Optimalisatie van de Ugi reactie met behulp van parallelle synthese en geautomatiseerde Liquid Handling
November 11th, 2008
De Ugi reactie is gebleken dat een handige manier om snel diverse bibliotheken van verbindingen. Het gaat om de reactie van een amine, een aldehyde, een carbonzuur en een isonitril doorgaans in methanol bij kamertemperatuur. In deze video maken we gebruik van een 48-slot Mettler-Toledo MiniBlock uitgerust met filtratie buizen en een Mettler-Toledo MiniMapper geautomatiseerde vloeibare handler werd gebruikt om de reagentia en oplosmiddelen te leveren. De parameters die van belang waren de concentratie, het oplosmiddel samenstelling en het overschot van een aantal van de reagentia.
De UI-reactie omvat het mengen van vier componenten, een aldehyde en amine, een carbonzuur en een ISO-nitriel. Het is een handige reactie om diverse bibliotheken te genereren en is in het verleden gebruikt om anti-malariamiddelen te synthetiseren. De specifieke UGI-reactie die hier zal worden gedemonstreerd, omvat de reactie van Ole Amine-aldehyde, B-glycine en T-butyliso-nitriel.
Deze reactie produceert een UI-product als een neerslag wanneer het wordt uitgevoerd bij 0,5 molaire concentratie in methanol. Hallo, ik ben Jean Floyd Bradley. Mijn lab bevindt zich in de afdeling scheikunde van Drexel University.
Hi, ik ben Dr. Bradley's afgestudeerde student, haha Meza. Vandaag presenteren we de optimalisatie van een yugi-reactie met behulp van mettler toledo's mini mapper en mini block technologieën. Eerst zullen we de mini mapper programmeren voor vloeistofbehartiging.
Tweede, we zullen de isolatie van het product doen met parallelle filtratie. En tenslotte zullen we de karakterisering doen met behulp van IR- en NMR-technieken. Dus laten we beginnen.
De mini block is een hulpmiddel gemaakt door Metler Toledo dat je in staat stelt reacties parallel uit te voeren. Deze mini block bestaat uit een zes bij acht array van buizen met een filter aan de basis. Deze buizen kunnen ongeveer 3,5 milliliter oplosmiddel verwerken.
Een klep aan de onderkant van de mini block zal gesloten worden gehouden tijdens het toevoegen van reagentia en later worden geopend. Wanneer je klaar bent voor de filtratiestap, zul je drie parameters voor deze reactie variëren en kijken naar het effect op de opbrengst van het geïsoleerde product. Eerst. Het overschot van een of twee reagentia zal worden gevarieerd in elke rij.
Vervolgens worden het oplosmiddel en de concentratie gevarieerd tussen rijen. Bij het plannen van experimenten is het handig om een gedeelde online spreadsheet zoals Google Docs te gebruiken, die vervolgens gemakkelijk kan worden gekopieerd naar de mini mapper software. Deze setup maakt crowdsourcing van het experimentele ontwerp mogelijk waarbij mensen van over de hele wereld delen van het experiment kunnen plannen zonder te hoeven weten hoe de vloeistofbehartiging moet worden uitgevoerd.
De eerste stap omvat het wegen van de lege buizen tot een nauwkeurigheid van 0,1 milligram. De mini block wordt vervolgens geseald, gesloten en op het vloeistofbehartigingsplatform gemonteerd. Er worden vier reagentiaflessen en vier oplosmiddelflessen gebruikt in dit experiment.
De vloeistofbehartiging maakt gebruik van een robotarm uitgerust met een spuit en kan elke bron naar elke bestemming op de rek gebruiken met behulp van de spuitpomp. De huidige opstelling maakt gebruik van een 10 milliliter spuit die nauwkeurig minimaal 100 microliter kan leveren. Om reagentia te besparen, voeg je 100 of 120 microliter van elk bereid reagensoplossing toe.
In methanol bij twee molaire concentratie wordt de reactie in vijf stappen uitgevoerd. Eerst wordt het oplosmiddel aan elke buis toegevoegd. Dit is hoe je de concentratie en oplosmiddelsamenstelling zult variëren.
Vervolgens wordt de immuunoplossing toegevoegd aan alle buizen gevolgd door het aldehyde, het zuur en het ISO-nitriel als laatste. Dit duurt ongeveer een uur om te voltooien. De mini block wordt vervolgens van de vloeistofbehartiging verwijderd.
Je kunt duidelijk zien dat er heldere oplossingen in elke buis zijn. Dit is belangrijk omdat je ervoor wilt zorgen dat alle reagentia oplosbaar zijn in alle oplosmiddelen. Het duurt meestal ongeveer 30 minuten voordat de eerste neerslag zich vormt.
De mini block wordt op een shaker gemonteerd en overnacht gemengd. Na ongeveer 16 uur wordt de mini block uit de shaker verwijderd en kun je zien dat de meeste buizen neerslag hebben. De mini block wordt nu op een verzamelbasis gemonteerd en de klep wordt voor alle filterbuizen tegelijk geopend.
Er wordt vacuüm toegepast en de neerslag wordt opgevangen op het filter van elke buis. De klep wordt vervolgens gesloten en één milliliter methanol wordt aan elke buis toegevoegd. Met behulp van een micropipet wordt de mini block gedurende 15 minuten op de shaker geplaatst.
Deze wasstap wordt nog een keer herhaald. Na de laatste wassing wordt het vacuüm 30 minuten aan gelaten. Vervolgens worden de buizen overgebracht naar een droogkast onder hoog vacuüm gedurende een uur.
Nadat de buizen droog zijn, worden ze opnieuw gewogen en wordt de hoeveelheid neerslag bepaald door het lege gewicht af te trekken. Helaas is er voldoende variabiliteit in de buizen dat elk ervan leeg moet worden gewogen. Een monster van elk oplosmiddelsysteem wordt geanalyseerd door NMR om ervoor te zorgen dat alle producten zuiver zijn. 700 microliters afgenomen chloroform wordt toegevoegd aan een reactiebuis om de neerslag op te lossen.
Vervolgens wordt de oplossing overgebracht naar een NMR-buis, een 500 megahertz Varian Unity. Innova NMR-instrument wordt gebruikt om een proton NMR-spectrum te verkrijgen. Zodra het instrument is ingelogd, wordt de NMR-software gestart, wordt de referentiestandaard in het instrument verwijderd en wordt het monster in de spinner geplaatst en in het instrument gestoken.
Het monster wordt vervolgens vergrendeld, geshimd en ingesteld op spinparameters voor een proton. NMR worden geladen en vervolgens wordt een spectrum verkregen als een J Camp DX-bestand, dat online kan worden bekeken met een standaardbrowser. De spectra kunnen worden gehost op een lokale server of worden geüpload naar ChemSpider, zodat onderzoekers die naar deze molecuul zoeken, de gegevens onmiddellijk kunnen gebruiken.
Om het monster verder te analyseren, wordt IR-spectroscopie uitgevoerd met behulp van een PerkinElmer FTIR Spectrum 1000-instrument. De software is ingelogd. De bovenplaat van de A TR wordt verwijderd, afgeveegd en gereinigd met een ethanolzeepdoekje.
Een schone glazen schuif wordt op de A TR geplaatst en vastgeschroefd, en de krachtmeter wordt afgesteld op ongeveer 90 eenheden. Na het verzamelen van een achtergrondspectrum wordt het monsterspectrum verkregen en verwerkt voor een A TR-correctie. Het IR-spectrum wordt ook verkregen als een J Camp DX-bestand voor online weergave.
Het grote verschil tussen het uitvoeren van een reactie in een ron
Overzicht
De Ugi-reactie is een veelzijdige methode voor het synthetiseren van diverse verbindingsbibliotheken door een amine, aldehyde, carbonzuur en isonitril te combineren. Deze studie demonstreert de optimalisatie van de Ugi-reactie met behulp van geautomatiseerde vloeistofbehandelingstechnologieën.
Belangrijke onderdelen van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Chemie
- Organische Synthese
- Geautomatiseerde vloeistofbehandeling
Achtergrond
- De Ugi-reactie maakt de snelle generatie van verbindingsbibliotheken mogelijk.
- Het is eerder gebruikt bij de synthese van antimalariamiddelen.
- Deze studie richt zich op het optimaliseren van de reactieparameters voor verbeterde opbrengsten.
- Geautomatiseerde systemen verbeteren de efficiëntie en reproduceerbaarheid in chemische experimenten.
Doel van het onderzoek
- Om de Ugi-reactie te optimaliseren met behulp van Mettler-Toledo's MiniMapper en MiniBlock technologieën.
- Om de effecten van variërende reagentiaconcentraties en oplosmiddelsamenstellingen te evalueren.
- Om de voordelen van geautomatiseerde vloeistofbehandeling in organische synthese te demonstreren.
Gebruikte methoden
- Gebruik van een 48-slot Mettler-Toledo MiniBlock voor parallelle reacties.
- Geautomatiseerde vloeistofbehandeling met de Mettler-Toledo MiniMapper.
- Filtratie en isolatie van producten met behulp van een vacuümsysteem.
- Karakterisering van producten via NMR- en IR-spectroscopie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle synthese van Ugi-producten met variërende opbrengsten op basis van reagensoverschot.
- Duidelijke precipitatie waargenomen na voltooiing van de reactie.
- Karakterisering bevestigde de zuiverheid van de gesynthetiseerde verbindingen.
- Geautomatiseerde behandeling verminderde manuele arbeid en verhoogde experimentele doorvoer.
Conclusies
- De studie benadrukt de efficiëntie van geautomatiseerde systemen bij het optimaliseren van chemische reacties.
- Variërende reactieparameters hebben een significant effect op de productopbrengst.
- Geautomatiseerde vloeistofbehandeling stelt chemici in staat zich te concentreren op projectplanning op hoger niveau.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Optimizing multi-component reactions through parallel synthesis and automated liquid handling enables rapid exploration of chemical space for lead identification. This approach enhances predictive confidence in early discovery by systematically evaluating reagent ratios, solvent effects, and concentration variables. The resulting data supports informed go/no-go decisions in compound library generation and de-risks downstream synthesis efforts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of reaction conditions to identify optimal conditions for library synthesis, supporting hypothesis testing in medicinal chemistry.
- Operational Value: Facilitates rapid screening of reagent excess and solvent combinations to maximize yield and reproducibility.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative yield data across 48 parallel conditions, enabling statistical analysis of subtle interaction effects.
- Operational Value: Standardizes product isolation via parallel filtration and washing, improving reproducibility across replicates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Confirms product purity and identity through NMR and IR characterization, ensuring reliable material for downstream evaluation.
- Operational Value: Provides a scalable platform for generating compound libraries that can be used in phenotypic screening or target-based assays.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling rapid, reproducible synthesis of diverse compounds for screening campaigns.
- Discovery Biology: Supports lead identification by generating diverse chemical libraries through optimized multi-component reactions.
- Screening: Delivers assay-ready compounds with consistent purity and yield, enabling reliable structure-activity relationship studies.
- Analytics: Provides quantitative yield measurements and spectroscopic data to compare reaction conditions and guide optimization.
- Translational Research: Ensures continuity from discovery to preclinical by producing well-characterized compounds suitable for biological testing.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for parallel synthesis that can be adapted to other multi-component reactions in medicinal chemistry programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in reaction optimization through systematic variation of parameters and replicate testing.
- Operational Value: Enhances throughput and reduces manual labor via automated liquid handling and parallel processing.
- Strategic Value: Improves resource efficiency by minimizing reagent consumption and accelerating cycle times for library synthesis.
- Portfolio Impact: Enables data-driven prioritization of synthetic routes based on yield, reproducibility, and scalability.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organic synthesis and automated liquid handling systems.
- Needs instrumentation capable of precise reagent dispensing and parallel processing (e.g., robotic liquid handler with syringe pump).
- Demands standardization of protocols across teams to ensure consistent execution of reagent addition, mixing, filtration, and washing steps.
- Involves adaptation considerations when transferring the protocol to different solvent systems or reagent combinations beyond those tested.
- Includes practical limitations such as the need for individual tube weighing to account for variability and the dependence on precipitate formation for isolation.
