ניצול של עצור זרימת מיקרו-אבובים כורים לפיתוח של המרות אורגני
January 4th, 2018
פרוטוקול להקרנה התגובה אורגני באמצעות לעצור זרימת מיקרו-אבובים (SFMT) כורים העסקת המגיבים גז ו/או האור מתווכת תגובות מוצג.
המטרה הכוללת של ניסוי זה היא לסנן תגובות באמצעות פלטפורמת כור מיקרו-צינורות עצירת זרימה המשלבת אלמנטים הן מכורי זרימה רציפה והן מכורי אצווה. המצאנו את הטכנולוגיה הזו כדי להתגבר על הבעיות שמערכת זרימת המיקרו-צינורות הרציפה אינה יעילה לתגובה בקנה מידה קטן כמו גם לסינון תגובות. ההבדל בין מערכת כור המיקרו-צינורות שלנו לבין מערכת תגובת מיקרו-צינורות רציפה, הוא שיש שני שסתומים לפני ואחרי כל מיקרו-צינורות במערכת שלנו.
היתרונות העיקריים של טכניקה זו הם שהיא ירוקה, בטוחה, קלה לשימוש לסינון תגובה, ויעילה יותר מכורי ספסל קונבנציונליים, אך כרוכה בטרנספורמציה אורגנית. להכנת כור מיקרו-צינורות עצירת זרימה, עטפו 300 סנטימטרים של צינורות PFA בטוהר גבוה לטבעת צרה. אבטח את הצינור עם קשרי רוכסן.
וחבר שסתום כיבוי לכל קצה. קל לבנות כור SFMT, ולכן אנו פשוט מכינים תגובת SMFT עבור כל מצב לסינון. חבר את הכור לווסת לחץ אחורי של 20 psi ולאביזר T בלחץ נמוך המחובר למיכל גז אצטילן, באמצעות שסתום מחט.
טבלו את קצה התלבושת הרגולטורית של הלחץ האחורי באצטון. לאחר מכן, הניחו 58.5 מיליגרם של 4-יודואניסול, בבקבוק תחתון עגול של 10 מ"ל עם מוט ערבוב. הוסיפו לבקבוק 8.5 מיליגרם של ביס(טריפנילפוספין) פלדיום כלוריד, 1 מיליגרם של יודיד נחושת, 80 מיקרו-ליטר של DIPEA ו-2.5 מיליליטר של דימתיל סולפוקסיד.
עצרו את הבקבוק בעזרת מחיצת גומי והתחילו לערבב את התערובת בטמפרטורת החדר. השתמשו בבלון מלא בארגן כדי להוציא את התערובת מהגז למשך 15 דקות תוך כדי ערבוב. לאחר סיום הסרת הגזים, הסר את מחט האוורור, ואחריה את מכלול הבלון.
לאחר מכן, השתמש באורך קצר של צינורות PFA בטוהר גבוה ובהתאמת מחט לואר כדי לצייד מזרק נירוסטה של שמונה מיליטר במחט ארוכה. הכנס את המחט דרך המחיצה לתחתית הבקבוק. ושאבו את נוזל התגובה לתוך המזרק.
נתק את המזרק מהמחט. אבטח את המזרק במשאבת מזרק, וחבר את המזרק למתקן ה-T המצטרף לכור SMFT ולגז האצטילן. נקה את הצינור בגז אצטילן עד שנצפתה בועה בווסת הלחץ האחורי.
לאחר מכן, התחל להעמיס את תערובת התגובה לתוך הכור במהירות של 300 מיקרו ליטר לדקה. השתמש בשסתום המחט כדי לכוונן את קצב זרימת האצטילן עד שיחס הנוזל לגז בין אביזר ה-T לשסתום הסגירה של כניסת הכור יהיה אחד לאחד. סגור את שסתום הסגירה של יציאת הכור לאחר שכל תערובת התגובה נטענה לתוך הצינור והתערובת מתחילה לדלוף משקע ווסת הלחץ האחורי.
לחץ על הכור עם אצטילן עד שתערובת התגובה אינה ניידת בכור. לאחר מכן, סגור את שסתום הסגירה של כניסת הכור ואת שסתום המחט. נתק את הכור מהמערכת והנח אותו באמבט שמן סיליקון, המחומם לטמפרטורת התגובה הרצויה, והקפיד לשמור על שסתומי הכיבוי נקיים מהשמן.
השאירו את הכור באמבט השמן למשך שעה. לאחר מכן, השתמש בהקסין כדי לשטוף את שמן הסיליקון מהכור. השתמש במזרק נירוסטה של שמונה מיליליטר כדי לדחוף את תערובת התגובה מהכור לבקבוקון של 20 מיליליטר.
שטפו את השאריות לתוך הבקבוקון עם ארבעה מיליליטר של אתר דיאתיל. שוטפים את התערובת עם ארבעה מיליליטר של תמיסת אמוניום כלוריד רוויה מימית, ומחלצים את המוצר ל -1.5 מיליליטר אתר דיאתיל. קבע את התשואה עם GC-MS.
כדי לנקות את המערכת, השתמש במשאבת המזרק כדי לשטוף את הצינור עם ממס שישמש בתגובה הבאה. יבש את המערכת בגז חנקן למשך 20 דקות. כדי לבנות את כור SFMT, עטפו 340 סנטימטרים של צינורות PFA בטוהר גבוה לתוך טבעת והתאימו את הקצוות עם שסתומי כיבוי.
לאחר מכן, שלב את הריאגנטים לתגובה בבקבוקון של 10 מיליליטר ואטום את הבקבוקון במכסה קצה מחיצת סיליקון. מסירים את התערובת למשך 15 דקות בעזרת בלון ארגן. הסר את המחטים לאחר הסרת הגז.
חבר את הכור לקו גז ארגן באמצעות גוף איחוד שיא, וטהר את ארגון הכור למשך חמש דקות. לאחר מכן, סגור את שני שסתומי הכיבוי של הכור כדי לשמר את אווירת הארגון. לאחר מכן, הצטיידו במזרק של שלושה מיליליטר במחט ארוכה.
חודרים את מחיצת הבקבוקון ומושכים את תערובת התגובה המעורבת מראש למזרק. לאחר מכן, הפוך את המזרק והקש בעדינות על הבוכנה עד שכל הבועות יוצאות, והשאיר רק את תערובת התגובה במזרק. נער בעדינות את המזרק כדי להבטיח הומוגניות.
השתמש במתאם לואר כדי לחבר את המזרק לכור SFMT. פתח את שני שסתומי הכיבוי והכניס את תערובת התגובה לכור, באופן ידני או באמצעות משאבת מזרק. סגור את שני שסתומי הכיבוי, והנח את הכור במרכז פס LED כחול.
יש להקרין את התערובת למשך חמש עד 48 שעות, לפי הצורך. לאחר מכן, השתמש במזרק של שלושה מיליליטר כדי לדחוף את תערובת התגובה לבקבוק תחתון עגול ונקי. שוטפים את השאריות לתוך הבקבוק עם עודף אתר דיאתיל כדי להשיג את המוצר הגולמי.
רכז את המוצר וקבע את שיעור ההמרה באמצעות ניתוח תמ"ג פרוטון, על ידי הוספת כמות מתאימה של 1, 3, 5 טרימתוקסיבנזן כסטנדרט פנימי. ראשית, עטפו 300 סנטימטרים של צינורות PFA בטוהר גבוה לטבעת צרה, והתאימו את הקצוות עם שסתומי כיבוי. חבר את הכור לווסת לחץ אחורי, ולהתאמת T בסדרה עם שסתום המחט ומיכל גז אצטילן.
לאחר מכן, באטמוספירה אינרטית, ממיסים את הריאגנטים ושלושה מיליליטר אצטוניטריל, בבקבוקון של 10 מיליליטר. אוטמים את הבקבוקון בעזרת מכסה ומחיצת סיליקון. הסר את תערובת התגובה עם ארגון באמבט קרח למשך 10 דקות.
לאחר מכן, הסר את מחטי הגז והאוורור, ו-56 מיקרו-ליטר DIPEA לתערובת. הוציאו את התערובת באמבט קרח למשך חמש דקות נוספות. הסר את המחטים בסיום.
לאחר מכן, צייר את תערובת התגובה למזרק נירוסטה בנפח שמונה מיליליטר המצויד במחט ארוכה. חבר את המזרק למשאבת מזרק, וחבר את המזרק לאביזר ה-T של מכלול SFMT. נקה את הצינור בגז אצטילן.
לאחר מכן, התחל לשאוב את התערובת לתוך הצינור במהירות של 100 מיקרו ליטר לדקה. התאם את קצב זרימת האצטילן כדי להשיג יחס של שניים לאחד, גז לנוזל, ואת הצינור בין אביזר ה-T לשסתום הסגירה של כניסת הכור. לאחר שתערובת התגובה נטענה במלואה לתוך הכור, סגור את שסתום הסגירה של יציאת הכור.
לחץ על הכור עד שהתערובת משותקת בצינור. לאחר מכן, סגור את שסתום הסגירה של כניסת הכור ואת שסתום המחט. העבירו את הכור לאמבט מים מחומם הממוקם מתחת לנורות LED כחולות, תוך שמירה על השסתום מעל המים.
תנו לתערובת להגיב במשך שלוש שעות. לאחר מכן, העבירו את תערובת התגובה לבקבוק תחתון עגול, ושטפו את הצינור עם עודף אתר דיאתיל. רכז את תערובת התגובה לקבלת המוצר הגולמי.
קבע את יחס המוצרים עם ניתוח פלואור 19 MNR. צימודי סונוגשירה של ארבעה אניסול איוטו עם גז אצטילן, הוערכו ב-11 תנאים שונים באמצעות מספר כורי SFMT ומקבילים תנאי ה-SMFT האופטימליים הביאו להמרה וסלקטיביות טובות יותר ממה שהושגו עם כור האצווה הקונבנציונלי. יתר על כן, בדיקת SFMT הושלמה תוך פחות משלוש שעות.
הטרנספורמציה בתיווך הצילום של טטרמתילאתילן ובנזילידינמלניטריל בוצעה באצווה, בכורי SFMT. תגובת SFMT הושלמה תוך חמש שעות בלבד, בעוד שתגובת האצווה ארכה 18 שעות. הפחתה זו בזמן התגובה יכולה להיות תוצאה של אורות הומוגניים משופרים המתפזרים לריאגנטים במיקרו-צינורות.
השימוש בגז אצטילן כחומר הזנה לקטליזה של חמצון חיזור, נבדק באצווה, בכורי SFMT. פחות מחמישה אחוזי המרה הוגשו בתגובת האצווה, בעוד ש-97% המרה נצפתה בתגובת SFMT. זה יוחס למסיסות המוגברת של גז אצטילן ואציטו ניטריל בטמפרטורה הגבוהה יותר שהושגה בכור המיקרו-צינורות האטום.
ה-SFMT הוא אחד הכור הטוב ביותר המשתמש במיקרו-צינורות כמיכל התגובה. משאבות משמשות להחדרת הריאגנטים לכורים אלה. בטכניקה זו, זמן התגובה אינו מוגבל באורך המיקרו-צינור.
כל תגובת SFMT מוצלחת, ניתנת להמרה בקלות למהירות זרימה מתמשכת וייצור. SFMT זקוק רק לכמות קטנה של ריאגנט ליעילות המשופרת עם ניחוש וקידום קל של טרנספורמציה. זה גם מאפשר גזים דליקים בטוחים יותר, במיוחד בתנאי לחץ גבוה.
ישנם יתרונות רבים שכורי SFMT מספקים תנאים נגישים לכורי אצווה ונמנעים ממגבלות רבות מכורי זרימה רציפה. לכן, מתגלה כשיטה משלימה חשובה למעבדות.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה
מאמר זה מציג פרוטוקול לבדיקת תגובות אורגניות באמצעות פלטפורמת כוורת מיקרו-צינורית עם עצירת זרימה. המערכת החדשנית הזו משלבת מאפיינים של תגובות זרימה רציפה ותגובות אצווה, ומתמודדת עם חוסר יעילות בבדיקת תגובות בקנה מידה קטן.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- כימיה
- בדיקת תגובות אורגניות
- כימיה ירוקה
רקע
- מערכות זרימה מיקרו-צינוריות רציפות אינן יעילות לתגובות בקנה מידה קטן.
- כוורת מיקרו-צינורית עם עצירת זרימה כוללת שני שסתומים לשליטה משופרת.
- טכנולוגיה זו שואפת לשפר תהליכי בדיקת תגובות.
- היא מתוכננת להיות בטוחה וקלה לשימוש.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה יעילה יותר לבדיקת תגובות אורגניות.
- לשלב את היתרונות של תגובות זרימה רציפה ותגובות אצווה.
- לספק חלופה ירוקה יותר לתהליכים אורגניים.
שיטות ששימשו
- בניית כוורת מיקרו-צינורית עם עצירת זרימה באמצעות צינורות PFA בטוהר גבוה.
- שימוש בריאקטנטים גזיים ותגובות בתיווך אור נראה.
- יישום מערכת שני-שסתומים לשליטה משופרת בתגובות.
- בדיקת תגובות אורגניות שונות כדי להעריך את היעילות.
תוצאות עיקריות
- כוורת המיקרו-צינורית עם עצירת זרימה הדגימה יעילות משופרת על פני שיטות קונבנציונליות.
- היא הצליחה להקל על תהליכים אורגניים באופן בטוח יותר.
- בדיקת התגובות הופשטה והפכה ליעילה יותר.
- המערכת הוכחה כידידותית למשתמשים עבור חוקרים.
מסקנות
- כוורת המיקרו-צינורית עם עצירת זרימה היא כלי מבטיח לבדיקת תגובות אורגניות.
- היא מתמודדת עם מגבלות מרכזיות של מערכות זרימה רציפה קיימות.
- טכנולוגיה זו תומכת בפרקטיקות של כימיה ירוקה.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Stop-flow micro-tubing (SFMT) reactors enable rapid, parallelizable screening of organic transformations under high-pressure and light-mediated conditions, addressing key bottlenecks in early discovery and process development. By minimizing cross-contamination and enhancing safety with flammable gases, SFMT reactors support efficient hypothesis testing and scalable translation to continuous-flow synthesis. This technology strengthens predictive confidence and operational agility at critical inflection points in the pharmaceutical R&D pipeline.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid interrogation of chemical reactivity and transformation feasibility under diverse conditions.
- Supports mechanistic de-risking by isolating variables such as pressure, gas, and light exposure.
- Facilitates functional validation of synthetic routes for complex molecule construction.
- Improves predictive confidence for downstream process selection and triage.
Screening & Assay Development
- Delivers parallelized, contamination-free reaction screening for efficient condition optimization.
- Standardizes quantitative yield and conversion measurements using GC-MS and NMR outputs.
- Enables reproducible preparation of validated chemical intermediates for assay workflows.
- Supports scalable transition from screening to continuous-flow production platforms.
Translational & Preclinical Research
- Accelerates translation of optimized synthetic routes to preclinical material supply.
- Aligns with green chemistry and safety requirements for early-stage compound synthesis.
- Reduces risk of late-stage process failure by enabling robust, scalable reaction conditions.
- Provides continuity from discovery-scale screening to preclinical batch production.
Pipeline & Workflow Integration
SFMT reactors integrate at the interface of early discovery, lead identification, and process development, bridging small-scale screening with scalable continuous-flow synthesis.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven testing of chemical transformations and pathway feasibility.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for condition comparison and optimization.
- Analytics: Enables direct measurement of yield, conversion, and selectivity via GC-MS and NMR.
- Translational Research: Facilitates seamless scale-up and process transfer to preclinical manufacturing.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, reusable platform adaptable to diverse reaction types and conditions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in synthetic route selection.
- Operational Value: Enhances standardization, safety, and scalability for reaction screening and optimization.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by enabling rapid, parallel experimentation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of synthetic candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in micro-tubing reactor assembly and safe handling of pressurized gases.
- Needs access to analytical infrastructure for GC-MS and NMR quantification.
- Demands cross-team standardization of screening protocols and data outputs.
- Adaptable to a range of organic transformations, including gas- and light-mediated reactions.
- Limited by tubing material compatibility and pressure constraints for certain chemistries.
