Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Att uppnå måttligt tryck i slutna kärl med torr-is som en Solid CO2 källa

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

Här presenterar vi ett protokoll för att utföra reaktioner i enkla reaktionskärl under låg till måttlig pressar av CO2. Reaktionerna kan utföras i en mängd fartyg helt enkelt genom att administrera koldioxiden i form av torr-is, utan behovet av kostsamma eller avancerade utrustning eller uppställningar.

Abstract

Häri presenteras en allmän strategi för att utföra reaktioner under mild till måttlig CO2 pressar med torris. Denna teknik undanröjer behovet av specialutrustning att uppnå blygsamma påtryckningar, och kan även användas för att uppnå högre tryck i mer specialiserad utrustning och robustare reaktionskärl. I slutet av reaktionen, kan injektionsflaskorna vara enkelt trycklös genom öppningen vid rumstemperatur. I det aktuella exemplet fungerar CO2 som en förmodad rikta grupp såväl som ett sätt att passiverande amine substrat, vilket förhindrar oxidation under Metallorganisk reaktionen. Utöver läggs enkelt, bort styra gruppen också under vakuum, undanröja behovet av omfattande rening styra gruppen. Denna strategi gör det lättköpt γ-C(sp3)-H arylation av alifatiska aminer och har potential att användas till en mängd andra amine-baserade reaktioner.

Introduction

Användningen av gasformiga föreningar i kemiska reaktioner vanligtvis kräver specialutrustning och förfaranden1,2. På bänk skala, kan vissa gaser läggas direkt från en tank som med högt tryck regulator3. En alternativ metod är att kondensera gasen enligt kryogen villkor4,5. Även om det är användbart, kräver dessa strategier användning av specialiserade trycket reaktorer med ventiler, som kan vara kostnadseffektivt oöverkomliga för parallellt många reaktioner. Detta kan därför avsevärt långsammare på vilken reaktion screening kan fortsätta. Kemister har därför funnit det önskvärt att införa dessa föreningar med alternativa metoder. Ammoniak kan läggas till reaktioner med olika bildas ammoniumsalter, utnyttja svaga jämvikten mellan dessa salter och fri ammoniak6. Överföring hydrogenering är en viktig strategi för minskning reaktioner av olefiner, karbonyl och nitrogrupper som kringgår användning av brandfarlig vätgas med föreningar såsom ammonium formate eller hydrazin som bärare av H27. En annan gas av intresse i detta område är kolmonoxid8 – CO kan vara genererade i situ av befrielsen från metall karbonyl komplex9,10, eller alternativt så kan skapas genom decarbonylation från källor såsom formiater och formamides11,12,13 eller kloroform14,15.

En gas som inte har haft betydande utveckling i detta avseende är koldioxid16. En anledning till detta är att många förändringar som involverar CO2 också kräver höga temperaturer och tryck, och således är automatiskt nedflyttad till specialiserade reaktorer17,18. Senaste ansträngningar att utveckla mer reaktiv katalysatorer, emellertid, har underlättat kör många av dessa reaktioner under atmosfäriskt tryck CO219,20,21,22. Vi upptäckte nyligen en reaktion där koldioxid kunde användas att medla den γ-C (sp3) – H arylation av alifatiska aminer23. Denna strategi förväntas kombinera fördelarna med en statisk rikta grupp strategi inklusive amide24,25,26,27,28, sulfonamid 29 , 30 , 31 , 32, thiocarbonyl33,34eller Hydrazon35-baserat leda grupper (kemisk robusticity), med lätthet av en övergående styra gruppen (minskad steg ekonomi)36, 37,38,39.

Även om reaktionen kan uppstå under atmosfäriskt tryck av CO2, behovet av en Schlenk set-up till skärmen reaktioner visade sig vara oöverkomligt långsam. Dessutom ökar trycket något ledde till förbättrad reaktion avkastning, men inte kan lätt uppnås med hjälp av en Schlenk. Vi sökte därför en alternativ strategi, och därefter har fastställt att torr-is kunde enkelt användas som en solid källa till CO2 som kunde läggas till en mängd reaktionskärl att införa den nödvändiga mängden koldioxid att uppnå måttlig Tryck (figur 1). Även om underutnyttjade syntes, är en liknande strategi ganska vanligt som en metod att generera flytande CO2 för kromatografi och utvinning program40,41,42,43, 44. Utnyttja denna strategi får vår grupp att snabbt skärmen stort antal reaktioner parallellt, medan förmågan att tillgång måttlig CO2 pressar av mellan 2-20 atmosfärer var kritiska till att förbättra avkastningarna av reaktionerna. Under dessa förhållanden, kan både primära (1°) och sekundär (2°) aminer vara arylated med electron rich och elektron fattiga aryl halogenider.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FÖRSIKTIGHET: (1) följande protokoll har bedömts vara säkra genom upprepade försök. Men försiktighet bör iakttas när tätning injektionsflaskor, hela reaktionen, och särskilt när du öppnar reaktionerna, injektionsflaskor som inhomogenitet i reaktionen kan leda till fel på utrustningen. Injektionsflaskorna ska inspekteras för fysiska defekter före användning. Injektionsflaskor ska placeras bakom någon form av tryckvåg sköld eller huva sash omedelbart efter tätning för att förhindra incidenter bör injektionsflaskorna misslyckas. (2) även om det är liten chans för kvävning på grund av de små mängder CO2 används, reaktioner bör vara set-up som öppnas i ett väl ventilerat utrymme eller i dragskåp. (3) torr-is är en cryogen och kan orsaka allvarliga vävnadsskador. Försiktighet bör därför iakttas medan manipulera den för att undvika köldskador, såsom att begränsa direkt kontakt eller använda kryogen handskar. (4) torris kondenserar vattenånga, vilket innebär att före användning, torris bör vara mekaniskt exfolierad för att säkerställa att massan är av CO2 (s) endast. Detta kan uppnås genom att helt enkelt gnugga torris mellan fingrarnas, eller säkrare, gnugga den mellan sina fingrar med ett skyddande lager som en handske eller handduk.

1. reaktion i en 7,5 mL injektionsflaska (Air inte utesluten)

  1. Lägga till en uppståndelse en torr 7,5 mL injektionsflaska.
  2. Lägga till palladium acetat (6,7 mg, 0,03 mmol) till injektionsflaskan.
  3. Lägg till silver trifluoroacetate (99,9 mg, 0,45 mmol) till injektionsflaskan.
  4. Lägg till fenyl jodid (92,3 mg, 0,45 mmol) till injektionsflaskan.
  5. Lägg till tert-amyl amine (26,3 mg, 0.30 mmol) till injektionsflaskan.
  6. Lägg till ättiksyra (1,0 mL) till injektionsflaskan.
    Obs: Förhållandet mellan lösningsvolym till injektionsflaska storlek är viktigt, eftersom den omedelbara sublimering av CO2 vid tillägg av torris kan mekaniskt förskjuta lösningsmedel om för mycket används i förhållande till reaktionskärlet.
  7. Tillsätt avjoniserat vatten (21,7 μL, 12,1 mmol) till injektionsflaskan.
  8. Väga torris (26,3 mg, 0.60 mmol) och omedelbart lägga torris i injektionsflaskan, samtidigt som också omedelbart tätar injektionsflaskan med en PTFE-fodrad mössa.
    Obs: Hela operationen ska utföras inom cirka 5 sekunder att förhindra sublimering och flykten av den lilla mängden CO2 lagt till (detta bromsas av bildandet av frysta ättiksyra runt torris). Mängden CO2 lagt till blir ett ungefärligt värde, och i våra händer vid några mg avvikelse är tillåtet.
  9. Rör förseglade reaktion injektionsflaskan i 15 minuter i rumstemperatur.
  10. Överföra reaktion fartyget till en förvärmd plåt vid 110 ° C och rör i 14 timmar innan du låter svalna.
  11. Vid kylning, öppna försiktigt injektionsflaskan så att ventilera CO2.
  12. Ta bort alla de flyktiga ämnen i vakuum.
    Obs: Denna operation kan utföras i injektionsflaskan eller lösningen kan överföras till en större rund botten kolv.
  13. Tillsätt 1,2 M HCl(aq) (6 mL) att reaktionsblandningen och rör open air i 15 minuter.
  14. Överföra den aqueous fraktionen till en separatory tratt, tvättning med ytterligare 1,2 M HCl (4 mL) och extrakt med en 1:1 dietyleter/hexanes blandning (3 x 8 mL).
    Obs: Denna organiska wash innehåller överflödigt fenyl jodid och andra neutrala biprodukter och kan slängas.
  15. Neutralisera och göra grundläggande vattenlösningen genom tillsats av mättade NH4OH(aq) (10 mL är en bra utgångspunkt).
  16. Extrahera det vattenhaltiga skiktet med diklormetan (2 x 10 mL).
  17. Torka de kombinera organiska fraktionerna över Na2så4sedan filtrera i en tarerad prov injektionsflaska.
  18. Indunsta det lösningsmedel i vakuum, ger produkten (2-metyl-4-fenyl-butanamine) som en gul olja.

2. reaktion i en 7,5 mL injektionsflaska (rensning villkor – Air undantagna)

  1. Lägga till en uppståndelse en torr 7,5 mL injektionsflaska.
  2. Lägga till palladium acetat (6,7 mg, 0,03 mmol) till injektionsflaskan.
  3. Lägg till silver trifluoroacetate (99,9 mg, 0,45 mmol) till injektionsflaskan.
  4. Lägg till fenyl jodid (92,3 mg, 0,45 mmol) till injektionsflaskan.
  5. Lägg till tert-amyl amine (26,3 mg, 0.30 mmol) till injektionsflaskan.
  6. Lägg till ättiksyra (1,0 mL) till injektionsflaskan.
    Obs: Förhållandet mellan lösningsvolym till injektionsflaska storlek är viktigt, eftersom den omedelbara sublimering av CO2 vid tillägg av torris kan mekaniskt förskjuta lösningsmedel om för mycket används i förhållande till reaktionskärlet.
  7. Tillsätt avjoniserat vatten (21,7 μL, 12,1 mmol) till injektionsflaskan.
  8. Taravikt injektionsflaskan på en balans, lägga till ungefärligt 98 mg torr-is och sedan låta den CO2 att sublimera tills en slutlig vikt ca 26 mg uppnås, följt av omedelbart försegla injektionsflaskan med en PTFE-fodrad mössa.
    Obs: Om önskvärt, detta steg kan utföras med en större massa torris att utesluta ytterligare luft från injektionsflaskan. Det är anmärkningsvärt att detta kan införa vatten, och därmed kanske inte den mest effektiva strategin för vatten känsliga reaktioner.
  9. Rör förseglade reaktion injektionsflaskan i 15 minuter i rumstemperatur.
  10. Överföra reaktion fartyget till en förvärmd plåt vid 110 ° C och rör i 14 timmar innan du låter svalna.
  11. Vid kylning, öppna försiktigt injektionsflaskan så att ventilera CO2.
  12. Ta bort alla de flyktiga ämnen i vakuum.
    Obs: Denna operation kan utföras i injektionsflaskan eller lösningen kan överföras till en större rund botten kolv.
  13. Lägga till 1,2 M HCl(aq) (6 mL) reaktionsblandningen och rör open air i 15 minuter.
  14. Överföra den aqueous fraktionen till en separatory tratt, tvättning med ytterligare 1,2 M HCl (4 mL) och extrakt med en 1:1 dietyleter/hexanes blandning (3 x 8 mL).
    Obs: Denna organiska wash innehåller överflödigt fenyl jodid och andra neutrala biprodukter och kan slängas.
  15. Neutralisera och göra grundläggande vattenlösningen genom tillsats av mättade NH4OH(aq) (10 mL är en bra utgångspunkt).
  16. Extrahera det vattenhaltiga skiktet med diklormetan (2 x 10 mL).
  17. Torka de kombinera organiska fraktionerna över Na2så4sedan filtrera i en tarerad prov injektionsflaska.
  18. Avdunsta lösningsmedlet i vakuum, ger produkten (2-metyl-4-fenyl-butanamine) som en gul olja.

3. reaktion i en 40 mL injektionsflaska (Air inte utesluten)

  1. Lägga till en uppståndelse en torr 40 mL injektionsflaska.
  2. Lägga till palladium acetat (33,5 mg, 0,15 mmol) till injektionsflaskan.
  3. Lägg till silver trifluoroacetate (499,5 mg, 2,25 mmol) till injektionsflaskan.
  4. Lägg till fenyl jodid (461.5 mg, 2,25 mmol) till injektionsflaskan.
  5. Tillsätt tert-amyl amine (131,5 mg, 1,5 mmol) till injektionsflaskan.
  6. Lägg till ättiksyra (5,0 mL) till injektionsflaskan.
    Obs: Förhållandet mellan lösningsvolym till injektionsflaska storlek är viktigt, eftersom den omedelbara sublimering av CO2 vid tillägg av torris kan mekaniskt förskjuta lösningsmedel om för mycket används i förhållande till reaktionskärlet.
  7. Tillsätt avjoniserat vatten (108,5 μL, 6,02 mmol) till injektionsflaskan.
  8. Väga torris (131,5 mg, 3,0 mmol) och omedelbart lägga torris i injektionsflaskan, samtidigt för att också omedelbart försegla injektionsflaskan med en PTFE-fodrad mössa.
    Obs: Hela operationen ska utföras inom cirka 5 sekunder att förhindra sublimering och flykten av den lilla mängden CO2 lagt till (detta bromsas av bildandet av frysta ättiksyra runt torris). Mängden CO2 lagt till blir ett ungefärligt värde, och i våra händer vid några mg avvikelse är tillåtet.
  9. Rör förseglade reaktion injektionsflaskan i 15 minuter i rumstemperatur.
  10. Överföra reaktion fartyget till en förvärmd plåt vid 110 ° C och rör i 14 timmar innan du låter svalna.
  11. Vid kylning, öppna försiktigt injektionsflaskan så att ventilera CO2.
  12. Ta bort alla de flyktiga ämnen i vakuum.
    Obs: Denna operation kan utföras i injektionsflaskan eller lösningen kan överföras till en större rund botten kolv.
  13. Tillsätt 1,2 M HCl(aq) (30 mL) att reaktionsblandningen och rör open air i 15 minuter.
  14. Överföra den aqueous fraktionen till en separatory tratt, tvättning med ytterligare 1,2 M HCl (20 mL) och extrakt med en 1:1 dietyleter/hexanes blandning (3 x 8 mL).
    Obs: Denna organiska wash innehåller överflödigt fenyl jodid och andra neutrala biprodukter och kan slängas.
  15. Neutralisera och göra grundläggande vattenlösningen genom tillsats av mättade NH4OH(aq) (10 mL är en bra utgångspunkt).
  16. Extrahera det vattenhaltiga skiktet med diklormetan (2 x 20 mL).
  17. Torka de kombinera organiska fraktionerna över Na2så4sedan filtrera i en tarerad prov injektionsflaska.
  18. Indunsta det lösningsmedel i vakuum, ger produkten (2-metyl-4-fenyl-butanamine) som en gul olja.

4. reaktion i en 35 mL trycket Tube (Air inte utesluten)

  1. Lägga till en uppståndelse en torr 35 mL tryck röret.
  2. Lägga till palladium acetat (6,7 mg, 0,03 mmol) Tryck röret.
  3. Lägga till silver trifluoroacetate (132.5 mg, 0,6 mmol) Tryck röret.
  4. Lägga till fenyl jodid (183.6 mg, 0,9 mmol) Tryck röret.
  5. Lägg till 2-metyl -N-(3-methylbenzyl) butan-2-Amin (57,4 mg, 0,3 mmol) till tryck röret.
  6. Lägg till ättiksyra (1,0 mL) till injektionsflaskan, följt av 1,1,1,3,3,3,-hexafluoroisopropanol (1,0 mL).
    Obs: Förhållandet mellan lösningsvolym till injektionsflaska storlek är viktigt, eftersom den omedelbara sublimering av CO2 vid tillägg av torris kan mekaniskt förskjuta lösningsmedel om för mycket används i förhållande till reaktionskärlet.
  7. Tillsätt avjoniserat vatten (21,7 μL, 1,2 mmol) till tryck röret.
  8. Väga torris (1,32 g, 30 mmol) och omedelbart lägga torris till tryck röret, samtidigt som också omedelbart tätar tryck röret med lämpliga Teflon skruvlocket.
    Obs: Hela operationen ska utföras inom cirka 5 sekunder att förhindra sublimering och flykten av den lilla mängden CO2 lagt till (detta bromsas av bildandet av frysta ättiksyra runt torris). Mängden CO2 lagt till blir ett ungefärligt värde, och i våra händer vid några mg avvikelse är tillåtet.
  9. Rör förseglade reaktion fartyget i 15 minuter i rumstemperatur.
  10. Överföra reaktion fartyget till en förvärmd plåt vid 90 ° C och rör i 24 timmar innan du låter svalna.
  11. Vid kylning, lägga en handduk eller vadderade handsken över locket och öppna försiktigt tryck röret för att ventilera CO2.
  12. Ta bort alla de flyktiga ämnen i vakuum.
    Obs: Denna operation kan utföras i tryck röret med en lämplig adapter eller lösningen kan överföras till en större rund botten kolv.
  13. Tillsätt 1,2 M HCl(aq) (12 mL) att reaktionsblandningen och rör open air i 15 minuter.
  14. Överföra den aqueous fraktionen till en separatory tratt, tvättning med ytterligare 1,2 M HCl (8 mL) och extrakt med en 1:1 dietyleter/hexanes blandning (3 x 8 mL).
    Obs: Denna organiska wash innehåller överskott fenyl jodid och andra neutrala biprodukter och kan slängas.
  15. Neutralisera och göra grundläggande vattenlösningen genom tillsats av mättade NH4OH(aq) (10 mL är en bra utgångspunkt).
  16. Extrahera det vattenhaltiga skiktet med diklormetan (2 x 10 mL).
  17. Torka de kombinera organiska fraktionerna över Na2så4sedan filtrera i en tarerad prov injektionsflaska.
  18. Indunsta det lösningsmedel i vakuum, ger produkten (2-Methyl-N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine) som en gul olja.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Efter dessa protokoll är det möjligt att ladda en reaktion-injektionsflaskan med en lämplig mängd koldioxid att uppnå kemiska reaktioner som kräver CO2 atmosfärer. Trycket uppnåtts i steg 1 beräknas till cirka 3 atmosfärer (se diskussionen för fastställandet av detta värde), även på grund av partiell utläggning, observerade trycket är i närheten av 2 atmosfärer i rumstemperatur, och bör vara cirka 2,6 atmosfärer på reaktion villkor. Därför, de villkor som avses i steg 1, 2-metyl-4-fenyl-butanamine kan erhållas i 69% avkastning (figur 2). Genom första purging kolven av luft genom förskjutning av sublimerar CO2 (steg 2), kan avkastningen ökas något till 72%. För att skilja mellan dessa resultat vid ~2.6 atmosfärer för tryck, utför reaktionen under 1 atmosfär av CO2 möblerar använder en standard Schlenk set-up den önskade produkten endast 49% isolerad avkastning. Om ingen CO2 används, eller injektionsflaskan inte är ordentligt stängd och därmed en stabil CO2 atmosfär inte upprätthålls, då < 5% avkastning på önskad produkt upptäcks av 1H NMR (med 1,1,2,2-tetrachloroethane som referensstandard). Under tiden skalning reaktionen med en faktor 5 medan samtidigt med en större reaktion (steg 3) kan fortfarande ge produkten, om än i en något minskad avkastning på 42%. Reaktionerna kan också utföras i trycket reaktionsrören (figur 1), så i detta fall att syntesen av 2-metyl -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine i 40% avkastning (figur 3).

Figure 1
Figur 1. Reaktion fartyg används i denna studie. Från vänster till höger: 2 dram injektionsflaska, 10 Dram injektionsflaska, 35 mL tryck röret). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. 1 H NMR av 2-metyl-4-fenyl-butanamine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3. 1 H NMR 2-metyl -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Koldioxid som laddar i tomma flaskor
100 mg 125 mg 150 mg 175 mg 200 mg 225 mg 250 mg 275 mg 300 mg Legend
25ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ = Stabil Under
60ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x = instabil Under förhållanden
70ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
80 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √
90ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
Temperatur 100 ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
110ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
120ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
130ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √
150 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √
160ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √

Tabell 1. Relativ stabilitet av 7,5 mL injektionsflaskor baserat på CO2 lastning och temperatur. Injektionsflaskor lastades med den erforderliga mängden torris, följt av omedelbart försegla med en PTFE-fodrad mössa. Injektionsflaskorna placerades genast i Pie-block bakom en blast sköld i en fumehood, följt av värme till 60 ° C, följt av att höja 10 ° C varje timme till en topp på 160 ° C. Skålarna var sedan kyls och öppnade försiktigt för att bekräfta ingen förlust av CO2 tryck hade inträffat.

Koldioxid som laddar i tomma flaskor
300 mg 325 mg 350 mg 375 mg 400 mg 425 mg 450 mg 475 mg 500 mg 525 mg Legend
25ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x √ = Stabil Under
60ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x x = instabil Under förhållanden
70ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
80 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
90ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
Temperatur 100 ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
110ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
120ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
130ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
140ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
150 ° C √ √ √ √ √ √ √ √ √ x
160ºC √ √ √ √ √ √ √ √ √ x

Tabell 2. Relativ stabilitet 40 ml injektionsflaskor baserat på CO2 lastning och temperatur. Injektionsflaskor lastades med den erforderliga mängden torris, följt av omedelbart försegla med en PTFE-fodrad mössa. Injektionsflaskorna placerades genast i Pie-block bakom en blast sköld i en fumehood, följt av värme till 60 ° C, följt av att höja 10 ° C varje timme till en topp på 160 ° C. Skålarna var sedan kyls och öppnade försiktigt för att bekräfta ingen förlust av CO2 tryck hade inträffat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Med van der Waals ekvation av statligt, kan ungefärliga trycket av dessa system vara beräknade45

Ekv 1:Equation

De villkor som avses i protokoll nr 1, kan vi anta 26,3 mg CO2 ger n = 5,98 x 10-4 mols

Equation 1b

Som en grov uppskattning antyder detta att reaktionerna i protokoll 1 utfördes under cirka 2,8 atmosfärer av CO2. Antar försumbar förskjutning av infödda atmosfären i kärlet (som nämnts ovan, en patina frysta ättiksyra kommer sakta den inledande sublimering av torris, underlätta bättre noggrannhet i mätningen av extra torr-is), men det totala trycket skulle sedan förväntas modelleras bättre Daltons lag:

Ekv 2:Equation 2

Equation 2b

Denna modell tar inte hänsyn till att några av gaserna som kommer vara upplöst i spädningsvätskan. I så fall var det nödvändigt att bifoga en manometer för att adekvat bedöma trycket. Genom att montera en septum till injektionsflaskan och infoga en tryckmätare, var det möjligt att mäta trycket vid rumstemperatur. Observerade trycket över flera reaktioner var endast 15 ± 3 psi atmosfärtrycket (≈ 1 ± 0,2 atmosfärer), eller runt 2 atmosfärer totalt. Även Henry konstanten av CO2 i snygg ättiksyra inte var lätt tillgänglig för jämförelse, är det känt att tillsats av ättiksyra till vatten förbättrar lösligheten av koldioxid46. Beräknade trycket vid rumstemperatur kan beräknas med den tidigare metoden:

Equation 5

Equation 6

Beräknade trycket vore därför en något lägre 3.3 atmosfärer vid rumstemperatur i avsaknad av gas upplösning i lösningsmedlet. Skillnaden mellan observerade och beräknade trycket innebär att CO2 har relativt hög löslighet i organiska lösningsmedel. Förutsatt att försumbar skillnad av mängden upplöst CO2 över temperaturområdet, skulle en ökning av temperaturen från 298 K till 383 K reaktion temperatur öka trycket i injektionsflaskan 2 dram ~2.6 miljöer.

Att adekvat bedöma praktiska driftsförhållandena, var 2 dram injektionsflaskor set-up med varierande mängder av CO2, följt av screening dessa vid olika temperaturer. För att garantera användarsäkerheten, var skålarna bara uppvärmd efter placeras bakom en blast sköld innehåller varje injektionsflaska misslyckanden. Om flaskorna blåste upp, ansågs villkor för hårda för skålarna. Genom dessa experiment bestämdes det att CO2 lastning upp till 200 mg tolererades vid 110 ° C i 2 dram (7,5 mL) injektionsflaskorna genom konsekvent prövningar. Detta motsvarar cirka 20,7 atmosfärer tryck baserat på den föregående strategin, inte motstå mängden gas upplöst, vilket kan minska det totala trycket av några atmosfärer. Bortom 200 mg laddningsdos, dock skulle reaktionskärlen generellt explodera innan den når måltemperaturen av 110 ° C. Försiktighet bör iakttas när du ändrar villkor, dock: I ett scenario försökte en relaterade reaktion vid 160 ° C med endast 150 mg CO2, men det gick inte att injektionsflaskan innan den hade nått måltemperaturen. Den största faran för att ändra reaktion villkor skulle vara från öka lastning av CO2, eftersom detta kan orsaka injektionsflaskorna misslyckas innan säkra tekniska kontroller, till exempel blast sköldar, kan genomföras.

En potentiell begränsning till denna strategi är bristen på data om stabiliteten i injektionsflaskorna under olika förhållanden. Det var därför nödvändigt att skärmen injektionsflaskorna för deras förmåga att motstå olika tryck under en rad olika temperaturer. Detta inleddes med 7,5 mL flaskorna (tabell 1). Varje injektionsflaska åtalades en förutbestämd mängd torris, följt av omedelbar tätning med skruvlock PTFE-fodrade. Dessa flaskor har observerats för att vara toleranta mot dessa villkor, och misslyckats ingen vid rumstemperatur. Temperaturen höjdes sedan för alla injektionsflaskorna och inga explosioner inträffade under experimentet. Vid kylning, öppnades en injektionsflaska för att bekräfta de hade behållit trycksättning med CO2. Detta tyder på att flaskorna kan tolerera uppemot 26,5 atmosfärer på trycket, vilket står i kontrast till reaktionsbetingelser där ~20.7 omgivningar av trycket var konsekvent gräns. Det är därför uppmuntrade att lösningsmedel identitet och volym noggrant övervägas i avvikelse från metoden avslöjas.

En liknande skärm för maximal tolerans utfördes med hjälp av 40 mL reaktionskärlen (tabell 2). I det här fallet en övre gräns för CO2 lastning av tomma flaskor fastställdes vara 500 mg. framför detta injektionsflaskorna misslyckades snabbt i rumstemperatur. Överraskande, beräknade trycket av de prover som började att misslyckas vid rumstemperatur var cirka 7 atmosfärer och ovan. Detta är i motsats till injektionsflaskan innehållande 500 mg CO2, som var stabil vid 160 ° C, vilket motsvarar ett beräknat tryck på strax under 10,5 atmosfärer. Dessa resultat var reproducerbara över olika flaskor, men det finns ingen tydlig förklaring till detta fenomen vid denna tid. De villkor som anges i protokoll 3, tolererades endast ungefärligt 300 mg axelbelastningar för CO2 . Detta är dock faktiskt i linje med de tidigare experiment, som enligt villkor som trycket, okorrigerat för potentiella absorption av koldioxid av lösningsmedlet, skulle vara cirka 10 atmosfärer. Minskade stabiliteten i de större flaskorna som trycket förväntas, och föreslår att dessa procedurer utförs bättre i fartyg som har mindre diameter och tjockare väggar47.

Sammanfattningsvis förväntas detta protokoll för att använda torris som solid CO2 källa i lättillgängliga glasvaror öppna nya riktningar inom syntetisk kemi. Genom att generera låga till måttliga tryck inne i förseglade flaskor eller tryck rör, koldioxid fixering processer såsom karboxylering48,49,50, samt CO2 minskning51, 52 , 53, kan uppnås utan användning av dyr specialutrustning. Nyligen antagna strategin kommer att underlätta framsteg inom området för valorizationen av CO2 genom införlivande användbar kemiska råvaror såsom cykliska karbonater, poly karbonater och karbamater54. Dessutom strategi att införa CO2 som en solid kan också vara fördelaktigt om blandningar av gaser önskas, såsom CO2 och CO, eller CO2 och H2, eftersom detta underlättar tillägg av båda reagenser i en icke gasformiga formuläret. Även om användning av torr-is att införa flytande CO2 har använts för extraktioner och kromatografi40,41,42,43,44, detta protokoll för att införa CO2 som ett fast kan också vara användbart för i situ generation av CO2 l för användning som en reaktion lösningsmedel55,56,57, Future work utforska andra användningsområden för detta tillvägagångssätt, särskilt kombinationen av CO2 med andra gas-prekursorer, pågår för närvarande i vår grupp.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Användning av CO2 som en rikta grupp för C-H aktivering av Lewis grundläggande substrat är för närvarande i fokus för United States provisoriska Patent nr 62/608, 074.

Acknowledgments

Författarna vill uppmärksamma startfinansiering från The University of Toledo, samt medel från American Chemical Society's Herman Frasch Foundation i delvis stöd i detta arbete. Mr Thomas Kina erkänns för sin hjälp med att utveckla en passande manometer för att mäta reaktion trycket. Mr Steve Modar är tackade för bra diskussioner.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Kemi fråga 138 grön kemi Metallorganisk kemi syntetisk metod koldioxid aminer C-H aktivering trycket reaktioner
Att uppnå måttligt tryck i slutna kärl med torr-is som en Solid CO<sub>2</sub> källa
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kapoor, M., Chand-Thakuri, P.,… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter