Optimierung der Ugi-Reaktion mit Parallel Synthese und Automated Liquid Handling
11. November 2008
Die Ugi-Reaktion hat sich als eine bequeme Möglichkeit, um schnell diverse Bibliotheken von Verbindungen sein. Es geht um die Reaktion eines Amins mit einem Aldehyd, einer Carbonsäure und ein Isonitril in der Regel in Methanol bei Raumtemperatur. In diesem Video, verwenden wir ein 48-Slot Mettler-Toledo MiniBlock mit Filtration Rohren und einem Mettler-Toledo MiniMapper automatisierten Liquid Handler verwendet wurde, um die Reagenzien und Lösungsmittel liefern ausgestattet. Die Parameter des Interesses standen die Konzentration, der Zusammensetzung des Lösungsmittels und der Überschuss von einigen der Reagenzien.
Die UI-Reaktion beinhaltet das Mischen von vier Komponenten, einem Aldehyd und einem Amin, einer Carbonsäure und einem ISO-Nitril. Es ist eine bequeme Reaktion zur Generierung verschiedener Bibliotheken und wurde in der Vergangenheit zur Synthese von Anti-Malaria-Wirkstoffen verwendet. Die spezielle UGI-Reaktion, die hier demonstriert wird, beinhaltet die Reaktion von Ole Amin Aldehyd, B Glycin und T Butyl iso nitril.
Bei dieser Reaktion entsteht ein UI-Produkt als Niederschlag, wenn sie mit einer molaren Konzentration von 0,5 molaren Methanol durchgeführt wird. Hallo, ich bin Jean Floyd Bradley. Mein Labor befindet sich im Fachbereich Chemie der Drexel University.
Hallo, ich bin Dr. Bradley's, Doktorand, haha Meza. Heute stellen wir die Optimierung einer Yugi-Reaktion mit den Mini-Mapper- und Mini-Block-Technologien von METTLER TOLEDO vor. Zuerst werden wir den Mini-Mapper so programmieren, dass er Liquid Handling durchführt.
Zweitens führen wir die Isolierung des Produkts mit paralleler Filtration durch. Und schließlich führen wir die Charakterisierung mit IR- und NMR-Techniken durch. Also fangen wir an.
Der Mini-Block ist ein Werkzeug von Metler Toledo, mit dem Sie Reaktionen parallel durchführen können. Dieser Miniblock besteht aus einer sechs mal acht großen Anordnung von Röhren mit einem Filter an der Basis. Diese Röhrchen können etwa 3,5 Milliliter Lösungsmittel verarbeiten.
Ein Ventil am Boden des Miniblocks wird während der Zugabe von Reagenzien geschlossen gehalten und später wieder geöffnet. Wenn Sie für den Filtrationsschritt bereit sind, variieren Sie drei Parameter für diese Reaktion und betrachten die Auswirkungen auf die Ausbeute des isolierten Produkts. Erste. Der Überschuss von einem oder zwei Reagenzien wird in jeder Reihe variiert.
Dann werden das Lösungsmittel und die Konzentration zwischen den Reihen variiert. Bei der Planung von Experimenten ist es sinnvoll, eine gemeinsame Online-Tabelle wie Google Docs zu verwenden, die dann bequem in die Mini-Mapper-Software kopiert werden kann. Dieser Aufbau ermöglicht ein gewisses Crowdsourcing des Versuchsdesigns, bei dem Menschen aus der ganzen Welt Teile des Experiments planen können, ohne wissen zu müssen, wie der Liquid Handler zu betreiben ist.
Im ersten Schritt werden die leeren Röhrchen mit einer Genauigkeit von 0,1 Milligramm gewogen. Der Miniblock wird dann abgedichtet, geschlossen und auf das Liquid-Handler-Deck montiert. In diesem Experiment werden vier Reagenzflaschen und vier Lösungsmittelflaschen verwendet.
Der Liquid Handler verwendet einen Roboterarm, der mit einer Spritze ausgestattet ist, und kann mit der Spritzenpumpe jede Quelle an jeden Bestimmungsort auf dem Gestell liefern. Der aktuelle Aufbau verwendet eine 10-Milliliter-Spritze, die mindestens 100 Mikroliter genau abgeben kann. Um Reagenzien zu sparen, fügen Sie entweder 100 oder 120 Mikroliter jeder vorbereiteten Reagenzlösung hinzu.
Bei Methanol in zweimolaren Konzentrationen läuft die Reaktion in fünf Schritten ab. Zuerst wird das Lösungsmittel in jedes Röhrchen gegeben. So variieren Sie die Konzentration und die Zusammensetzung des Lösungsmittels.
Dann wird die Immunlösung in alle Röhrchen gegeben, gefolgt von dem Aldehyd, der Säure und dem ISO-Nitril. Dies dauert etwa eine Stunde. Anschließend wird der Miniblock aus dem Liquid Handler entfernt.
Sie können deutlich sehen, dass es in jedem Rohr klare Lösungen gibt. Dies ist wichtig, da Sie sicherstellen möchten, dass alle Reagenzien in allen Lösungsmitteln löslich sind. In der Regel dauert es etwa 30 Minuten, bis sich der erste Niederschlag gebildet hat.
Der Miniblock wird auf einen Shaker montiert und über Nacht zum Mischen gelassen. Nach etwa 16 Stunden wird der Miniblock aus dem Shaker genommen, und man kann sehen, dass die meisten Röhrchen Ausfällungen haben. Der Miniblock wird nun auf einen Auffangsockel montiert und das Ventil für alle Filterrohre auf einmal geöffnet.
Es wird ein Vakuum angelegt und der Niederschlag wird auf dem Filter jedes Rohres aufgefangen. Anschließend wird das Ventil geschlossen und in jedes Röhrchen ein Milliliter Methanol gegeben. Mit einer Mikropipette wird der Miniblock für 15 Minuten auf den Schüttler gelegt.
Dieser Waschschritt wird noch einmal wiederholt. Nach der letzten Wäsche wird der Staubsauger 30 Minuten lang eingeschaltet. Anschließend werden die Röhrchen für eine Stunde unter Hochvakuum in ein Trockenmittel überführt.
Nachdem die Rohre getrocknet sind, werden sie wieder gewichtet, und die Niederschlagsmenge wird durch Abzug des Leergewichts bestimmt. Leider gibt es bei den Röhrchen so viel Variabilität, dass jedes einzelne leer gewogen werden muss. Eine Probe aus jedem Lösungsmittelsystem wird mittels NMR analysiert, um sicherzustellen, dass alle Produkte rein sind: 700 Mikroliter debewertetes Chloroform werden in ein Reaktionsröhrchen gegeben, um den Niederschlag aufzulösen.
Die Lösung wird dann auf eine NMR-Röhre, eine 500 Megahertz Varian Unity, übertragen. Das Innova NMR-Instrument wird verwendet, um ein Protonen-NMR-Spektrum zu erhalten. Sobald das Gerät angemeldet ist, wird die NMR-Software gestartet, der Referenzstandard im Gerät wird herausgenommen und die Probe wird in den Spinner gelegt und in das Gerät eingesetzt.
Die Probe wird dann gesperrt, geshimmt und auf Spin-Parameter für ein Proton eingestellt. NMR werden geladen, und es wird dann ein Spektrum als J Camp DX-Datei erhalten, das online mit einem Standardbrowser angezeigt werden kann. Die Spektren können auf einem lokalen Server gehostet oder in ChemSpider hochgeladen werden, so dass Forscher, die nach diesem Molekül suchen, die Daten sofort verwenden können.
Zur weiteren Analyse der Probe wird die IR-Spektroskopie mit einem PerkinElmer FTIR Spectrum 1000 Instrument durchgeführt. Die Software ist angemeldet. Die obere Platte des A TR wird entfernt, abgewischt und mit einem Ethanol-Seifentuch gereinigt.
Auf den A TR wird ein sauberer Glasschieber aufgesetzt und angeschraubt, und das Kraftmessgerät wird auf ca. 90 Stück eingestellt. Nach der Entnahme eines Hintergrundspektrums wird das Probenspektrum erhalten und für eine A-TR-Korrektur verarbeitet. Das IR-Spektrum wird auch als J Camp DX-Datei für die Online-Anzeige bezogen.
Der große Unterschied zwischen der parallelen Durchführung einer Reaktion und einem Rundkolben besteht darin, dass der organische Chemiker neue Fragen stellen und Annahmen systematisch in Frage stellen kann. Durch die Einbeziehung des automatisierten Liquid Handlings in die Gleichung kann der Chemiker mehr Zeit damit verbringen, über das Projekt auf hohem Niveau nachzudenken, und muss sich weniger mit den Details jedes Versuchslaufs beschäftigen. Wir hoffen, dass dieses Video Ihnen einige Ideen für Ihre eigenen Reaktionen gibt.
Danke fürs Zuschauen.
Übersicht
Die Ugi-Reaktion ist eine vielseitige Methode zur Synthese diversifizierter Verbindungsbibliotheken durch Kombination eines Amins, Aldehyds, Carbonsäure und Isonitrils. Diese Studie demonstriert die Optimierung der Ugi-Reaktion unter Verwendung automatisierter Flüssigkeits-Handling-Technologien.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Chemie
- Organische Synthese
- Automatisierte Flüssigkeitsdosierung
Hintergrund
- Die Ugi-Reaktion ermöglicht die schnelle Erzeugung von Verbindungsbibliotheken.
- Sie wurde bereits früher bei der Synthese von antimalarischen Verbindungen eingesetzt.
- Diese Studie konzentriert sich auf die Optimierung der Reaktionsparameter zur Verbesserung der Ausbeuten.
- Automatisierte Systeme steigern die Effizienz und Reproduzierbarkeit chemischer Experimente.
Zweck der Studie
- Optimierung der Ugi-Reaktion unter Verwendung der MiniMapper- und MiniBlock-Technologien von Mettler-Toledo.
- Untersuchung der Auswirkungen variierender Reagenzkonzentrationen und Lösungsmittelzusammensetzungen.
- Aufzeigen der Vorteile automatisierter Flüssigkeitsdosierung in der organischen Synthese.
Verwendete Methoden
- Nutzung eines 48-Plätze-Mettler-Toledo-MiniBlock für parallele Reaktionen.
- Automatisierte Flüssigkeitsdosierung mit dem Mettler-Toledo-MiniMapper.
- Filtration und Isolierung der Produkte mittels Vakuumsystem.
- Charakterisierung der Produkte mittels NMR- und IR-Spektroskopie.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Synthese von Ugi-Produkten mit variierenden Ausbeuten in Abhängigkeit vom Reagenzüberschuss.
- Nach Beendigung der Reaktion wurden klare Niederschläge beobachtet.
- Die Charakterisierung bestätigte die Reinheit der synthetisierten Verbindungen.
- Die automatisierte Handhabung verringerte den manuellen Arbeitsaufwand und erhöhte die experimentelle Durchsatzleistung.
Schlussfolgerungen
- Die Studie unterstreicht die Effizienz automatisierter Systeme bei der Optimierung chemischer Reaktionen.
- Die Variation von Reaktionsparametern beeinflusst die Produktausbeute erheblich.
- Die automatisierte Flüssigkeitsdosierung ermöglicht es Chemikern, sich auf die Planung komplexerer Projekte zu konzentrieren.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die Optimierung mehrkomponentiger Reaktionen durch parallele Synthese und automatisierte Flüssigkeitshandhabung ermöglicht eine schnelle Erkundung des chemischen Raums zur Identifizierung von Leitverbindungen. Dieser Ansatz erhöht die Vorhersagesicherheit in der frühen Entdeckungsphase, indem er systematisch Reagenzienverhältnisse, Lösungsmittelwirkungen und Konzentrationsvariablen bewertet. Die resultierenden Daten unterstützen fundierte Go/No-Go-Entscheidungen bei der Erstellung von Verbindungsbibliotheken und verringern Risiken bei nachfolgenden Syntheseaktivitäten.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung von Reaktionsbedingungen, um optimale Bedingungen für die Bibliothekssynthese zu identifizieren und unterstützt die Hypothesenprüfung in der medizinischen Chemie.
- Operativer Wert: Erleichtert die schnelle Untersuchung von Reagenzüberschüssen und Lösungsmittelkombinationen, um Ausbeute und Reproduzierbarkeit zu maximieren.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative Ausbeutedaten über 48 parallele Bedingungen hinweg und ermöglicht dadurch die statistische Analyse subtiler Wechselwirkungseffekte.
- Operativer Wert: Standardisiert die Produktisolierung durch parallele Filtration und Waschung und verbessert so die Reproduzierbarkeit zwischen den Wiederholungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Bestätigt die Produktreinheit und -identität durch NMR- und IR-Charakterisierung und gewährleistet zuverlässiges Material für nachgeschaltete Untersuchungen.
- Operativer Wert: Bietet eine skalierbare Plattform zur Erzeugung von Substanzbibliotheken, die in phänotypischen Screenings oder zielgerichteten Assays eingesetzt werden können.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in frühe Entdeckungsworkflows, indem sie die schnelle und reproduzierbare Synthese vielfältiger Verbindungen für Screening-Kampagnen ermöglicht.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Leitstruktur-Identifizierung durch die Erzeugung vielfältiger chemischer Bibliotheken mittels optimierter Mehrkomponentenreaktionen.
- Screening: Stellt prüfungsreife Verbindungen mit konsistenter Reinheit und Ausbeute bereit, um zuverlässige Struktur-Wirkungs-Beziehungen zu ermöglichen.
- Analytik: Bietet quantitative Ausbeutemessungen und spektroskopische Daten, um Reaktionsbedingungen zu vergleichen und die Optimierung zu leiten.
- Translationale Forschung: Gewährleistet Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Phase, indem gut charakterisierte Verbindungen bereitgestellt werden, die für biologische Tests geeignet sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattform für die parallele Synthese, die an andere Mehrkomponentenreaktionen in medizinisch-chemischen Programmen angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Reaktionsoptimierung durch systematische Variation von Parametern und wiederholte Tests.
- Operationaler Wert: Steigert die Durchsatzleistung und verringert den manuellen Arbeitsaufwand durch automatisierte Flüssigkeitshandhabung und parallele Verarbeitung.
- Strategischer Wert: Verbessert die Ressourceneffizienz, indem der Reagenzienverbrauch minimiert und die Durchlaufzeiten für die Bibliothekssynthese verkürzt werden.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine datengestützte Priorisierung synthetischer Synthesewege basierend auf Ausbeute, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in organischer Synthese und automatisierten Flüssigkeitsmanipulationssystemen.
- Benötigt Instrumente, die eine präzise Reagenzienzudosierung und parallele Verarbeitung ermöglichen (z. B. robotischer Flüssigkeitsmanipulator mit Spritzenpumpe).
- Setzt eine Standardisierung der Protokolle über verschiedene Teams hinweg voraus, um eine konsistente Durchführung der Schritte Reagenzienzugabe, Mischen, Filtrieren und Waschen sicherzustellen.
- Erfordert Anpassungsüberlegungen beim Übertragen des Protokolls auf andere Lösungsmittelsysteme oder Reagenzienkombinationen, die über die getesteten hinausgehen.
- Beinhaltet praktische Einschränkungen, wie beispielsweise die Notwendigkeit individuellen Probengefäßwägens, um Variabilität auszugleichen, sowie die Abhängigkeit von der Fällung des Produkts zur Isolierung.
