Achieving Moderate Pressures in Sealed Vessels Using Dry Ice As a Solid CO<sub>2</sub> Source

Mohit Kapoor; Pratibha Chand-Thakuri; Justin M. Maxwell; Michael C. Young

doi:10.3791/58281

JoVE Journal > Chemistry

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Chimie

Достижение умеренного давления в герметичных сосудов с помощью сухого льда в качестве источника твердых CO₂

Published: August 17, 2018

doi:

10.3791/58281

Mohit Kapoor², Pratibha Chand-Thakuri*^1,2, Justin M. Maxwell*^1,2, Michael C. Young²

¹Department of Chemistry and Biochemistry,University of Toledo, ²School of Green Chemistry and Engineering,University of Toledo

Summary

Здесь мы представляем протокол для проведения реакции в простой реакции сосудов под низким средним давлением CO₂. Реакции могут выполняться в различных судов просто управляющей диоксида углерода в виде сухого льда, без необходимости в дорогостоящих или разработки оборудования или установок.

Abstract

Здесь представлена общая стратегия для выполнения реакций под легкой до умеренной CO₂давления с сухим льдом. Этот метод устраняет необходимость для специализированного оборудования для достижения скромного давления и может использоваться даже для достижения более высокого давления в более специализированное оборудование и крепкий реакции сосудов. В конце реакции флаконов может быть легко редуктором, открыв при комнатной температуре. В настоящем примере CO₂ служит предполагаемый руководства группы, а также способ пассивации Амин субстратов, тем самым предотвращая окисление во время металлоорганические реакции. В дополнение к легко добавлены, руководство группы также удаляется под вакуумом, избавит от необходимости для обширных очистки для удаления руководства группы. Эта стратегия позволяет легким γ-C(sp³)-H арилирования алифатических аминов и имеет потенциал, чтобы применяться к целый ряд других реакций на основе аминов.

Introduction

Для использования газообразных соединений в химических реакциях обычно требуется специализированное оборудование и процедуры¹^,². В ходе лабораторных некоторые газы могут быть добавлены непосредственно из бака, используя регулятор высокого давления³. Альтернативный метод заключается в конденсации газ под криогенных условий⁴^,⁵. Несмотря на полезность, эти стратегии требуют использования специализированных давления реакторов с клапанами, которые могут быть дорого для параллельно многочисленные реакции. Поэтому это может значительно замедлить темпы, на какой реакции можно продолжить скрининга. В результате химики нашли желательно ввести эти соединения, с помощью альтернативных методов. Аммиака могут быть добавлены к реакциям, используя различные аммониевых солей карбоксилат, воспользовавшись слабым равновесия между этими соли и⁶свободный аммиак. Гидрирование передачи является важной стратегией для сокращения реакции олефины, карбонил и нитро групп, обходит использования легковоспламеняющихся водорода с соединениями, например аммония формате или гидразина как носители H₂⁷. Еще один газ интерес в этой области является окись углерода⁸ -CO может быть созданный в situ путем освобождения от металлических карбонильные комплексы⁹^,¹⁰, или в качестве альтернативы он может быть порождена decarbonylation от источников, таких как форматах formamides¹¹^,¹²^,¹³ или хлороформ¹⁴^,и¹⁵.

Один газ, который не пользуется значительным событием в этом отношении является двуокись углерода¹⁶. Одна из причин этого является, что множество преобразований, которые связаны с CO₂ также требуют высоких температур и давления и таким образом автоматически отводится специализированным реакторов¹⁷^,¹⁸. Недавние усилия для разработки более реактивный катализаторы, однако, облегчили выполнение многих из этих реакций под атмосферным давлением CO₂¹⁹^,²⁰^,^,²¹²². Недавно мы обнаружили реакции, в котором двуокиси углерода могут использоваться для посредничества γ-C (sp³) – H арилирования Алифатические амины²³. Ожидается, что эта стратегия была объединить преимущества подхода статической направляющей группы , включая Амида²⁴^,²⁵^,²⁶^,²⁷^,²⁸, сульфаниламиды ²⁹ ^, ³⁰ ^, ³¹ ^, ³²,³³^,thiocarbonyl³⁴или³⁵гидразоны-на основе направления групп (химическая robusticity), с легкостью переходных руководство группы (снижение шаг экономики)³⁶^, ³⁷^,^,³⁸³⁹.

Хотя реакция может происходить при атмосферном давлении CO₂, необходимость Шленк настройки экрана реакций, оказались чрезмерно медленно. Кроме того повышение давления, слегка привело к Улучшена реакция урожайности, но не могут быть достигнуты легко с помощью строки Шленк. Поэтому мы искали альтернативную стратегию, и впоследствии определены что сухого льда может легко использоваться как твердого источника CO₂ , которые могут быть добавлены к различным реакции сосудов представить необходимое количество углекислого газа для достижения умеренной давление (рис. 1). Хотя недостаточно в синтезе, аналогичная стратегия является довольно распространенным, как метод для создания жидкого CO₂ для хроматографии и извлечения приложений⁴⁰^,^,⁴¹⁴²^,⁴³^, ⁴⁴. Используя эту стратегию позволило нашей группы быстро экрана большого количества реакций параллельно, в то время как возможность доступа к умеренной CO₂ давления между 2-20 атмосфер имеют решающее значение для повышения урожайности реакций. В этих условиях начальных (1°) и средних (2°) амины может быть arylated с электронно богатых и бедных арил галогениды электронов.

Protocol

Предупреждение: 1) следующие протоколы были признаны безопасно через повторные испытания. Однако следует проявлять осторожность при герметизации флаконов, на протяжении реакции, и особенно при открытии реакции, как неоднородность в реакции флаконов может привести к неисправности обо?…

Representative Results

После эти протоколы это можно поручить реакции флакон с соответствующим количеством углекислого газа для достижения химических реакций, которые требуют CO2 атмосфер. Давление в шаге 1 рассчитывается как приблизительно 3 атмосфер (см. обсуждение для определения э?…

Discussion

С помощью ван дер Ваальса уравнение состояния, приблизительное давление этих систем может быть вычисляемых⁴⁵

Уравнение 1:

В условиях протокола 1, мы можем предположить 26,3 мг CO₂ дает n = 5,98 x 10^-4</sup…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы отметить начальное финансирование от Университет Толедо, а также средства от американского химического общества Фонд Германа Frasch в частичной поддержке этой работы. Г-н Томас Кина признается за его помощь в разработке подходящих манометр для измерения давления реакции. Г-н Стив Modar поблагодарил за полезные дискуссии.

Materials

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.

References

Verboom, W. Selected Examples of High-Pressure Reactions in Glass Microreactors. Chemical Engineering and Technology. 32 (11), 1695-1701 (2009).
Schettino, V., Bini, R. Constraining Molecules at the Closest Approach: Chemistry at High Pressure. Chemical Society Reviews. 36, 869-880 (2007).
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).
Mo, F., Dong, G. Regioselective Ketone α-Alkylation with Simple Olefins via Dual Activation. Science. 345 (6192), 68-72 (2014).
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).
Dong, L., Aleem, S., Fink, C. A. Microwave-Accelerated Reductive Amination Between Ketones and Ammonium Acetate. Tetrahedron Letters. 51 (39), 5210-5212 (2010).
Wang, D., Astruc, D. The Golden Age of Transfer Hydrogenation. Chemical Reviews. 115 (13), 6621-6686 (2015).
Morimoto, T., Kakiuchi, K. Evolution of Carbonylation Catalysis: No Need for Carbon Monoxide. Angewandte Chemie International Edition in English. 43 (42), 5580-5588 (2004).
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).
Ren, W., Yamane, M. Mo(CO)6-Mediated Carbamoylation of Aryl Halides. Journal of Organic Chemistry. 75 (24), 8410-8415 (2010).
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).
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).
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).
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).
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).
Chen, P., Xu, C., Yin, H., Gao, X., Qu, L. Shock Induced Conversion of Carbon Dioxide to Few Layer Graphene. Carbon. , 471-476 (2017).
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).
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).
Juliá-Hernández, F., Moragas, T., Cornella, J., Martin, R. Remote Carboxylation of Halogenated Aliphatic Hydrocarbons with Carbon Dioxide. Nature. 545, 84-88 (2017).
North, M., Pasquale, R. Mechanism of Cyclic Carbonate Synthesis from Epoxides and CO2. Angewandte Chemie International Edition. 48 (16), 2946-2948 (2009).
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).
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).
Kapoor, M., Liu, D., Young, M. C. Carbon Dioxide Mediated C(sp3)–H Arylation of Amine Substrates. J. Am. Chem. Soc. , (2018).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
Rodriguez, N., Romero-Revilla, J. A., Fernández-Ibáñez, M. &. #. 1. 9. 3. ;., 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).
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).
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).
Tran, A. T. Practical Alkoxythiocarbonyl Auxiliaries for Ir(I)-Catalyzed C-H Alkylation of Azacycles. Angewandte Chemie International Edition. 56 (35), 10530-10534 (2017).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
Barcena, H., Chen, P. An Anesthetic Drug Demonstration and an Introductory Antioxidant Activity Experiment with "Eugene, the Sleepy Fish.&#34. Journal of Chemical Education. 93, 202-205 (2016).
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).
Fishbane, P. M., Gasiorowicz, S. G., Thornton, S. T. . Physics for Scientists and Engineers. , (2005).
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).
Luo, J., Larrosa, I. C-H Carboxylation of Aromatic Compounds Through CO2 Fixation. ChemSusChem: Chemistry & Sustainability, Energy & Materials. 10, 3317-3332 (2017).
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).
Banerjee, A., Dick., G. R., Yoshino, T., Kanan, M. W. Carbon Dioxide Utilization via Carbonate-Promoted C-H Carboxylation. Nature. 531, 215-219 (2016).
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).
Chabolla, S. A., Yang, J. Y. For CO2 Reduction, Hydrogen-Bond Donors Do the Trick. ACS Central Science. 4, 315-317 (2018).
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).
Liu, Q., Wu, L., Jackstell, R., Beller, M. Using carbon dioxide as a building block in organic synthesis. Nature Communications. 6, 5933-5945 (2015).
Hâncu, D., Green, J., Beckman, E. J. H2O2 in CO2 Sustainable Production and Green Reactions. Accounts of Chemical Research. 35, 757-764 (2002).
Ballivet-Tkatchenko, D., Camy, S., Condoret, J. S., Lichtofouse, E., Scwarzbauer, J., Robert, D. Carbon Dioxide, a Solvent and Synthon for Green Chemistry. Environmental Chemistry. , 541-552 (2005).
Hyatt, J. A. Liquid and Supercritical Carbon Dioxide as Organic Solvents. Journal of Organic Chemistry. 49, 5097-5101 (1984).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citer Cet Article

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).