At opnå moderat pres i lukkede fartøjer, der anvender tøris som en Solid CO2 kilde

* These authors contributed equally
Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Her præsenterer vi en protokol for at udføre reaktioner i simpel reaktion fartøjer under lav til moderat pres af CO2. Reaktionerne kan udføres i en række forskellige fartøjer blot ved at administrere kuldioxid i form af tøris, uden behov for dyre eller omfattende udstyr eller set-ups.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Heri præsenteres en generel strategi for at udføre reaktioner under mild til moderat CO2 pres med tøris. Denne teknik overflødiggør behovet for specialiseret udstyr at opnå beskedne belastninger, og kan endda bruges til at opnå højere pres i mere specialiseret udstyr og mere robuste reaktion fartøjer. For enden af reaktionen kan hætteglassene nemt trykfri ved åbning ved stuetemperatur. I det foreliggende eksempel fungerer CO2 som både en formodede ledelse gruppe samt en måde at passivering Amin substrater, derved forhindre oxidation under metalorganiske reaktionen. Ud over at være nemt tilføjet, fjernet lede Gruppen også under vakuum, længere er behov for omfattende rensning at fjerne gruppen lede. Denne strategi giver den facile γ-C(sp3)-H arylation af alifatiske aminer og har potentiale til at blive anvendt til en række andre Amin-baserede reaktioner.

Introduction

Anvendelsen af gasformige forbindelser i kemiske reaktioner kræver typisk specialiseret udstyr og procedurer1,2. På bænken skala, kan nogle gasser tilføjes direkte fra en tank, ved hjælp af et højtryk regulator3. En alternativ metode er at kondensere gas under kryogene betingelser4,5. Selv om nyttige, kræver disse strategier brug af specialiserede pres reaktorer med ventiler, der kan være omkostningseffektivt uoverkommelige for løb mange reaktioner i parallel. Dette kan derfor høj grad bremse hastigheden på hvilken reaktion screening kan fortsætte. Som et resultat, har kemikere fundet det ønskeligt at indføre disse forbindelser ved hjælp af alternative metoder. Ammoniak kan føjes til reaktioner ved hjælp af forskellige carboxylat ammoniumsalte, udnytter de svage ligevægt mellem disse salte og fri ammoniak6. Overførsel hydrogenering er en vigtig strategi for reduktion af reaktioner af olefiner, carbonyl og nitro grupper at omgaas brugen af brandfarlig hydrogengas med forbindelser såsom ammonium formate eller hydrazin som bærere af H27. En anden gas af interesse på dette område er kulilte8 -CO kan være genereret i situ af befrielse fra metal carbonyl komplekser9,10, eller alternativt kan den genereres af decarbonylation fra kilder som formates og formamides11,12,13 eller chloroform14,15.

En gas, som ikke har haft en betydelig udvikling i denne henseende er CO2-16. En af grundene til dette er, at mange forvandlinger, der involverer CO2 også kræver høje temperaturer og tryk, og dermed er automatisk henvist til specialiseret reaktorer17,18. Seneste bestræbelser på at udvikle mere reaktiv katalysatorer, dog, har fremmet kører mange af disse reaktioner under atmosfærisk pres af CO219,20,21,22. Vi har for nylig opdaget en reaktion, hvor CO2 kan bruges til at mægle γ-C (sp3) – H arylation af alifatiske aminer23. Denne strategi var forventet at kombinere fordelene ved en statisk lede gruppen tilgang herunder akrylamid24,25,26,27,28, sulfonamid 29 , 30 , 31 , 32, thiocarbonyl33,34eller hydrazone35-baseret lede grupper (kemiske robusticity), med lethed, hvormed et forbigående lede gruppen (nedsat trin økonomi)36, 37,38,39.

Selv om bagstræv kunne ske under atmosfærisk tryk af CO2, langsom behovet for en Schlenk set-up til skærmen reaktioner viste sig at være uoverkommeligt. Endvidere øge trykket lidt førte til forbedret reaktion udbytter, men kunne ikke blive nemt at opnå ved hjælp af en Schlenk linje. Vi har derfor søgt en alternativ strategi, og efterfølgende identificeret som tøris kunne nemt bruges som en solid kilde til CO2 der kan føjes til en lang række reaktion fartøjer at indføre den nødvendige mængde af kuldioxid at opnå moderat pres (figur 1). Selvom underudnyttede i syntese, er en lignende strategi ret almindelig som en metode til at generere flydende CO2 til kromatografi og udvinding programmer40,41,42,43, 44. Udnytte denne strategi er tilladt vores gruppe til hurtigt skærmen stort tal af reaktioner i parallel, mens evnen hen til adgang moderat CO2 pres af mellem 2-20 atmosfærer var afgørende for at forbedre udbyttet af reaktioner. Disse betingelser kan både primære (1°) og sekundære (2°) aminer være arylated med elektron rige og elektron fattige aryl halogenider.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsigtig: 1) de følgende protokoller er blevet erklæret sikkert gennem gentagne forsøg. Men, forsigtighed bør udvises, når forsegling hætteglas, i hele reaktionen, og især når du åbner reaktionerne, som uensartethed i reaktionen hætteglas kan føre til udstyr fiasko. Hætteglassene skal inspiceres for fysiske defekter før brug. Hætteglassene skal placeres bag nogle form for blast skjold eller hætte skærf umiddelbart efter forsegling for at forebygge hændelser bør hætteglassene mislykkes. 2) selv om der er lille chance for kvælning på grund af de små mængder af CO2 anvendes, reaktioner bør være set-up som åbnes i et velventileret område eller i et stinkskab. 3) tøris er en cryogen og kan forårsage alvorlige vævsskader. Derfor bør der udvises forsigtighed mens manipulere det for at undgå forfrysninger, som begrænser direkte kontakt eller ved hjælp af kryogene handsker. 4) tøris vil kondensere vanddamp, hvilket betyder, at før brug, tøris bør være mekanisk afstødes for at sikre, at massen er af CO2 (s) kun. Dette kan opnås ved at blot gnide tøris mellem ens fingre, eller mere sikkert, gnide det mellem ens fingre med et beskyttende lag som en handske eller håndklæde.

1. reaktion i en 7,5 mL hætteglas (luft ikke udelukket)

  1. Tilføje en røre bar til en tør 7,5 mL hætteglas.
  2. Tilføje palladium acetat (6,7 mg, 0,03 mmol) til hætteglasset.
  3. Tilføje sølv trifluoroacetate (99,9 mg, 0,45 mmol) til hætteglasset.
  4. Tilføje phenyl Iodid (92,3 mg, 0,45 mmol) til hætteglasset.
  5. Tilføje tert-amyl Amin (26,3 mg, 0,30 mmol) til hætteglasset.
  6. Tilføje eddikesyre (1,0 mL) til hætteglasset.
    Bemærk: Forholdet mellem løsning volumen til hætteglasset størrelse er vigtig, som den umiddelbare sublimering af CO2 ved tilsætning af tøris kan mekanisk fortrænge opløsningsmiddel hvis for meget er brugt i forhold til størrelsen af reaktion fartøj.
  7. Der tilsættes deioniseret vand (21.7 μL, 12,1 mmol) til hætteglasset.
  8. Vejer tøris (26,3 mg, 0,60 mmol), og straks tilføje tøris til hætteglas, samtidig med at sikre at også straks seal hætteglas med en PTFE-foret hætte.
    Bemærk: Hele operationen bør udføres inden for ca 5 sekunder for at forhindre sublimation og flugt af den lille mængde CO2 tilføjet (dette er bremset ved dannelsen af frosne eddikesyre omkring tøris). Mængden af CO2 tilføjet bliver en tilnærmet værdi, og i vores hænder en afvigelse af et par mg er tilladt.
  9. Rør den forseglede prøveglas i 15 minutter ved stuetemperatur.
  10. Overføre reaktion fartøj til en forvarmet plade på 110 ° C og omrøres i 14 timer før får lov at køle.
  11. Efter afkøling, åbne omhyggeligt hætteglas for at lufte CO2.
  12. Fjern alle af de flygtige stoffer i vakuum.
    Bemærk: Denne handling kan udføres i hætteglasset, eller løsningen kan overføres til en større rund bund kolbe.
  13. Tilføj 1,2 M HCl(aq) (6 mL) til reaktionsblandingen og rør åben luft i 15 minutter.
  14. Overføre den vandige fraktion til en skilletragt, vask med yderligere 1,2 M HCl (4 mL), og uddrag med en 1:1 diethylether/hexanes blanding (3 x 8 mL).
    Bemærk: Denne økologiske vask indeholder overskydende phenyl Iodid og andre neutrale biprodukter, som kan bortskaffes.
  15. Neutralisere og gøre grundlæggende den vandige opløsning ved tilsætning af mættet NH4OH(aq) (10 mL er et godt udgangspunkt).
  16. Uddrag den vandige lag med dichlormethan (2 x 10 mL).
  17. Tør de kombinerede økologisk fraktioner over Na24og derefter på filter i en tareret prøve vial.
  18. Fordampe det opløsningsmiddel i vakuum, giver produktet (2-Methyl-4-phenyl-butanamine) som en gul olie.

2. reaktion i en 7,5 mL hætteglas (udrensning betingelser – luft udelukket)

  1. Tilføje en røre bar til en tør 7,5 mL hætteglas.
  2. Tilføje palladium acetat (6,7 mg, 0,03 mmol) til hætteglasset.
  3. Tilføje sølv trifluoroacetate (99,9 mg, 0,45 mmol) til hætteglasset.
  4. Tilføje phenyl Iodid (92,3 mg, 0,45 mmol) til hætteglasset.
  5. Tilføje tert-amyl Amin (26,3 mg, 0,30 mmol) til hætteglasset.
  6. Tilføje eddikesyre (1,0 mL) til hætteglasset.
    Bemærk: Forholdet mellem løsning volumen til hætteglasset størrelse er vigtig, som den umiddelbare sublimering af CO2 ved tilsætning af tøris kan mekanisk fortrænge opløsningsmiddel hvis for meget er brugt i forhold til størrelsen af reaktion fartøj.
  7. Der tilsættes deioniseret vand (21.7 μL, 12,1 mmol) til hætteglasset.
  8. Tara hætteglas på en balance, tilføje ca 98 mg af tøris, og lad derefter CO2 at sublimere indtil ca 26 mg endelige masse er opnået, efterfulgt af straks forsegling hætteglas med en PTFE-foret hætte.
    Bemærk: Hvis ønskeligt, dette trin kan udføres med en større masse af tøris til at udelukke yderligere luft fra hætteglasset. Det er bemærkelsesværdigt, at dette kan indføre vand, og derfor muligvis ikke er den mest effektive strategi for vand følsomme reaktioner.
  9. Rør den forseglede prøveglas i 15 minutter ved stuetemperatur.
  10. Overføre reaktion fartøj til en forvarmet plade på 110 ° C og omrøres i 14 timer før får lov at køle.
  11. Efter afkøling, åbne omhyggeligt hætteglas for at lufte CO2.
  12. Fjern alle af de flygtige stoffer i vakuum.
    Bemærk: Denne handling kan udføres i hætteglasset, eller løsningen kan overføres til en større rund bund kolbe.
  13. Tilføje 1,2 M HCl(aq) (6 mL) til reaktionsmiljøet, og omrøres åben luft i 15 minutter.
  14. Overføre den vandige fraktion til en skilletragt, vask med yderligere 1,2 M HCl (4 mL), og uddrag med en 1:1 diethylether/hexanes blanding (3 x 8 mL).
    Bemærk: Denne økologiske vask indeholder overskydende phenyl Iodid og andre neutrale biprodukter, som kan bortskaffes.
  15. Neutralisere og gøre grundlæggende den vandige opløsning ved tilsætning af mættet NH4OH(aq) (10 mL er et godt udgangspunkt).
  16. Uddrag den vandige lag med dichlormethan (2 x 10 mL).
  17. Tør de kombinerede økologisk fraktioner over Na24og derefter på filter i en tareret prøve vial.
  18. Fordampe opløsningsmidlet i vakuum, giver produktet (2-Methyl-4-phenyl-butanamine) som en gul olie.

3. reaktion i en 40 mL hætteglas (luft ikke udelukket)

  1. Tilføje en røre bar til en tør 40 mL hætteglas.
  2. Tilføje palladium acetat (33,5 mg, 0,15 mmol) til hætteglasset.
  3. Tilføje sølv trifluoroacetate (499.5 mg, 2.25 mmol) til hætteglasset.
  4. Tilføje phenyl Iodid (461.5 mg, 2.25 mmol) til hætteglasset.
  5. Tilføje tert-amyl Amin (131,5 mg, 1.5 mmol) til hætteglasset.
  6. Tilføje eddikesyre (5,0 mL) til hætteglasset.
    Bemærk: Forholdet mellem løsning volumen til hætteglasset størrelse er vigtig, som den umiddelbare sublimering af CO2 ved tilsætning af tøris kan mekanisk fortrænge opløsningsmiddel hvis for meget er brugt i forhold til størrelsen af reaktion fartøj.
  7. Der tilsættes deioniseret vand (108.5 μL, 6.02 mmol) til hætteglasset.
  8. Vejer tøris (131,5 mg, 3,0 mmol), og straks tilføje tøris til hætteglas, samtidig med at også straks forsegle hætteglas med en PTFE-foret hætte.
    Bemærk: Hele operationen bør udføres inden for ca 5 sekunder for at forhindre sublimation og flugt af den lille mængde CO2 tilføjet (dette er bremset ved dannelsen af frosne eddikesyre omkring tøris). Mængden af CO2 tilføjet bliver en tilnærmet værdi, og i vores hænder en afvigelse af et par mg er tilladt.
  9. Rør den forseglede prøveglas i 15 minutter ved stuetemperatur.
  10. Overføre reaktion fartøj til en forvarmet plade på 110 ° C og omrøres i 14 timer før får lov at køle.
  11. Efter afkøling, åbne omhyggeligt hætteglas for at lufte CO2.
  12. Fjern alle af de flygtige stoffer i vakuum.
    Bemærk: Denne handling kan udføres i hætteglasset, eller løsningen kan overføres til en større rund bund kolbe.
  13. Tilføj 1,2 M HCl(aq) (30 mL) til reaktionsblandingen og rør åben luft i 15 minutter.
  14. Overføre den vandige fraktion til en skilletragt, vask med yderligere 1,2 M HCl (20 mL), og uddrag med en 1:1 diethylether/hexanes blanding (3 x 8 mL).
    Bemærk: Denne økologiske vask indeholder overskydende phenyl Iodid og andre neutrale biprodukter, som kan bortskaffes.
  15. Neutralisere og gøre grundlæggende den vandige opløsning ved tilsætning af mættet NH4OH(aq) (10 mL er et godt udgangspunkt).
  16. Uddrag den vandige lag med dichlormethan (2 x 20 mL).
  17. Tør de kombinerede økologisk fraktioner over Na24og derefter på filter i en tareret prøve vial.
  18. Fordampe det opløsningsmiddel i vakuum, giver produktet (2-Methyl-4-phenyl-butanamine) som en gul olie.

4. reaktion i en 35 mL pres Tube (luft ikke udelukket)

  1. Tilføje en røre bar til en tør 35 mL pres tube.
  2. Tilføje palladium acetat (6,7 mg, 0,03 mmol) til tryk røret.
  3. Tilføje sølv trifluoroacetate (132.5 mg, 0,6 mmol) til tryk røret.
  4. Tilføje phenyl Iodid (183.6 mg, 0,9 mmol) til tryk røret.
  5. Tilsæt 2-methyl -N-(3-methylbenzyl) butan-2-Amin (57.4 mg, 0,3 mmol) til tryk røret.
  6. Tilføje eddikesyre (1,0 mL) til hætteglas, efterfulgt af 1,1,1,3,3,3,-hexafluoroisopropanol (1,0 mL).
    Bemærk: Forholdet mellem løsning volumen til hætteglasset størrelse er vigtig, som den umiddelbare sublimering af CO2 ved tilsætning af tøris kan mekanisk fortrænge opløsningsmiddel hvis for meget er brugt i forhold til størrelsen af reaktion fartøj.
  7. Der tilsættes deioniseret vand (21.7 μL, 1,2 mmol) til tryk røret.
  8. Vejer tøris (1.32 g, 30 mmol), og straks tilføje tøris til tube pres samtidig sikre at også straks seal tryk røret med den passende Teflon skruelåg.
    Bemærk: Hele operationen bør udføres inden for ca 5 sekunder for at forhindre sublimation og flugt af den lille mængde CO2 tilføjet (dette er bremset ved dannelsen af frosne eddikesyre omkring tøris). Mængden af CO2 tilføjet bliver en tilnærmet værdi, og i vores hænder en afvigelse af et par mg er tilladt.
  9. Rør lukket reaktion fartøj i 15 minutter ved stuetemperatur.
  10. Overføre reaktion fartøj til en forvarmet plade ved 90 ° C og omrøres i 24 timer før får lov at køle.
  11. Efter afkøling, Læg et håndklæde eller polstret handske over fælles landbrugspolitik, og forsigtigt åbne Tryk røret for at lufte CO2.
  12. Fjern alle af de flygtige stoffer i vakuum.
    Bemærk: Denne handling kan udføres i pres rør med en passende adapter, eller løsningen kan overføres til en større rund bund kolbe.
  13. Tilføj 1,2 M HCl(aq) (12 mL) til reaktionsblandingen og rør åben luft i 15 minutter.
  14. Overføre den vandige fraktion til en skilletragt, vask med yderligere 1,2 M HCl (8 mL), og uddrag med en 1:1 diethylether/hexanes blanding (3 x 8 mL).
    Bemærk: Denne økologiske vask indeholder overskydende phenyl Iodid og andre neutrale biprodukter og kan bortskaffes.
  15. Neutralisere og gøre grundlæggende den vandige opløsning ved tilsætning af mættet NH4OH(aq) (10 mL er et godt udgangspunkt).
  16. Uddrag den vandige lag med dichlormethan (2 x 10 mL).
  17. Tør de kombinerede økologisk fraktioner over Na24og derefter på filter i en tareret prøve vial.
  18. Fordampe det opløsningsmiddel i vakuum, giver produktet (2-Methyl-N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine) som en olie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Efter disse protokoller er det muligt at oplade et prøveglas med en passende mængde kuldioxid at opnå kemiske reaktioner, der kræver CO2 atmosfærer. Presset opnåede i trin 1 er beregnet til at være ca 3 atmosfærer (Se diskussion for fastsættelsen af denne værdi), selv om på grund af delvis solvation, den observerede pres er 2 atmosfærer ved stuetemperatur, og bør være cirka 2,6 atmosfærer betingelser reaktion. Derfor, på betingelser i trin 1, 2-Methyl-4-phenyl-butanamine kan fås i 69% udbytte (figur 2). Ved første udrensning kolbe af luft gennem fordrivelse af sublimates CO2 (trin 2), kan udbyttet øges lidt til 72%. For at skelne mellem disse resultater på ~2.6 atmosfærer af pres, udføre reaktionen under 1 atmosfære af CO2 fremlægger ved hjælp af en standard Schlenk set-up den ønskede vare i kun 49% isolerede udbytte. Hvis ingen CO2 er brugt, eller hætteglasset er ikke forseglet korrekt og dermed en stabil CO2 atmosfære ikke vedligeholdes, derefter < 5% udbytte af den ønskede vare registreres af 1H NMR (ved hjælp af 1,1,2,2-tetrakloretan som referencestandard). I mellemtiden, skalering reaktion med en faktor 5 mens samtidigt ved hjælp af et større prøveglas (trin 3) kan stadig give produkt, omend i en lidt nedsat udbytte på 42%. Reaktionerne kan også udføres i pres reaktion rør (figur 1), i dette tilfælde giver mulighed for syntesen af 2-Methyl -N-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine i 40% udbytte (figur 3).

Figure 1
Figur 1. Reaktion fartøjer, der anvendes i denne undersøgelse. Fra venstre mod højre: 2 dram hætteglas, 10 Dram hætteglas, 35 mL pres Tube). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. 1 H NMR af 2-Methyl-4-phenyl-butanamine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. 1 H NMR 2-Methyl -Nielsen-(3-methylbenzyl)-4-phenylbutan-2-amine. 400 MHz, CDCl3, 298 K. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Kuldioxid lastning i tomme hætteglas
100 mg 125 mg 150 mg 175 mg 200 mg 225 mg 250 mg 275 mg 300 mg Legend
25º c √ = Stabile betingelser
60º x = ustabile betingelser
70ºC
80ºC
90ºC
Temperatur 100ºC
110ºC
120ºC
130ºC
140ºC
150ºC
160ºC

Tabel 1. Relativ stabilitet af 7,5 mL hætteglas baseret på CO2 belastning og temperatur. Hætteglassene var lastet med den nødvendige mængde af tøris, efterfulgt af straks forsegling med en PTFE-foret hætte. Hætteglassene blev straks sat i Pie-blokke bag en blast skjold i en fumehood, efterfulgt af opvarmning til 60 ° C, efterfulgt af at hæve 10 ° C hver time til et højdepunkt på 160 ° C. Hætteglassene var derefter afkøles og åbnede omhyggeligt for at bekræfte uden tab af CO2 pres havde fundet sted.

Kuldioxid lastning i tomme hætteglas
300 mg 325 mg 350 mg 375 mg 400 mg 425 mg 450 mg 475 mg 500 mg 525 mg Legend
25º c x √ = Stabile betingelser
60º x x = ustabile betingelser
70ºC x
80ºC x
90ºC x
Temperatur 100ºC x
110ºC x
120ºC x
130ºC x
140ºC x
150ºC x
160ºC x

Tabel 2. Relativ stabilitet på 40 mL hætteglas baseret på CO2 belastning og temperatur. Hætteglassene var lastet med den nødvendige mængde af tøris, efterfulgt af straks forsegling med en PTFE-foret hætte. Hætteglassene blev straks sat i Pie-blokke bag en blast skjold i en fumehood, efterfulgt af opvarmning til 60 ° C, efterfulgt af at hæve 10 ° C hver time til et højdepunkt på 160 ° C. Hætteglassene var derefter afkøles og åbnede omhyggeligt for at bekræfte uden tab af CO2 pres havde fundet sted.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved hjælp af van der Waals ligning af staten, kan den omtrentlige pres af disse systemer være beregnede45

EQ. 1:Equation

Under betingelserne i protokol 1, kan vi antage, 26,3 mg af CO2 giver n = 5.98 x 10-4 mols

Equation 1b

Som et groft skøn tyder dette på, at reaktionerne i protokol 1 blev udført under cirka 2,8 atmosfærer af CO2. Antager ubetydelig forskydning af den indfødte stemning i skibet (som nævnt ovenfor, en patina af frosne eddikesyre vil bremse den indledende sublimering af tøris, fremme bedre nøjagtighed i målingen af tilsat tøris), men det samlede pres ville derefter forventes at være modelleret bedre ved Daltons lov:

EQ. 2:Equation 2

Equation 2b

Denne model tager ikke hensyn til at nogle af gasserne vil blive opløst i opløsningsmidlet. I dette tilfælde var det nødvendigt at knytte en trykmåler tilstrækkeligt vurdere trykket. Ved at vedhæfte en septum til hætteglasset og indsætte en trykmåler, var det muligt at måle trykket ved stuetemperatur. De observerede pres over flere reaktioner var kun 15 ± 3 psi over atmosfærisk tryk (≈ 1 ± 0,2 atmosfærer) eller ca. 2 atmosfærer samlede. Selv om Henry konstant af CO2 i pæn eddikesyre ikke var let tilgængelige for sammenligning, er det kendt, at tilsætning af eddikesyre til vand forbedrer opløseligheden af CO2-46. Den anslåede pres ved stuetemperatur kunne beregnes ved hjælp af den tidligere tilgang:

Equation 5

Equation 6

Den forventede tryk vil derfor være en lidt lavere 3,3 atmosfærer ved stuetemperatur i mangel af gas opløse i opløsningsmidlet. Forskellen mellem de observerede og beregnede pres indebærer, at CO2 har relativt høj opløselighed i organiske opløsningsmidler. Forudsat ubetydelig forskel i mængden af opløst CO2 over temperaturområdet, vil en stigning i temperatur af 298 K til reaktion temperatur af 383 K øge presset inden 2 dram hætteglas til ~2.6 atmosfærer.

Tilstrækkeligt vurdere de praktiske driftsbetingelser, var 2 dram hætteglas set-up med varierende mængder af CO2, efterfulgt af screening på forskellige temperaturer. For at sikre sprøjtepersonalets sikkerhed, var hætteglassene kun opvarmet efter at blive placeret bag en blast skjold til at indeholde nogen hætteglas fiaskoer. Hvis hætteglassene blæste, betingelserne blev anset for alt for hård for hætteglassene. Gennem disse forsøg blev det fastslået, at CO2 lastning af op til 200 mg blev tolereret på 110 ° C i 2 dram (7,5 mL) hætteglas gennem konsekvent forsøg. Dette svarer til cirka 20.7 atmosfærer af pres baseret på den foregående fremgangsmåde, ikke modstå mængden gas opløst, hvilket kan mindske det samlede pres ved et par atmosfærer. Ud over 200 mg lastning, men ville prøveglas generelt eksplodere før target temperatur på 110 ° C. Forsigtighed bør udvises, når du ændrer betingelserne, men: I et scenario en relaterede reaktion blev forsøgt ved 160 ° C med kun 150 mg af CO2, men hætteglasset mislykkedes før den havde nået målet temperatur. Den største fare for at ændre reaktionen betingelser ville være fra øge lastning af CO2, da dette kan forårsage hætteglas mislykkes før sikre engineering objekter, såsom blast skjolde, kan gennemføres.

En potentiel begrænsning til denne strategi er manglen på data om stabiliteten i hætteglas under forskellige betingelser. Det var derfor nødvendigt at screene hætteglas for deres evne til at modstå forskellige belastninger under en række forskellige temperaturer. Dette blev indledt med 7,5 mL hætteglas (tabel 1). Hvert hætteglas blev anklaget for en forud fastsat mængde af tøris, efterfulgt af umiddelbar forsegling med en PTFE-foret skruelåg. Disse hætteglas blev observeret for at være tolerant over for disse betingelser, og mislykkedes ingen ved stuetemperatur. Temperaturen var så op for alle hætteglassene, og ingen eksplosioner skete under eksperimentet. Ved køling, blev hvert hætteglas åbnet for at bekræfte de havde fastholdt opretholdelse tryk i hovedbrandledningssystemet med CO2. Dette tyder på, at hætteglassene kan tåle op til 26,5 atmosfærer af pres, hvilket er i modsætning til reaktionsbetingelser i hvilke ~20.7 atmosfærer af pres var den ensartede grænse. Det anbefales derfor at opløsningsmiddel identitet og volumen være grundigt behandlet i afvigelse fra den offentliggjorte metode.

En lignende skærm for maksimal tolerance blev udført ved hjælp af 40 mL prøveglas (tabel 2). I dette tilfælde, en øvre grænse for CO2 lastning af Tom hætteglas var fast besluttet på at være 500 mg. over denne hætteglassene hurtigt mislykkedes ved stuetemperatur. Overraskende, den beregnede presset af de prøver, der begyndte at svigte ved stuetemperatur var ca 7 atmosfærer og ovenfor. Dette er i modsætning til hætteglasset indeholdende 500 mg af CO2, som var stabilt ved 160 ° C, der ville svare til et beregnet Tryk på lige under 10,5 atmosfærer. Disse resultater blev reproducerbare på tværs af forskellige hætteglas, men der er ingen klar forklaring på dette fænomen på dette tidspunkt. De betingelser, der er beskrevet i protokol 3, blev kun cirka 300 mg belastninger af CO2 tolereret. Men dette er faktisk i overensstemmelse med de tidligere forsøg, som de betingelser pres, ikke korrigeret for potentielle absorberingen af kuldioxid af opløsningsmidlet, ville være ca 10 atmosfærer. Nedsat stabilitet af de større hætteglas pres forventes, og tyder på, at disse procedurer udføres bedre i fartøjer, der har mindre diametre og tykkere vægge47.

Sammenfattende forventes denne protokol for at bruge tøris som en solid CO2 kilde i let tilgængelige glasvarer til at åbne nye retninger inden for syntetisk kemi. Ved at generere lav til moderat pres inde i forseglet hætteglas eller trykrørene, kuldioxid fiksering processer såsom carboxylering48,49,50, såvel som CO2 reduktion51, 52 , 53, kan opnås uden brug af dyrt specialudstyr. Dette nyligt vedtagne strategi vil lette fremskridt inden for revalorisering af CO2 ved indbygning i nyttige kemiske energiafgrøder som cyklisk karbonater, poly karbonater og carbamater54. Derudover strategien om at indføre CO2 som en solid kan også være fordelagtigt hvor blandinger af gasser er ønsket, såsom CO2 og CO, eller CO2 og H2, da dette muliggør tilføjelse af begge reagenser i en ikke-gasformige form. Selv om brugen af tøris at indføre flydende CO2 har været brugt til ekstraktion og kromatografi40,41,42,43,44, denne protokol for at indføre CO2 som en solid kan også være nyttigt for i situ generation af CO2(L) til brug som en reaktion opløsningsmiddel55,56,57, fremtiden arbejde at udforske andre anvendelser for dette tilgang, især kombinationen af CO2 med andre gas-prækursorer, er i øjeblikket undervejs i vores gruppe.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Brugen af CO2 som en lede gruppen for C-H aktivering af Lewis grundlæggende substrater er aktuelt fokus i USA foreløbig Patent #62/608, 074.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne anerkende start-up finansiering fra universitetet i Toledo, samt midler fra American Chemical Society's Herman Frasch Foundation i delvis støtte til dette arbejde. Mr. Thomas Kina er anerkendt for sin assistance med at udvikle en egnet manometer til at måle reaktion pres. Mr. Steve Modar er takkede til nyttige 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics