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精確化學(xué)展現(xiàn)：微波技術(shù)下的惰性反應(yīng)環(huán)境
01 引言
微波加熱技術(shù)在眾多合成轉(zhuǎn)化中得到了應(yīng)用，這些轉(zhuǎn)化包括納米材料組裝、聚合反應(yīng)以及小分子合成。1-3幾乎任何傳統(tǒng)的加熱轉(zhuǎn)化都可以適應(yīng)微波輻射，包括那些使用敏感的合成單元和過渡金屬催化劑的反應(yīng)。4微波加熱的好處包括減少廢物產(chǎn)生、提高產(chǎn)品純度以及縮短反應(yīng)時間。
圖1：從二芐基取代的醛亞胺（或二苯甲酮取代的酮亞胺）生成2-氮雜烯丙基陰離子
微波輻射所帶來的提高的反應(yīng)速率使得快速反應(yīng)優(yōu)化和化合物庫篩選成為可能。當與自動進樣器配件配合使用時，如 CEM 的 Discover® 2.0 配備 12 位或 48 位自動進樣器，可以同時準備多個實驗并排隊依次運行，從而進一步提高了生產(chǎn)效率。然而，對于使用敏感試劑的實驗來說，自動進樣器的成功應(yīng)用依賴于反應(yīng)容器在排隊等待和反應(yīng)后保持惰性氣氛的能力。
為了證明 Discover® 2.0 的 10 毫升和 35 毫升容器保持惰性氣氛的能力，進行了一項使用2-氮雜烯丙基陰離子的研究。2-氮雜烯丙基陰離子是通過二芐基取代的醛亞胺（和二苯甲酮取代的酮亞胺）去質(zhì)子化生成的（圖1），由于其在胺組裝中的實用性而受到了廣泛關(guān)注。5-8 形成后，2-氮雜烯丙基陰離子呈現(xiàn)出鮮艷的顏色（通常是紫色），并且在淬滅后變?yōu)闊o色透明（圖2）。這種顯著的顏色變化使得可以方便地觀察容器的氣氛條件。
圖2：2-氮雜烯丙基陰離子溶液在形成時呈現(xiàn)鮮艷的顏色（通常為紫色），在淬滅后變?yōu)闊o色透明
02 材料與方法
試劑
雙(三甲基硅基)氨基鉀（KHMDS）和無水四氫呋喃（THF）均購自西格瑪奧德里奇（Sigma Aldrich，密蘇里州圣路易斯）。α-苯基-N-(亞芐基)苯甲胺（醛亞胺）根據(jù)已建立的文獻步驟制備5，所用到的二芐胺、苯甲醛、硫酸鈉、二氯甲烷和己烷均購自西格瑪奧德里奇（Sigma Aldrich，密蘇里州圣路易斯）。
程序5
暴露于大氣中
在預(yù)熱至 180°C 的干燥 10 毫升反應(yīng)容器中，配備攪拌磁子，加入α-苯基-N-(亞芐基)苯甲胺（亞胺，27.1毫克，0.100毫摩爾，1.00等量）和雙(三甲基硅基)氨基鉀（KHMDS, 21.9毫克，0.110毫摩爾，1.10等量）。然后，向反應(yīng)容器中加入無水四氫呋喃（THF, 2.0毫升），并將溶液在室溫下攪拌，直至深紫色溶液變?yōu)闊o色（使用35毫升反應(yīng)容器的實驗操作相同，但反應(yīng)規(guī)模加倍）。
穿刺硅膠帽
在預(yù)熱至 180°C 的干燥 10 毫升反應(yīng)容器中，配備攪拌磁子，加入α-苯基-N-(亞芐基)苯甲胺（亞胺，27.1毫克，0.100毫摩爾，1.00等量）和雙(三甲基硅基)氨基鉀（KHMDS, 21.9毫克，0.110毫摩爾，1.10等量）。然后，用一個帶有聚四氟乙烯襯墊的硅膠帽密封小瓶，并用氮氣沖洗。迅速用一個新的、未被針刺的聚四氟乙烯襯墊硅膠帽替換原來的帽子，并通過注射器（20G）向反應(yīng)容器中加入無水四氫呋喃（THF, 2.0毫升）。將溶液在室溫下攪拌，直至深紫色溶液變?yōu)闊o色（使用35毫升反應(yīng)容器的實驗操作相同，但反應(yīng)規(guī)模加倍）。
未穿刺的硅膠帽
在預(yù)熱至 180°C 的干燥 10 毫升反應(yīng)容器中，配備攪拌磁子，加入α-苯基-N-(亞芐基)苯甲胺（亞胺，27.1毫克，0.100毫摩爾，1.00等量）和雙(三甲基硅基)氨基鉀（KHMDS, 21.9毫克，0.110毫摩爾，1.10等量）。然后，用一個帶有聚四氟乙烯襯墊的硅膠帽密封小瓶，并用氮氣沖洗。在氮氣沖洗的同時，通過注射器向反應(yīng)容器中加入無水四氫呋喃（THF, 2.0毫升），并迅速用一個新的、未被針刺的聚四氟乙烯襯墊硅膠帽替換原來的帽子。將溶液在室溫下攪拌，直至深紫色溶液變?yōu)闊o色（使用35毫升反應(yīng)容器的實驗操作相同，但反應(yīng)規(guī)模加倍）。
帶穿刺硅膠帽的微波加熱
在預(yù)熱至 180°C 的干燥 10 毫升反應(yīng)容器中，配備攪拌磁子，加入α-苯基-N-(亞芐基)苯甲胺（亞胺，27.1毫克，0.100毫摩爾，1.00等量）和雙(三甲基硅基)氨基鉀（KHMDS, 21.9毫克，0.110毫摩爾，1.10等量）。然后，用一個帶有聚四氟乙烯襯墊的硅膠帽密封小瓶，并用氮氣沖洗。迅速用一個新的、未被針刺的聚四氟乙烯襯墊硅膠帽替換原來的帽子，并通過注射器（20G）向反應(yīng)容器中加入無水四氫呋喃（THF, 2.0毫升）。然后將容器放入Discover 2.0微波腔體中，將溶液加熱至 100°C。加熱 20分 鐘后，讓溶液冷卻至室溫并繼續(xù)攪拌，直至深紫色溶液變?yōu)闊o色（使用 35 毫升反應(yīng)容器的實驗操作相同，但反應(yīng)規(guī)模加倍）。
未穿刺硅膠帽的微波加熱
在預(yù)熱至 180°C 的干燥 10 毫升反應(yīng)容器中，配備攪拌磁子，加入α-苯基-N-(亞芐基)苯甲胺（亞胺，27.1毫克，0.100毫摩爾，1.00等量）和雙(三甲基硅基)氨基鉀（KHMDS, 21.9毫克，0.110毫摩爾，1.10等量）。然后，用一個帶有聚四氟乙烯襯墊的硅膠帽密封小瓶，并用氮氣沖洗。在氮氣沖洗的同時，通過注射器向反應(yīng)容器中加入無水四氫呋喃（THF, 2.0毫升），并迅速用一個新的、未被針刺的聚四氟乙烯襯墊硅膠帽替換原來的帽子。然后將容器放入 Discover® 2.0 微波腔體中，將溶液加熱至 100°C。加熱 20 分鐘后，讓溶液冷卻至室溫并繼續(xù)攪拌，直至深紫色溶液變?yōu)闊o色（使用35毫升反應(yīng)容器的實驗操作相同，但反應(yīng)規(guī)模加倍）。
03 結(jié)果
2-氮雜烯丙基陰離子溶液在形成后 4-6 分鐘內(nèi)暴露于大氣中攪拌時會被淬滅。正如所預(yù)期的，當2-氮雜烯丙基陰離子溶液在惰性氣氛（無水無氧）下攪拌時，2-氮雜烯丙基陰離子的壽命大大延長（表1）。雖然使用了穿刺硅膠帽，但在室溫下，35 毫升容器中的2-氮雜烯丙基陰離子持續(xù)了 1 小時，而在 10 毫升容器中則持續(xù)了 4 小時。在 100°C 加熱 20 分鐘后，使用穿刺硅膠帽的兩個容器都能夠使2-氮雜烯丙基陰離子溶液維持更長時間：35 毫升容器為 1.5 小時，而 10 毫升容器則超過 6 小時。當使用未穿刺的硅膠帽時，尤其成功，無論加熱程序和容器大小如何，2-氮雜烯丙基陰離子都被維持了 6 小時以上。
表1：不同大氣和溫度條件下2-氮雜烯丙基陰離子的壽命
實驗 | 微波加熱時間 | 陰離子猝滅： 10 ml 容器 | 陰離子猝滅： 35 ml 容器 |
暴露于大氣中 | N/A | 6 min | 4 min |
穿刺 硅膠蓋 | N/A | 4 h | 1 h |
未穿刺硅膠蓋 | N/A | 6+ h | 6+ h |
穿刺硅膠蓋 +微波 | 20 min, 100℃ | 6+ h | 1.5 h |
未穿刺硅膠蓋 +微波 | 20 min, 100℃ | 6+ h | 6+ h |
04 結(jié)論
Discover® 2.0 10 毫升和 35 毫升容器能夠維持惰性氣氛超過 6 小時。雖然使用穿刺硅膠帽的容器在室溫下靜置和/或攪拌時可能會降低效果，但在微波輻射后，這種影響被抵消了。然而，使用未穿刺硅膠帽的容器能夠保持敏感合成子和試劑的壽命，無論加熱程序如何。這種能力促進了敏感反應(yīng)條件與自動進樣技術(shù)的配合使用，從而提高了工作流程效率和生產(chǎn)力。
參考文獻
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