segundos para evitar que la sublimación y escapar de la pequeña cantidad de CO2 añadido (esto es más lento por la formación de acético congelado en el hielo seco). La cantidad de CO2 añadido será un valor aproximado, y en nuestras manos una desviación de pocos mg es permisible.
  9. Agitar el recipiente de reacción cerrado durante 15 minutos a temperatura ambiente.
  10. El recipiente de la reacción de transferencia a un plato precalentado a 90 ° C y agitar durante 24 horas antes de permitir que se enfríe.
  11. Al enfriamiento, poner una toalla o guante acolchado sobre la tapa y abra con cuidado el tubo de presión para ventilación CO2.
  12. Quitar todos los volátiles en vacío.
    Nota: Esta operación se puede realizar en el tubo de presión con un adaptador apropiado, o la solución se puede transferir a un matraz de fondo redondo mayor.
  13. Añadir 1,2 M HCl(aq) (12 mL) a la mezcla de reacción y mezclar abierto al aire durante 15 minutos.
  14. Transferencia de la fracción acuosa en un embudo de separatory, con adicional 1.2 M HCl (8 mL) y el extracto con una mezcla de éter dietílico 1:1 / hexanes (3 x 8 mL).
    Nota: Este lavado orgánico contiene yoduro de fenilo exceso y otros subproductos neutrales y puede eliminarse.
  15. Neutralizar y hacer básica la solución acuosa por la adición de saturados NH4OH(aq) (10 mL es un buen punto de partida).
  16. Extraer la capa acuosa con diclorometano (2 x 10 mL).
  17. Seco las fracciones orgánicas combinadas sobre Na2para que4, entonces el filtro en una muestra de Tara del frasco.
  18. Evaporar el disolvente en vacío, confiriéndole al producto (2-Methyl-N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine) como un aceite amarillo.

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Representative Results

Después de estos protocolos, es posible cargar una cubeta de reacción con una cantidad adecuada de dióxido de carbono para lograr reacciones químicas que requieren CO2 atmósferas. La presión alcanzada en el paso 1 se calcula que aproximadamente 3 atmósferas (véase la discusión para la determinación de este valor), aunque debido a la solvatación parcial, la presión observada en las cercanías de 2 atmósferas a temperatura ambiente y debe ser aproximadamente 2,6 atmósferas bajo las condiciones de reacción. Por lo tanto, en las condiciones en el paso 1, 2-metil-4-fenil-butanamine puede obtenerse en el 69% de rendimiento (figura 2). Purgando primero el frasco de aire por desplazamiento por sublimar CO2 (paso 2), el rendimiento puede aumentarse ligeramente al 72%. Para distinguir entre estos resultados en ~2.6 atmósferas de presión, realizar la reacción inferior a 1 atmósfera de CO2 utilizando un montaje de Schlenk estándar equipa el producto deseado en sólo 49% rendimiento aislado. Si se utiliza sin CO2 , o el frasco no está sellado correctamente y así un estable CO2 ambiente no se mantiene, entonces < 5% de rendimiento del producto deseado se detecta por 1H RMN (con 1,1,2,2 tetrachloroethane como patrón de referencia). Mientras tanto, aumentando la reacción por un factor de 5 mientras que simultáneamente usando un vial de reacción más grande (paso 3) puede todavía dar el producto, aunque de un rendimiento ligeramente disminuido de 42%. Las reacciones también se pueden realizar en tubos de reacción de presión (figura 1), en este caso, lo que permite la síntesis de 2-metil -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine en el 40% de rendimiento (figura 3).

Figure 1
Figura 1. Reacción de los vasos utilizados en este estudio. De izquierda a derecha: dram 2 Vial, 10 Dram frasco de 35 mL tubo de presión). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. 1 H RMN del 2-metil-4-fenil-butanamine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. 1 H RMN del 2-metil -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Dióxido de carbono en frascos vacíos de carga
100 mg 125 mg 150 mg 175 mg 200 mg 225 mg 250 mg 275 mg 300 mg Leyenda
25 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ = Estable bajo las condiciones
60 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x = inestable bajo condiciones de
70 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √
80 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √
90 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √
Temperatura 100 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √
110 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √
120 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √
130 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
150 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √
160 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √

Tabla 1. Estabilidad relativa de 7,5 mL viales en CO2 carga y la temperatura basan. Los frascos fueron cargados con la cantidad necesaria de hielo seco, seguido inmediatamente de sellado con una tapa con revestimiento de PTFE. Los frascos se colocaron inmediatamente en bloques de Pie detrás de un escudo de la explosión en un fumehood, seguido de calentamiento a 60 ° C, seguido de aumento de 10 ° C cada hora a un máximo de 160 ° C. Los frascos fueron luego enfriados y abrió cuidadosamente para confirmar que no había ocurrido ninguna pérdida de presión de CO2 .

Dióxido de carbono en frascos vacíos de carga
300 mg 325 mg 350 mg 375 mg 400 mg 425 mg 450 mg 475 mg 500 mg 525 mg Leyenda
25 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x √ = Estable bajo las condiciones
60 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x x = inestable bajo condiciones de
70 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
80 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
90 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
Temperatura 100 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
110 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
120 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
130 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
150 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
160 º C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x

Tabla 2. Estabilidad relativa de 40 mL viales en CO2 carga y la temperatura basan. Los frascos fueron cargados con la cantidad necesaria de hielo seco, seguido inmediatamente de sellado con una tapa con revestimiento de PTFE. Los frascos se colocaron inmediatamente en bloques de Pie detrás de un escudo de la explosión en un fumehood, seguido de calentamiento a 60 ° C, seguido de aumento de 10 ° C cada hora a un máximo de 160 ° C. Los frascos fueron luego enfriados y abrió cuidadosamente para confirmar que no había ocurrido ninguna pérdida de presión de CO2 .

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Discussion

Usando el van der Waals ecuación de estado, la presión aproximada de estos sistemas puede ser calculado45

Ecuación 1:Equation

En las condiciones en el protocolo 1, podemos suponer 26,3 mg de CO2 da n = 5.98 x 10-4 moles

Equation 1b

Como una estimación aproximada, esto sugiere que en el protocolo 1 las reacciones se realizaron en aproximadamente 2,8 atmósferas de CO2. Asumiendo desplazamiento insignificante de la atmósfera nativa en el recipiente (como se señaló anteriormente, una pátina de ácido acético congelado será lenta inicial de la sublimación del hielo seco, facilitando la mejor precisión en la medición de hielo seco agregado), sin embargo, la presión total luego se espera a ser modelados mejor por ley de Dalton:

Ecuación 2:Equation 2

Equation 2b

Este modelo no tiene en cuenta que algunos de los gases se disuelven en el solvente. En ese caso, fue necesario colocar un manómetro para evaluar adecuadamente la presión. Colocar un tabique al frasco e insertando un medidor de presión, fue posible medir la presión a temperatura ambiente. Las presiones observadas en múltiples reacciones eran sólo 15 ± 3 psi sobre la presión atmosférica (atmósferas ≈ 1 ± 0,2), o alrededor de 2 ambientes total. Aunque la constante de Henry de CO2 en ácido acético aseado no era fácilmente disponible para la comparación, se sabe que la adición de ácido acético al agua mejora la solubilidad del dióxido de carbono46. Calcula la presión a temperatura ambiente podría calcularse utilizando el método anterior:

Equation 5

Equation 6

La presión esperada sería una ligeramente inferior 3,3 atmósferas a temperatura ambiente en ausencia de gas se disuelve en el solvente. La diferencia entre las presiones observadas y calculadas implica que el CO2 tiene relativamente alta solubilidad en solvente orgánico. Suponiendo que la insignificante diferencia en la cantidad disuelta de CO2 sobre el rango de temperatura, un aumento en la temperatura de 298 K a la temperatura de reacción de 383 K aumentaría la presión en el frasco 2 copita para atmósferas ~2.6.

Para evaluar adecuadamente las condiciones de operación práctica, dram 2 frascos fueron montaje con cantidades variables de CO2, seguido de proyección de éstos a diferentes temperaturas. Para asegurar seguridad del operador, los frascos fueron solamente caliente después de ser colocado detrás de un escudo blast para contener cualquier fallo del frasco. Si los viales de saltar, las condiciones eran consideradas demasiado ásperos para los frascos. A través de estos experimentos se determinó que el CO2 carga de hasta 200 mg se toleró a 110 ° C para los frascos 2 copita (7,5 mL) a través de constantes ensayos. Esto corresponde a aproximadamente 20,7 atmósferas de presión basado en el enfoque anterior, no obstante la cantidad de gas disuelto, que puede disminuir la presión total por unas cuantas atmósferas. Más allá de 200 mg de carga, sin embargo, los viales de reacción generalmente estallaría antes de llegar a la temperatura de 110 ° C. Debe tener precaución al modificar las condiciones, sin embargo: en un escenario se trató de una reacción relacionada a 160 ° C con sólo 150 mg de CO2, pero el frasco no antes de que había alcanzado la temperatura deseada. El mayor peligro para la modificación de la reacción condiciones sería del aumento de la carga de CO2, ya que esto puede causar que los frascos no antes seguro controles de ingeniería, tales como protectores de la ráfaga, puede ser implementado.

Una limitación potencial de esta estrategia es la falta de datos sobre la estabilidad de los frascos en condiciones diferentes. Por lo tanto, era necesario para los viales por su capacidad para soportar diferentes presiones en un rango de temperaturas diferentes. Esto se inició con los viales de 7,5 mL (tabla 1). Cada frasco fue cargado con una cantidad predeterminada de hielo seco, seguido de inmediato sellado con un tapón de rosca forrada de PTFE. Estos frascos fueron observados para ser tolerante con estas condiciones, y ninguno falló a temperatura ambiente. Luego se eleva la temperatura para todos los viales y no explosiones ocurrieron durante el experimento. En refrigeración, cada frasco fue abierto para confirmar que habían mantenido presurización con CO2. Esto sugiere que los frascos se pueden tolerar más de 26,5 atmósferas de presión, que está en contraste con las condiciones de reacción ~20.7 atmósferas de presión fue el límite constante. Por lo tanto alentó a que solvente identidad y volumen cuidadosamente considerar en desviación del método revelado.

Una pantalla similar de tolerancia máxima fue realizada usando frascos de reacción 40 mL (tabla 2). En este caso, se determinó un límite superior para el CO2 carga de frascos vacíos que 500 mg. por encima de este los frascos fallaron rápidamente a temperatura ambiente. Sorprendentemente, la presión calculada de las muestras que comenzó a fallar en la temperatura ambiente fue aproximadamente de 7 atmósferas o más. Esto está en contraste con el vial que contiene 500 mg de CO2, que era estable a 160 ° C, que correspondería a una presión calculada de atmósferas poco menos 10,5. Estos resultados fueron reproducibles en frascos diferentes, pero no hay ninguna explicación clara para este fenómeno en este momento. En las condiciones descritas en el protocolo 3, cargas de solamente aproximadamente 300 mg de CO2 fueron toleradas. Sin embargo, es en realidad en consonancia con los experimentos anteriores, como en las condiciones de la presión, sin corregir para la potencial absorción de dióxido de carbono por el solvente, sería aproximadamente de 10 atmósferas. La estabilidad disminuida de los viales más grandes a la presión se espera y sugiere que estos procedimientos se realizan mejor en los vasos que tienen diámetros menores y más gruesas paredes47.

En Resumen, se espera que este protocolo para el uso de hielo seco como una sólida fuente de CO2 en cristalería disponible abrir nuevas direcciones en el campo de la química sintética. Mediante la generación de bajas a moderadas presiones dentro de los frascos sellados o tubos de presión, fijación de dióxido de carbono procesos de carboxilación48,49,50, así como CO2 reducción51, 52 , 53, se puede lograr sin el uso de costosos equipos especializados. Esta estrategia recientemente adoptada facilitará avances en el área de valorización de CO2 por la incorporación de materias primas químicas útiles como cíclicos carbonatos, poli carbonatos y carbamatos54. Además, la estrategia de la introducción de CO2 como un sólido también puede ser beneficiosa cuando desean mezclas de gases como CO, CO2 o CO2 y H2, como lo que facilita la adición de dos reactivos en una no-gaseosos forma. Aunque el uso de hielo seco para introducir líquido CO2 utilizado para extracciones y cromatografía40,41,42,43,44, este protocolo para introducción de CO2 como sólido puede también ser útil para en situ la generación de CO2(L) para su uso como una reacción solvente55,56,57, trabajo futuro explorar otros usos para este enfoque, especialmente la combinación de CO2 con otros precursores de gas, están actualmente en marcha en nuestro grupo.

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Disclosures

El uso de CO2 como un grupo directivo para la activación de C-H de sustratos básicos Lewis es actualmente el foco de la patente Provisional de Estados Unidos #62/608, 074.

Acknowledgments

Los autores desean reconocer la financiación de puesta en marcha de la Universidad de Toledo, así como los fondos de la Fundación de la sociedad americana de química Herman Frasch en apoyo parcial de esta obra. Sr. Thomas Kina es reconocido por su ayuda con el desarrollo de un adecuado medidor de presión para medir la presión de reacción. Sr. Steve Modar es agradeció a discusiones útiles.

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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