Ugi反应已被证明是快速构建多样化合物库的一种便捷方法。该反应通常在室温下于甲醇中进行，涉及胺、醛、羧酸和异腈的反应。在本视频中，我们使用配备过滤管的48孔Mettler-Toledo MiniBlock，以及Mettler-Toledo MiniMapper自动化液体处理系统来添加试剂和溶剂。所考察的关键参数包括反应浓度、溶剂组成以及部分试剂的过量程度。
本文内容
摘要
摘要
描述了一种Ugi反应的优化过程，该反应涉及呋喃甲胺、苯甲醛、Boc-甘氨酸和叔丁基异氰化物的混合。报道了三组平行实验，每组包含48个平行反应，通过改变反应物浓度、溶剂种类以及部分试剂的过量程度进行考察。产物通过简单的过滤和洗涤步骤实现分离。在0.4 M甲醇溶液中使用1.2当量亚胺时获得了最高产率，达到66%，显著高于初始反应在0.4 M甲醇中等摩尔浓度条件下的49%产率。试剂浓度为0.4 M或0.2 M的甲醇溶液表现出更优的产率，而所有0.07 M的溶剂体系表现均较差。在0.2 M条件下，甲醇以及乙醇/甲醇（60/40）混合溶剂在统计学上表现相当良好，而四氢呋喃/甲醇（60/40）体系表现较差，乙腈/甲醇（60/40）则处于中等水平。这些重复实验中沉淀产物的产率具有良好的可重复性，从而能够明确识别出微弱的交互作用效应。
方案
引言
Ugi反应已被证明是快速构建多样化合物库的一种便捷方法（1-3）。该反应通常在室温下于甲醇中进行，涉及胺、醛、羧酸和异腈的反应。Ugi反应常被用作合成药理活性分子的工具，我们已利用该反应在寻找新型抗疟药物的过程中快速获得目标化合物（4）。研究发现，Ugi反应产物有时会以纯品形式直接从反应混合物中析出（1,5）。这是一个非常有利的结果，因为此时反应可轻易放大，而无需使用柱层析等昂贵的纯化步骤。因此，优化仅通过过滤反应混合物即可直接获得的Ugi产物收率将具有重要意义。为此，我们采用了一台配备过滤管的48孔Mettler-Toledo MiniBlock（6），并使用Mettler-Toledo MiniMapper（7）自动化液体处理系统来加入试剂和溶剂。所考察的关键参数包括反应浓度、溶剂组成以及部分试剂的过量程度。
实验方法
将MiniMapper自动化液体处理仪编程，以按以下顺序向48孔MiniBlock中的空滤管加入液体：额外溶剂、糠胺（甲醇中2 M）、苯甲醛（甲醇中2 M）、Boc-甘氨酸（甲醇中2 M）和叔丁基异氰酸酯（甲醇中2 M）。默认加样体积为100 µL。若某试剂注明过量添加，则加入120 µL。随后将MiniBlock置于摇床中反应16小时，再通过实验室真空系统进行过滤。通过向每根滤管中加入甲醇（1 mL）并振荡15分钟后过滤的方式进行两次洗涤。然后将滤管置于真空干燥器中高真空条件下干燥至少30分钟。产率根据滤管重量的增加计算得出。每种溶剂体系和浓度取一个样品通过氢核磁共振（H NMR）测定纯度。每个反应重复进行三次（8–10次），平均产率列于表1中。
Ugi 反应产物的表征
叔丁基 (2-{[2-(叔丁基氨基)-2-氧代-1-苯基乙基](呋喃-2-基甲基)氨基}-2-氧代乙基)氨基甲酸酯：白色固体；熔点（11）202–204 °C；¹H NMR（12，谱图）（500 MHz，δ ppm，CDCl₃）1.33（s，9H），1.45（s，9H），4.21（m，2H），4.49（d，J = 18 Hz，1H），4.50（d，J = 18 Hz，1H），5.47（s，1H），5.60（s，1H），5.62（s，1H），5.89（s，1H），6.10（s，1H），7.19（s，1H），苯基 7.21–7.37（m，5H）；¹³C NMR（13，谱图）（500 MHz，δ ppm，CDCl₃）28.3，28.6，42.3，42.8，51.7，62.9，79.5，107.7，110.4，128.5，128.7，129.6，134.7，141.9，149.8，155.7，168.4，170.2；IR（14，谱图）（Ʋmax cm⁻¹ ATR）：1645，1673，1699，3331；FAB-HRMS（15，谱图）（C₂₄H₃₃N₃O₅ 计算值 m/z 444.2498 [M+H]⁺，实测值 444.2517）
数据分析
使用 Microsoft Excel 中的单因素或双因素（含重复）方差分析（ANOVA）工具对沉淀产率数据进行分析。(16) 对于方差分析中发现具有统计学显著性的变量，采用 Fisher 最小显著性差异（LSD）检验来确定在 Ugi 沉淀物产率上存在显著差异的具体实验条件。(17) 所有显著性检验均在 95% 置信水平下进行。
结果与讨论
图1总结了溶剂组成对Ugi沉淀产率的影响。单因素方差分析表明，在0.2 M试剂浓度下，四种溶剂的平均产率之间存在显著差异。Fisher最小显著性差异（LSD）检验显示，在95%置信水平下，甲醇和乙醇中获得的沉淀产率无统计学差异（图中溶剂名称上方的横线表示）；乙醇和甲醇中的Ugi沉淀产率显著高于乙腈，而乙腈中的产率又显著高于四氢呋喃（THF）。
图1： 在试剂浓度为0.2 M时，溶剂组成对Ugi沉淀产率影响的总结。所列溶剂包括在此浓度下的40%甲醇。
考虑到试剂浓度的影响，表1中的数据显示，当使用甲醇、乙醇和乙腈作为溶剂时，浓度从0.2 M降低至0.07 M时，产率急剧下降；而在甲醇中，0.2 M与0.4 M浓度下的产率相近。需要注意的是，Ugi反应通常在0.5–2 M的浓度范围内进行（2）。然而，当使用自动化液体处理仪时，起始试剂溶液的浓度往往难以显著超过2 M，因此最终反应浓度的实际上限约为0.5 M。本优化研究的结果提示，在解释低于0.2 M条件下的Ugi反应成功与否时应谨慎，因为显然存在非线性效应的影响。
图2总结了在试剂浓度为0.2 M时，溶剂组成和试剂过量对Ugi反应沉淀产率的影响。双因素方差分析结果表明，溶剂种类和试剂过量均具有统计学上的显著效应。此外，这两个变量之间存在显著的交互作用。图2揭示了交互作用的细节，显示沉淀产率受所用溶剂的影响。请注意，图中各因素上方的误差线表示在95%置信水平下，这些产率之间无统计学差异。对于乙醇和甲醇，当亚胺或异腈过量时获得最高的产率；而对于乙腈，当胺、醛或异腈过量时，结果显著改善。如上文对表1结果的讨论所述，以四氢呋喃（THF）作为溶剂时，总体沉淀产率较低，仅当亚胺过量时，沉淀产率才有统计学意义上的显著提高。这四种溶剂在提高产率方面的不同模式导致了显著的交互作用效应，可能表明Ugi产物与不同溶剂之间的相互作用存在差异。尽管表1中的数值结果显示，在0.4 M甲醇中使用1.2当量过量的亚胺时获得最高产率，但0.2 M乙腈/甲醇和0.2 M乙醇/甲醇混合溶剂也提供了显著的产率。尤其需要注意的是，所有0.2 M的THF/甲醇混合溶剂体系均表现出极差的结果。Ugi反应已在多种溶剂中成功进行，包括THF（2）。请注意，此处的低产率并不意味着Ugi反应在THF混合溶剂中未发生，而仅说明未形成沉淀。
图2： 在试剂浓度为0.2 M时，溶剂组成和试剂过量对Ugi沉淀产率影响的总结。所列溶剂包含在此浓度下的40%甲醇。
图3总结了使用甲醇作为溶剂时，试剂浓度和过量试剂对Ugi沉淀产率的影响。双因素方差分析结果表明，试剂浓度和过量试剂均具有统计学上的显著效应。如上所述，在0.2 M和0.4 M的试剂浓度下，沉淀产率显著高于0.07 M（但0.2 M与0.4 M之间无显著差异）。此外，所研究的两个变量之间存在统计学上显著的交互作用。需要注意的是，在较高试剂浓度下，随着过量试剂种类的不同，沉淀产率的提升趋势总体上保持一致。
图3：甲醇溶剂中浓度和试剂过量对Ugi沉淀产率影响的总结。
总体而言，图2和图3中描述的结果表明，溶剂选择、试剂浓度以及过量试剂的种类之间存在相互作用，但总体而言，这些相互作用的影响比单纯的溶剂效应和浓度效应更为细微。其他研究者在优化Ugi反应时也发现了类似结果（18）。
结论
优化实验在48次运行中发现，使用0.4 M甲醇和1.2当量亚胺时产率最高，达到66%。这一结果显著高于在0.4 M甲醇中等摩尔浓度条件下初始反应获得的49%产率。在这些重复实验中，沉淀产率表现出良好的可重复性，从而能够明确识别出微弱的相互作用效应。
致谢
感谢 Andrew Lang 在数据图形化呈现方面的协助。感谢梅特勒-托利多公司提供开展实验工作所需的设备和材料。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 | |
|---|---|---|---|---|
| 糠基胺 | 试剂 | Sigma-Aldrich | F20009 | |
| 苯甲醛 | 试剂 | Sigma-Aldrich | 12010 | |
| Boc-甘氨酸 | 试剂 | TCI America | B1185 | |
| 叔丁基异氰化物 | 试剂 | TCI America | B1274 |
参考文献
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- Domling, A. Recent Developments in Isocyanide Based Multi-Component Reactions in. Applied Chemistry, Chem. Rev.. 106, (2006).
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- Analysis details available at http://usefulchem.wikispaces.com/space/showimage/EXP201-203_KO-A.xls. , Forthcoming.
- Montgomery, D. C. Design and Analysis of Experiments. Nature Protocols. , 6th ed., Holt, Rinehart, and Winston. Hoboken, NJ. (2005).
- Tye, H., Whittaker, M. Use of a Design of Experiments approach for the optimisation of a microwave assisted Ugi reaction. Org. Biomol. Chem.. 2, 813-813 (2004).
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