Monitorowanie w czasie rzeczywistym reakcji przeprowadzanych przy użyciu przetwarzania o ciągłym przepływie: na przykładzie przygotowania 3-acetylokumaryny

Podsumowanie

Monitorowanie w czasie rzeczywistym pozwala na szybką optymalizację reakcji przeprowadzanych przy użyciu przetwarzania o ciągłym przepływie. Jako przykład podaje się preparat 3-acetylokumaryny. Opisano aparaturę do monitorowania Ramana in situ, a także kroki wymagane do optymalizacji reakcji.

Streszczenie

Korzystając z wbudowanego monitorowania, można zoptymalizować reakcje przeprowadzane przy użyciu przetwarzania ciągłego przepływu w prosty i szybki sposób. Dzięki tej technice możliwe jest również zapewnienie stałej jakości produktu w czasie. Pokazujemy tutaj, jak połączyć dostępną na rynku jednostkę przepływową ze spektrometrem Ramana. Cela przepływowa Ramana jest umieszczona za regulatorem ciśnienia zwrotnego, co oznacza, że może pracować pod ciśnieniem atmosferycznym. Ponadto fakt, że strumień produktu przechodzi przez odcinek rurki przed wejściem do komory przepływowej, oznacza, że materiał ma temperaturę względną. Ważne jest, aby widma były pozyskiwane w warunkach izotermicznych, ponieważ intensywność sygnału Ramana jest zależna od temperatury. Po zmontowaniu aparatury pokazujemy, jak monitorować reakcję chemiczną, na przykładzie katalizowanej piperydyną syntezy 3-acetylokoumaryny z aldehydu salicylowego i acetooctanu etylu. Reakcja może być przeprowadzana w różnych natężeniach przepływu i temperaturach, a narzędzie do monitorowania in-situ służy do prostej i łatwej optymalizacji warunków.

Wprowadzenie

Dzięki zastosowaniu przetwarzania w przepływie ciągłym chemicy odkrywają, że mogą bezpiecznie, skutecznie i z łatwością przeprowadzać szereg reakcji chemicznych^1,2. W konsekwencji sprzęt do chemii przepływowej staje się integralnym narzędziem do prowadzenia reakcji zarówno w warunkach przemysłowych, jak i w laboratoriach badawczych instytucji akademickich. W reaktorach przepływowych przeprowadzono szeroką gamę przekształceń chemii syntetycznej^3,4. W wybranych przypadkach wykazano, że reakcje, które nie przebiegały w procesach okresowych (batch), przebiegają pomyślnie w warunkach przepływu ciągłego⁵. Zarówno w celu optymalizacji reakcji, jak i kontroli jakości, włączenie monitorowania reakcji in-line do przetwarzania przepływowego oferuje istotne zalety. Monitorowanie in-line zapewnia ciągłą analizę z odpowiedzią w czasie rzeczywistym na aktualne warunki próbki. Jest to metoda szybsza, a w niektórych przypadkach bardziej niezawodna niż porównywalne techniki off-line. Liczne techniki analityczne in-line zostały zintegrowane z reaktorami przepływowymi⁷. Przykłady obejmują spektroskopię podczerwień^8,9, UV-visible^10,11, NMR^12,13, Ramana^14,15 oraz spektrometrię mas^16,17.

Nasza grupa badawcza zintegrowała spektrometr Ramana z naukową jednostką mikrofalową¹⁸. Dzięki temu możliwe było monitorowanie szeregu reakcji zarówno z punktu widzenia jakościowego¹⁹, jak i ilościowego²⁰. Opierając się na tym sukcesie, niedawno zintegrowaliśmy nasz spektrometr Ramana z jedną z naszych jednostek przepływowych i wykorzystaliśmy go do monitorowania in-line szeregu kluczowych organicznych przekształceń istotnych w medycynie.²¹ W każdym przypadku możliwe było monitorowanie reakcji, a w jednym z nich, za pomocą krzywej kalibracyjnej, mogliśmy określić konwersję produktu na podstawie danych widmowych Ramana. W niniejszym opracowaniu opisujemy, jak skonfigurować aparat i wykorzystać go do monitorowania reakcji. Jako reakcję modelową wykorzystujemy syntezę 3-acetylokumaryny (1) z salicylaldehydu i acetooctanu etylu, katalizowaną piperydyną (Rycyna 1).

Rycina 1. Reakcja kondensacji katalizowana zasadą między salicylaldehydem a acetoacetanem etylu w celu otrzymania 3-acetylokumaryny (1). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Protokół

1. Wybór odpowiednich sygnałów do monitorowania reakcji

1. Należy zarejestrować widma Ramana dla wszystkich substratów oraz produktu.
2. Należy nałożyć widma na siebie i zidentyfikować intensywne pasmo charakterystyczne wyłącznie dla produktu.
3. Wybrane pasmo Ramana należy wykorzystać do monitorowania postępu reakcji. W tym przypadku wybrano pasmo przy 1,608 cm^-1.

2. Przygotowanie komory przepływowej

1. Należy dobrać odpowiednią kuwetę przepływową. W tym przypadku użyto kuwety o następujących wymiarach: szerokość 6,5 mm, wysokość 20 mm i długość drogi optycznej 5 mm (Rysunek 2A).
2. Kuwetę przepływową należy umieścić w pojemniku zapewniającym ochronę przed światłem zewnętrznym.
3. Do wlotu i wylotu kuwety przepływowej należy podłączyć przewody (w tym przypadku przewody PFA o średnicy wewnętrznej 1 mm).

3. Połączenie spektrometru Ramanowskiego z celą przepływową

1. Przygotuj odpowiedni spektrometr Ramanowskiego z elastycznym układem optycznym, który można umieścić w bliskim sąsiedztwie celi przepływowej.
2. Wprowadź układ optyczny przez otwór o odpowiedniej wielkości w obudowie zawierającej zestaw celi przepływowej (Rysunek 2B).
3. Przesuń układ optyczny, aż dotknie on celi przepływowej, a następnie odsun go, pozostawiając przerwę o wielkości ~ 2 mm.
4. Wypełnij celę przepływową 100% acetonem.
5. Włącz spektrometr Ramanowski i zarejestruj widma w trybie skanowania ciągłego.
6. Ustaw ostrość lasera, delikatnie przesuwając światłowód o niewielkie odległości. Przesuwaj światłowód tak długo, aż sygnał osiągnie maksymalną intensywność, a piki będą ostre i wyraźnie zdefiniowane.

Rysunek 2. Wykorzystana kuweta przepływowa (A) oraz interfejs Ramanowskiego (B). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

4. Przygotowanie roztworów reagentów i rozpuszczalników

1. Do kolby miarowej o pojemności 50 ml dodać salicylaldehyd (6,106 g, 50 mmol, 1 eq) oraz acetoacetan etylu (6,507 g, 50 mmol, 1 eq).
2. Dopełnić objętość do 50 ml octanem etylu, a następnie dokładnie wymieszać zawartość.
3. Przenieść 10 ml alikwoty roztworu zapasowego do szklanej fiolki o pojemności 20 ml zawierającej magnetyczny mieszadło. Fiolkę tę należy opisać jako „odczynnik”.
4. Do butelki o pojemności 100 ml wlać 90 ml octanu etylu. Butelkę tę należy opisać jako „rozpuszczalnik”. Do drugiej butelki o pojemności 100 ml wlać 90 ml acetonu. Butelkę tę należy opisać jako „przechwyt rozpuszczalnika”.

5. Przygotowanie aparatury przepływowej

1. Upewnij się, że jednostka przepływowa posiada co najmniej dwie pompy i oznacz je jako „P1” oraz „P2”. Zidentyfikuj linie doprowadzające rozpuszczalnik i odczynniki dla każdej pompy. Umieść linie wyjściowe z przewodów „collect” (zbieranie) i „waste” (odpady) w dwóch oddzielnych butelkach o pojemności 100 ml, odpowiednio oznaczonych jako „produkt” i „odpady”.
2. W качестве reaktora zastosuj cewkę z PFA o pojemności 10 ml, która może być podgrzewana.
3. Podłącz rurkę wychodzącą z P1 do wlotu cewki reaktora z PFA.
4. Zainstaluj trójdrożny mieszacz T z polieteroeteroketonu (PEEK) za cewką reaktora.
5. Podłącz rurkę wychodzącą z P2 do mieszacza T, w odległości 180° od rurki wyjściowej cewki reaktora. Do trzeciego otworu mieszacza T podłącz odcinek rurki. Na drugim końcu tej rurki zamontuj regulator przeciwciśnienia.
6. Podłącz linię z wyjścia regulatora przeciwciśnienia do wejścia celi przepływowej. Podłącz linię z wyjścia celi przepływowej do przełącznika „waste/collect”.
7. Przepłucz rozpuszczalnikiem linie rozpuszczalnika dla P1 i P2 oraz linię odczynnika dla P1. Przenieś linię odczynnika dla P1 z butelki z rozpuszczalnikiem do butelki z odczynnikiem.
8. Używając pompy P1, przepuść octan etylu przez cewkę reaktora z prędkością 2 ml/min, aż zostanie ona wypełniona. Przepuść aceton przez P2 z prędkością przepływu 2 ml/min przez 2 min.
9. Ustaw prędkości przepływu rozpuszczalnika dla P1 i P2 na 1 ml/min. Ustaw regulator przeciwciśnienia na ciśnienie 7 bar. Ustaw temperaturę cewki reaktora na pożądaną wartość.
10. Ponownie sprawdź, czy urządzenia są skonfigurowane zgodnie ze schematem przedstawionym na Rysunku 3.
11. Gdy system osiągnie stałą temperaturę i ciśnienie, sprawdź szczelność układu, a następnie przeprowadź reakcję.

Rycina 3. Schemat konfiguracji aparatury użytej w eksperymentach z monitorowania reakcji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

6. Monitorowanie reakcji

1. Wykonaj pomiar tła systemu rozpuszczalników octan etylu/aceton przepływającego przez ogniwo przepływowe. Tło to zostanie automatycznie odjęte od wszystkich kolejnych pomiarów.
2. Skonfiguruj spektrometr tak, aby wykonywał pomiary co 15 s (w tym przypadku spektrometr Raman został ustawiony na czas całkowania 10 s, boxcar = 3 oraz średnia = 1).
3. Wstrzyknij jednorazowo piperydynę (0,05 ml, 0,05 mmol, 0,1 ekwiwalentu) do szklanej fiolki oznaczonej jako „reagent”.
4. Po dokładnym wymieszaniu przełącz pompę P1 z pozycji „solvent” na „reagent”. Ustaw strumień wylotowy na „collect”.
5. Gdy cały materiał zostanie całkowicie wprowadzony, przełącz P1 z pozycji „reagent” z powrotem na „solvent”. Kontynuuj przepływ rozpuszczalnika przez cewkę reaktora przez kolejne 30 min. Po upływie tego czasu wyłącz ogrzewanie.
6. Wyłącz pompy P1 i P2, gdy temperatura cewki reaktora spadnie poniżej 50 °C.

7. Analiza danych

1. Wyeksportuj dane ze spektrometru Raman do arkusza kalkulacyjnego i nanieś na wykres intensywność sygnału Raman przy 1,608 cm^-1 w funkcji czasu.
2. W celu optymalizacji warunków przeprowadź reakcję dla kilku różnych przepływów i temperatur reaktora w sposób iteracyjny.
3. Nałóż na siebie wykresy intensywności sygnału Raman przy 1,608 cm^-1 w funkcji czasu.
   Uwaga: Wyższa intensywność sygnału Raman koreluje z wyższą konwersją produktu.

8. Przeprowadzenie reakcji w zoptymalizowanych warunkach

1. Po przetestowaniu różnych warunków (zróżnicowanych szybkości przepływu / temperatur reaktora), przeprowadź reakcję przy użyciu zoptymalizowanych parametrów, aby uzyskać najwyższą konwersję produktu. 

9. Izolacja produktu

1. Zawartość kolby z produktem przelać do zlewki zawierającej 100 ml lodu i 20 ml 2 M HCl.
2. Kolbę z produktem wypłukać minimalną ilością octanu etylu (2 ml) i przelać do zlewki.
3. Mieszaninę z lodem mieszać do całkowitego roztopienia lodu.
4. Przygotować układ filtracyjny składający się z lejka Hirscha, kolby z bocznym wylotem, gumowej uszczelki oraz odcinka gumowego przewodu próżniowego.
5. Otrzymany osad odfiltrować pod próżnią, przemyć zimnym eterem dietylowym (10 ml) i pozostawić do wyschnięcia pod lampą grzewczą (2-3 hr) lub suszyć przez noc pod próżnią.
6. Tożsamość produktu potwierdzić za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (¹H NMR), stosując CDCl₃ jako rozpuszczalnik. Dla spektrometru NMR 500 MHz dane ¹H NMR dla 3-acetylokumaryny są następujące: δ = 2.73 (s, 3 H) 7.31 - 7.40 (m, 2 H) 7.65 (ddd, J = 7.53, 4.37, 2.60 Hz, 2 H) 8.51 (s, 1 H) ppm, dane ¹³C NMR: δ = 30.84 (CH₃) 117.00 (CH) 118.56 (C) 124.86 (CH) 125.27 (CH) 130.51 (CH) 134.68 (C) 147.74 (CH) 155.64 (C) 159.52 (C) 195.77 (C) ppm.

Wyniki

Przygotowanie 3-acetylokumaryny w przepływie ciągłym wybrano jako reprezentatywną reakcję do monitorowania in-line. W procesie okresowym reakcja przebiega pomyślnie przy użyciu octanu etylu jako rozpuszczalnika. Jednak produkt (1) nie jest całkowicie rozpuszczalny w temperaturze RT. Aby zapobiec potencjalnemu zapychaniu regulatora przeciwciśnieniowego oraz zminimalizować ryzyko obecności cząstek stałych w celi przepływowej, co mogłoby zakłócić akwizycję sygnału, zastosowaliśmy technikę, którą opracowaliś...

Dyskusja

Łatwość, z jaką spektrometr Ramana może być połączony z jednostką przepływu, sprawia, że ta technika inline jest cenna w monitorowaniu reakcji. Wiele zmiennych reakcji może być badanych w sposób przyspieszony, co pozwala użytkownikowi na szybsze osiągnięcie optymalnych warunków reakcji niż w przypadku korzystania z metod offline. Zastosowanie technik opisanych w niniejszym dokumencie pozwala również na monitorowanie powstawania produktów ubocznych, przy założeniu, że uda się znaleźć odpowiednie pasmo. Warunki mogą być pr...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Aldehyd salicylowy	Sigma-Aldrich	S356	Klasa odczynnika, 98%
Acetooctan etylu	Acros Organics	117970010	99%
Piperydyna	Sigma-Aldrich	104094	Reagent Plus, 99%
Kwas solny	Sigma-Aldrich	320331	Odczynnik ACS, 37%
Octan etylu	Sigma-Aldrich	34858	CHROMASOLV, do HPLC, >99.7%
Aceton	Sigma-Aldrich	650501	CHROMASOLV, do HPLC, >99.9%
Komórka przepływowa	Starna Cells		583.65.65-Q-5/Z20
Jednostka przepływu	systemu Vapourtec		E-series
	Enwave Optronics Inc		Model EZRaman-L

Spektrometr Ramana