הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ניטור בזמן אמת של תגובות בוצעו באמצעות רציפה זרימת עיבוד: הכנת 3-Acetylcoumarin כדוגמא

9.4K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/52393

⸱

18 בנובמבר 2015

 , 
1Department of Chemistry, University of Connecticut

במאמר זה

סיכום

ניטור בזמן אמת מאפשר לאופטימיזציה מהירה של תגובות בוצעו באמצעות זרימה רציפה עיבוד. הנה הכנת 3-acetylcoumarin משמשת כדוגמא. המנגנון לביצוע באתר ניטור ראמאן מתואר, כמו גם את הצעדים הנדרשים כדי לייעל את התגובה.

תקציר

באמצעות ניטור מוטבע, ניתן לייעל את התגובות בוצעו באמצעות זרימה רציפה עיבוד בצורה פשוטה ומהירה. זה גם אפשרי כדי להבטיח את איכות מוצר עקבית לאורך זמן שימוש בטכניקה זו. אנחנו כאן מראים כיצד ממשק זרימת יחידה זמינה מסחרי עם ספקטרומטר ראמאן. תא זרימת ראמאן ממוקם אחרי הרגולטור חזרה בלחץ, מה שאומר שזה יכול להיות מופעל בלחץ אטמוספרי. בנוסף, העובדה שזרם המוצר עובר דרך באורך של צינורות לפני הכניסה לתא הזרימה אומרת שהחומר הוא על RT. חשוב שהספקטרום נרכש בתנאי בידוד תרמיים מאז עוצמת אות ראמאן תלוי בטמפרטורה. לאחר שכנס את המנגנון, אז אנחנו מראים כיצד לפקח תגובה כימית, הסינתזה-זרז piperidine של 3-acetylcoumarin מacetoacetate salicylaldehyde ואתיל משמשת כדוגמא. התגובה יכולה להתבצע על פני טווח של ספיקותטמפרטורות ד, כלי הניטור באתר בשימוש כדי לייעל את התנאים בפשטות ובקלות.

מבוא

על ידי שימוש בזרימה רציפה עיבוד, כימאים מוצאים כי הם יכולים לבצע מגוון של תגובות כימיות בבטחה, ביעילות, בקלות ו1,2. כתוצאה מכך, ציוד זרימת כימיה הופך כלי נפרד להפעלת תגובות הן בהגדרות תעשייתיות כמו גם מעבדות מחקר במוסדות אקדמיים. מגוון רחב של שינויים בכימיה סינטטיים בוצע בזרימת כורים 3,4. במקרים נבחרים, תגובות שלא עובדות ביצוו הוכחו כדי להמשיך בצורה חלקה תחת זרימה רציפה תנאי 5. עבור שתי אופטימיזציה התגובה ובקרת איכות, שילוב של תגובה ב- קו ניטור עם זרימת עיבוד מציע יתרונות משמעותיים. ב- קו ניטור מספק ניתוח רציף עם תגובה בזמן אמת לתנאי מדגם בפועל. זה מהר יותר, ובמקרים מסוימים, יותר אמין יותר מאשר להשוות טכניקות off-line. מספר טכניקות אנליטיות באונליין כבר ממשק עם Fכורים נמוכים 7. דוגמאות כוללות אינפרא אדום 8,9, UV לעין 10,11, 12,13 NMR, ספקטרוסקופיית ראמאן 14,15, וספקטרומטר מסת 16,17.

קבוצת המחקר שלנו ממשק ספקטרומטר ראמאן עם מיקרוגל יחידה מדעית 18. שימוש זה, מגוון של תגובות היה במעקב מבחינה 19 וכמותיים 20 איכותית. בונה על הצלחה זו, יש לנו לאחרונה ממשק ספקטרומטר ראמאן עם אחד מהזרימה רציפה היחידות שלנו והעסקנו אותו לניטור תגובה ב- קו של מספר השינויים אורגניים רפואה-רלוונטי מפתח. 21 בכל מקרה ניתן היה לפקח על תגובות וגם בדוגמא אחת, בדרך של עקומת כיול, אנחנו יכולים לקבוע המרת מוצר מנתוני הרפאים ראמאן. בכאן אנו מתארים כיצד להגדיר את המנגנון ולהשתמש בו כדי לעקוב אחר תגובות. אנו משתמשים בסינתזה-זרז piperidine של 3-ACetylcoumarin (1) מsalicylaldehyde עם acetoacetate אתיל (איור 1) כתגובת מודל כאן.

figure-introduction-1
איור 1. בסיס זרז תגובת עיבוי בין salicylaldehyde וacetoacetate אתיל להניב 3-acetylcoumarin (1). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. מצא את האותות מתאימים לניטור תגובה

  1. להשיג ספקטרום ראמאן עבור כל חומרים מתחילים והמוצר.
  2. כיסוי ספקטרום ולזהות להקה אינטנסיבית שהיא ייחודי למוצר.
  3. השתמש בלהקת ראמאן זו כדי לנטר את ההתקדמות של התגובה. להקה ב1,608 סנטימטר -1 נבחרה במקרה זה.

2. הגדרת תא הזרימה

  1. להשיג תא זרימה מתאים. כאן השתמשתי באחת עם הממדים הבאים: רוחב של 6.5 מ"מ, גובה של 20 מ"מ, ואורך מסלול של 5 מ"מ (איור 2 א).
  2. מניחים את תא הזרימה במכל שמספק סביבה חופשית של אור הסביבה.
  3. חיבור צינורות לכניסה והיציאה של תא הזרימה (בצינורות מזהה PFA מ"מ מקרה זה 1).

3. ממשק ספקטרומטר ראמאן עם תא הזרימה

  1. להשיג ספקטרומטר ראמאן מתאים עם הרכבה אופטית גמישה שיכול להיות ממוקם בגלאבד את הקרבה לתא הזרימה.
  2. הנח את המכלול האופטי דרך פתח בגודל מתאים בתיבה המכילה את מכלול תא זרימה (איור 2).
  3. חלק את המכלול האופטי עד שהוא נוגע תא הזרימה ולאחר מכן למשוך אותו בחזרה והשאיר פער של ~ 2 מ"מ.
  4. מלא את תא הזרימה עם אצטון 100%.
  5. הפעל את ספקטרומטר ראמאן ולרכוש ספקטרום במצב רציף סריקה.
  6. פוקוס הלייזר בעדינות על ידי הזזת צינור אור חלק בכל פעם. להמשיך לנוע צינור האור עד האות היא בעוצמה הגדולה ביותר שלה והפסגות הן חדות ומוגדרים היטב.

figure-protocol-1
איור 2. (א) תא זרימה וממשק (ב) ראמאן משמש. אנא לחץ כאן לצפייה גדולה יותר version של נתון זה.

4. הכן מגיב ופתרונות מרכך

  1. להוסיף salicylaldehyde (6.106 גרם, 50 mmol, equiv 1) וacetoacetate אתיל (6.507 גרם, 50 mmol, equiv 1) לבקבוק נפח 50 מיליליטר.
  2. להוסיף אתיל אצטט להיקף כולל של 50 מ"ל ולאחר מכן מערבב היטב את התוכן.
  3. העבר את aliquot 10 מיליליטר של פתרון המניות לבקבוקון זכוכית 20 מיליליטר מכיל בר ומערבבים מגנטי. תווית "מגיב". זה בקבוקון
  4. במקום בקבוק 100 מיליליטר 90 מיליליטר של אתיל אצטט. תווית הבקבוק הזה "ממס". במקום בקבוק 100 מיליליטר 90 מיליליטר של אצטון. תווית הבקבוק הזה "ליירט ממס".

5. מכינים את מכשירי הזרימה

  1. ודא שיש זרימת היחידה לפחות שתי משאבות ולתייג אותם "P1" ו- "P2". לזהות קווי כניסת ממס ומגיבים לכל משאבה. מניחים את קווי יציאה מהקווים "לאסוף" "פסולת" לשניבקבוקי ndividual 100 מיליליטר שכותרתו "מוצר" ו- "בזבוז", בהתאמה.
  2. כמו כור, להשתמש קיבולת סליל PFA 10 מיליליטר מסוגל להיות מחומם.
  3. חבר את צינור יציאת P1 לכניסה של סליל כור PFA.
  4. התקן קטון אתר polyether שלוש יציאות (פיק) טי-מיקסר לאחר סליל הכור.
  5. חבר את צינור יציאת P2 לטי-המיקסר, 180 מעלות מצינורות יציאת סליל כור. חבר חתיכת הצינור ליציאה השלישית של טי-המיקסר. בצד השני של צינור זה מקום רגולטור חזרה בלחץ.
  6. חבר קו מהתפוקה של הרגולטור חזרה בלחץ לקלט של תא הזרימה. חבר קו מהתפוקה של תא הזרימה ל" / הפסולת לאסוף "המתג.
  7. ראש קווי הממס עבור P1 ו- P2, כמו גם את הקו מגיב לP1 עם ממס. הזז את הקו מגיב לP1 מבקבוק הממס לבקבוק מגיב.
  8. באמצעות P1, לעבור אתיל אצטט באמצעות הכורסליל ב 2 מיליליטר / דקה עד שהוא מלא. לעבור אצטון באמצעות P2 בקצב זרימה של 2 מיליליטר / דקה ל -2 דקות.
  9. התאם את ספיקות ממס עבור P1 ו- P2 עד 1 מיליליטר / דקה. הגדר את הרגולטור חזרה בלחץ ללחץ של 7 בר. הגדר את טמפרטורת סליל כור לטמפרטורה הרצויה.
  10. בדוק היטב את הציוד מוגדר כפי שמוצג בסכמטי באיור 3.
  11. ברגע שהמערכת מגיעה לטמפרטורה ולחץ קבועים, לבדוק אם קיים דליפה ולאחר מכן להפעיל את התגובה.

figure-protocol-2
איור 3. סכמטי של תצורת הציוד המשמשת לניסויי ניטור תגובה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

6. צג התגובה

  1. טאקסריקת EA רקע של אתיל אצטט / מערכת ממס אצטון כפי שעבר בתא הזרימה. זה יהיה באופן אוטומטי יופחת מכל הסריקות אחריו.
  2. הגדר את ספקטרומטר לקחת סריקות בכל 15 שניות (במקרה זה ספקטרומטר ראמאן נקבע לזמן אינטגרציה 10 שניות, קרון = 3, וממוצע = 1).
  3. הזרק piperidine (0.05 מיליליטר, 0.05 mmol, 0.1 equiv) בבת אחת לתוך בקבוקון הזכוכית שכותרתו "מגיב".
  4. לאחר ערבוב ביסודיות, P1 מתג מ" ממס "ל" מגיב ". הגדר את זרם יציאה ל" לאסוף".
  5. כאשר כל החומר טעון, P1 מתג מ" מגיב "בחזרה ל" ממס." לגמרי המשך זורם ממס דרך סליל הכור למשך 30 דקות נוספות. ברגע שזה זמן שחלף, לכבות את החימום.
  6. תור משאבות P1 ו- P2 כבוי כאשר טמפרטורת סליל הכור התקררה אל מתחת ל -50 מעלות צלזיוס.

7. לנתח את הנתונים

  1. לייצא את נתוני ספקטרומטר ראמאן לעצמת ראמאן גיליון אלקטרוני ועלילה ב1,608 סנטימטר -1 לעומת זְמַן.
  2. כדי לייעל את התנאים, לבצע את התגובה פני מספר ספיקות וטמפרטורות כור באופן חוזר ונשנה.
  3. חלקות כיסוי של עוצמת ראמאן ב1,608 סנטימטר -1 לעומת זְמַן.
    הערה: עוצמה גבוהה יותר ראמאן בקורלציה עם המרת מוצר גבוהה יותר.

8. הפעל את התגובה באמצעות תנאים אופטימליים

  1. יש תנאים שונים הוקרנו (ספיקות משתנות / כור טמפרטורות), להפעיל את התגובה באמצעות התנאים מותאמים להרשות לעצמם את המרת המוצר הגבוהה ביותר.

9. לבודד את המוצר

  1. קח את תכולת בקבוק המוצר ולשפוך אותו לתוך כוס המכילה 100 מיליליטר של קרח ו -20 מיליליטר של 2 M HCl.
  2. יש לשטוף את בקבוק המוצר עם כמות מינימאלית של אתיל אצטט (2 מיליליטר) ולהעביר לכוס.
  3. מערבבים את התערובת הקפואהעד שכל הקרח נמס לחלוטין.
  4. הגדר את מערכת סינון עם משפך הירש, בקבוק בצד זרוע, צווארון גומי ואורך של צינורות ואקום גומי.
  5. סנן את המשקע וכתוצאה מכך תחת ואקום, לשטוף עם אתר קר diethyl (10 מיליליטר) ולאפשר לו להתייבש תחת מנורת חום (2-3 שעות) או O היבש / N תחת ואקום.
  6. לאשר את זהותו של המוצר על ידי 1 ספקטרוסקופיה H תהודה מגנטית גרעינית (NMR) באמצעות CDCl 3 כממס. לספקטרומטר תמ"ג 500 MHz, 1 נתוני H NMR של 3-acetylcoumarin הוא כדלקמן: δ = 2.73 (ים, 3 H) 7.31-7.40 (מ ', 2 H) 7.65 (DDD, J = 7.53, 4.37, 2.60 הרץ , 2 H) 8.51 (ים, H 1) לדקה, 13 נתונים C NMR: δ = 30.84 (CH 3) 117.00 (CH) 118.56 (C) 124.86 (CH) 125.27 (CH) 130.51 (134.68 (C CH)) 147.74 155.64 (C) 159.52 (C) 195.77 עמודים לדקה (ג) (CH).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

הזרימה רציפה הכנת 3-acetylcoumarin נבחרה כתגובת נציג לניטור באונליין. בתצוו, התגובה ממשיכה גם בעת שימוש באתיל אצטט כממס. עם זאת, המוצר (1) הוא לא לגמרי מסיס בRT. כדי למנוע סתימת פוטנציאל של הרגולטור חזרה בלחץ, כמו גם להקטין את הסיכון שיש חלקיקים מוצקים בתא הזרימה שהיה להפריע רכישת אות, השתמשנו בטכניקה שפותחנו בעבר במשך 22 זה ותגובות אחרות. אנו יורטו זרם המוצר לאחר סליל התגובה עם אצטון לsolubilize המוצר ולאפשר לו לעבור בתא הזרימה ולגבות לחץ רגולטור באין ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

הקלות שבה ניתן ממשק ספקטרומטר ראמאן עם זרם היחידה עושה את הטכניקה חשובה לניטור תגובה זו מוטבעת. מספר משתני תגובה יכול להיות נחקר באופן מזורז, המאפשר למשתמש להגיע בתנאי תגובה מותאמים מהר יותר מאשר בעת שימוש בשיטות לא מקוונות. יישום של הטכניקות מתוארות במסמך זה גם מאפשר לניטור של ההיווצרות של מוצרי צד, בהנחה ניתן למצוא להקה מתאימה. יכולים להיות מוקרנים תנאים ונבחרו, המאפשרים גם להמרה הגבוהה ביותר של מוצר, וגם את הכמות הנמוכה ביותר של טומאה. ניטור כמותי של תגובות הוא גם אפשרי. מאז עו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

תמיכה כספית הניתנת על ידי הקרן הלאומית למדע (פרס קריירה CHE-0847262. אנו מודים ל-Vapourtec Ltd ול-Enwave Optronics על התמיכה בציוד, ולדניאל דאלב מאוניברסיטת קונטיקט על עזרתו בבניית מנגנון תאי הזרימה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
סליצילאלדהידסיגמא-אולדריץ'S356ריאגנט דרגנט, 98%
אתיל אצטואצטטאקרוס אורגני11797001099%
פיפרידיןסיגמא-אולדריץ'104094ריאגנט פלוס, 99%
חומצה הידרוכלוריתסיגמא-אולדריץ'320331מגיב ACS, 37%
אתיל אצטטסיגמא-אולדריץ'34858CHROMASOLV, עבור HPLC, >99.7%
אצטוןסיגמא-אולדריץ'650501CHROMASOLV, עבור HPLC, >99.9%
תא זרימהתאי583.65.65-Q-5/Z20
יחידת זרימהVapourtecE-series
ספקטרומטר רמאןEnwave Optronics Incדגם EZRaman-L
סטארנה

מקורות

  1. Wiles, C., Watts, P. Micro Reaction Technology in Organic Synthesis. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2011).
  2. van den Broek, S. A. M. W., et al. Continuous Flow Production of Thermally Unstable Intermediates in a Microreactor with Inline IR-Analysis: Controlled Vilsmeier–Haack Formylation of Electron-Rich Arenes. Org. Process Res. Dev. 16 (5), 934-938 (2012).
  3. Baxendale, I. R. The integration of flow reactors into synthetic organic chemistry. J. Chem. Technol. Biotechnol. 88 (4), 519-552 (2013).
  4. Malet-Sanz, L., Susanne, F. Continuous Flow Synthesis. A Pharma Perspective J. Med. Chem. 55 (9), 4062-4098 (2012).
  5. Hartwig, J., Metternich, J. B., Nikzad, N., Kirschning, A., Ley, S. V. Continuous flow chemistry: a discovery tool for new chemical reactivity patterns. Org. Biomol. Chem. 12 (22), 3611-3615 (2014).
  6. De Beer, T., et al. Near infrared and Raman spectroscopy for the in-process monitoring of pharmaceutical production processes. Int. J. Pharm. 417, 32-47 (2001).
  7. McMullen, J. P., Jensen, K. F. Integrated microreactors for reaction automation: New approaches to reaction development. Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 19-42 (2010).
  8. Moore, J. S., Jensen, K. F. Automated multitrajectory method for reaction optimization in a microfluidic system using online IR analysis. Org. Process Res. Dev. 16 (8), 1409-1415 (2012).
  9. Carter, C. F., et al. ReactIR Flow Cell: A New Analytical Tool for Continuous Flow Chemical Processing. Org. Process Res. Dev. 14 (2), 393-404 (2010).
  10. Ferstl, W., et al. Inline Analysis in Microreaction Technology: A Suitable Tool for Process Screening and Optimization. Chem. Eng. Technol. 30 (3), 370-378 (2007).
  11. Benito-Lopez, F., et al. Optical fiber-based on-line UV/Vis spectroscopic monitoring of chemical reaction kinetics under high pressure in a capillary microreactor. Chem. Commun. (22), 2857-2859 (2005).
  12. Gökay, O., Albert, K. From single to multiple microcoil flow probe NMR and related capillary techniques: a review. Anal. Bioanal. Chem. 402 (2), 647-669 (2012).
  13. Jones, C. J., Larive, C. K. Could smaller really be better? Current and future trends in high-resolution microcoil NMR spectroscopy. Anal. Bioanal. Chem. 402 (1), 61-68 (2012).
  14. Mozharov, S., et al. Improved Method for Kinetic Studies in Microreactors Using Flow Manipulation and Noninvasive Raman Spectrometry. J. Am. Chem. Soc. 133 (10), 3601-3608 (2011).
  15. Chaplain, G., Haswell, S. J., Fletcher, P. D. I., Kelly, S. M., Mansfield, A. Development and evaluation of a Raman flow cell for monitoring continuous flow reactions. Aust. J. Chem. 66 (2), 208-212 (2013).
  16. Browne, D. L., et al. Continuous flow reaction monitoring using an on-line miniature mass spectrometer. Rapid Comm. Mass. Spectrosc. 26 (17), (1999).
  17. Koster, S., Verpoorte, E. A decade of microfluidic analysis coupled with electrospray mass spectrometry: An overview. Lab Chip. 7 (11), 1394-1412 (2007).
  18. Leadbeater, N. E., Schmink, J. R., Hamlin, T. A. Tools for Monitoring Reactions Performed Using Microwave Heating. Microwaves in Organic Synthesis. de la Hoz, A., Loupy, A. 1, Third Edition, Wiley-VCH. Weinheim, Germany. 327-376 (2012).
  19. Leadbeater, N. E., Schmink, J. R. Use of Raman spectroscopy as a tool for in situ. monitoring of microwave-promoted reactions. Nature Protoc. 3 (1), 1-7 (2008).
  20. Schmink, J. R., Holcomb, J. L., Leadbeater, N. E. Use of Raman spectroscopy as an In Situ. Tool to Obtain Kinetic Data for Organic Transformations. Chem. Eur. J. 14 (32), 9943-9950 (2008).
  21. Hamlin, T. A., Leadbeater, N. E. Raman spectroscopy as a tool for monitoring mesoscale continuous-flow organic synthesis: Equipment interface and assessment in four medicinally-relevant reactions. Beilstein J. Org. Chem. 9, 1843-1852 (2013).
  22. Kelly, C. B., Lee, C., Leadbeater, N. E. An approach for continuous-flow processing of reactions that involve the in situ. formation of organic products. Tetrahedron Lett. 52 (2), 263-265 (2011).
  23. Frisch, M. J., et al. Gaussian 09, Revision A.02. , Gaussian, Inc.. Wallingford, CT. Available from: http://www.gaussian.com/ (2009).
  24. Wren, S. N., Donaldson, D. J. Glancing-angle Raman spectroscopic probe for reaction kinetics at water surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 2648-2654 (2010).
  25. Leadbeater, N. E., Smith, R. J. Real-Time Monitoring of Microwave-Promoted Suzuki Coupling Reactions Using in Situ. Raman Spectroscopy. Org. Lett. 8 (20), 4589-4591 (2006).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

Back Pressure RegulatorIn situ
ניטור בזמן אמת של תגובות בוצעו באמצעות רציפה זרימת עיבוד: הכנת 3-Acetylcoumarin כדוגמא
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.