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

Korzystając z przetwarzania o ciągłym przepływie, chemicy odkrywają, że mogą przeprowadzać szereg reakcji chemicznych bezpiecznie, skutecznie i z łatwością^1,2. W rezultacie, sprzęt do chemii przepływowej staje się integralnym narzędziem do przeprowadzania reakcji zarówno w warunkach przemysłowych, jak i w laboratoriach badawczych w instytucjach akademickich. W reaktorach przepływowych^3,4 przeprowadzono wiele różnych przemian chemii syntetycznej. W wybranych przypadkach wykazano, że reakcje, które nie działają w partii, przebiegają płynnie w warunkach ciągłego przepływu⁵. Zarówno w przypadku optymalizacji reakcji, jak i kontroli jakości, połączenie monitorowania reakcji in-line z przetwarzaniem przepływu oferuje znaczące korzyści. Monitorowanie in-line zapewnia ciągłą analizę z reakcją w czasie rzeczywistym na rzeczywiste warunki próbki. Jest to szybsze, a w niektórych przypadkach bardziej niezawodne niż porównywalne techniki off-line. Szereg technik analitycznych in-line zostało połączonych z reaktorami przepływowymi⁷. Przykłady obejmują podczerwień^8,9, światło widzialne^{UV 10,11}, NMR^12,13, spektroskopię Ramana^14,15 i spektrometrię mas^16,17.

Nasza grupa badawcza połączyła spektrometr Ramana z naukową jednostką mikrofalową¹⁸. Na tej podstawie monitorowano szereg reakcji zarówno z jakościowego¹⁹, jak i ilościowego^punktu widzenia. Opierając się na tym sukcesie, niedawno połączyliśmy nasz spektrometr Ramana z jedną z naszych jednostek o ciągłym przepływie i wykorzystaliśmy go do monitorowania reakcji in-line szeregu kluczowych przemian organicznych istotnych z medycznego punktu widzenia. ²¹ W każdym przypadku możliwe było monitorowanie reakcji, a także w jednym przypadku, za pomocą krzywej kalibracyjnej, mogliśmy określić konwersję produktu na podstawie danych widmowych Ramana. W tym artykule opisujemy, jak skonfigurować aparaturę i używać jej do monitorowania reakcji. Jako reakcję modelową wykorzystujemy tutaj katalizowaną piperydyną syntezę 3-acetylokoumaryny (1) z aldehydu salicylowego z acetooctanem etylu (ryc. 1).

Rysunek 1. Katalizowana zasadą reakcja kondensacji między aldehydem salicylowym a acetooctanem etylu w celu uzyskania 3-acetylokoumaryny (1). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. Znajdź odpowiednie sygnały do monitorowania reakcji

1. Uzyskaj widma Ramana dla wszystkich materiałów wyjściowych i produktu.
2. Nałóż widma i zidentyfikuj intensywne pasmo, które jest unikalne dla produktu.
3. Użyj tego pasma Ramana, aby monitorować postęp reakcji. W tym przypadku wybrano pasmo o wysokości 1 608 ^cm-1.

2. Konfiguracja komórki przepływu

1. Zaopatrzyć się w odpowiednią komorę przepływową. Tutaj użyj ścieżki o następujących wymiarach: szerokość 6,5 mm, wysokość 20 mm i długość ścieżki 5 mm (Rysunek 2A).
2. Umieść komórkę przepływową w pojemniku, który zapewnia środowisko wolne od światła otoczenia.
3. Podłącz rurkę do wlotu i wylotu komory przepływowej (w tym przypadku rurka PFA o średnicy wewnętrznej 1 mm).

3. Połączenie spektrometru Ramana z komórką przepływową

1. Zaopatrzyć się w odpowiedni spektrometr Ramana z elastycznym zespołem optycznym, który można umieścić w bliskiej odległości od celi przepływowej.
2. Umieść zespół optyczny przez otwór o odpowiedniej wielkości w pudełku zawierającym zespół komory przepływowej (Rysunek 2B).
3. Przesuń zespół optyczny, aż dotknie celi przepływowej, a następnie pociągnij go do tyłu, pozostawiając szczelinę ~ 2 mm.
4. Napełnij komorę przepływową 100% acetonem.
5. Włącz spektrometr Ramana i uzyskaj widma w trybie skanowania ciągłego.
6. Ustaw ostrość lasera, delikatnie przesuwając światłowód ułamek po ułamku. Przesuwaj światłowód, aż sygnał osiągnie największą intensywność, a szczyty będą ostre i dobrze zdefiniowane.

Rysunek 2. (A) Używana komórka przepływowa i (B) interfejs Ramana. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Przygotuj roztwory odczynników i rozpuszczalników

1. Dodać aldehyd salicylowy (6.106 g, 50 mmol, 1 ekwiwalent) i acetooctan etylu (6.507 g, 50 mmol, 1 ekwiwalent) do kolby miarowej o pojemności 50 ml.
2. Dodać octan etylu do całkowitej objętości 50 ml, a następnie dokładnie wymieszać zawartość.
3. Przenieść 10 ml podwielokrotności roztworu podstawowego do szklanej fiolki o pojemności 20 ml zawierającej mieszadło magnetyczne. Oznacz tę fiolkę jako "odczynnik".
4. W butelce o pojemności 100 ml umieść 90 ml octanu etylu. Oznacz tę butelkę jako "rozpuszczalnik". W butelce o pojemności 100 ml umieść 90 ml acetonu. Oznacz tę butelkę jako "przechwycenie rozpuszczalnika".

5. Przygotuj aparat przepływowy

1. Upewnij się, że jednostka przepływowa ma co najmniej dwie pompy i oznacz je "P1" i "P2". Zidentyfikuj przewody wlotowe rozpuszczalnika i odczynnika dla każdej pompy. Umieść przewody wyjściowe z linii "zbierania" i "odpadów" w dwóch oddzielnych butelkach o pojemności 100 ml oznaczonych odpowiednio "produkt" i "odpad".
2. Jako reaktor należy użyć cewki PFA o pojemności 10 ml, która może być podgrzewana.
3. Podłącz rurkę wychodzącą z P1 do wlotu cewki reaktora PFA.
4. Zainstalować trzyportowy trójnik z polieteroeteroketonu (PEEK) za cewką reaktora.
5. Podłącz rurkę wychodzącą z P2 do trójnika, 180° od rurki wyjściowej cewki reaktora. Podłącz kawałek rurki do trzeciego portu miksera trójnikowego. Na drugim końcu tej rurki umieść regulator przeciwciśnienia.
6. Podłącz przewód od wyjścia regulatora ciśnienia wstecznego do wejścia celi przepływowej. Podłącz przewód od wyjścia celi przepływowej do przełącznika "odpady/odbiór".
7. Zalać rozpuszczalnikiem przewody rozpuszczalnika zarówno dla P1, jak i P2, a także linię odczynnika dla P1. Przenieś przewód odczynnika dla P1 z butelki z rozpuszczalnikiem do butelki z odczynnikiem.
8. Używając P1, przepuścić octan etylu przez cewkę reaktora z prędkością 2 ml/min, aż zostanie napełniona. Przepuszczać aceton przez P2 z szybkością przepływu 2 ml/min przez 2 minuty.
9. Wyreguluj natężenie przepływu rozpuszczalnika zarówno dla P1, jak i P2 na 1 ml/min. Ustaw regulator ciśnienia zwrotnego na ciśnienie 7 barów. Ustaw temperaturę cewki reaktora na żądaną temperaturę.
10. Dokładnie sprawdź, czy sprzęt jest skonfigurowany tak, jak pokazano na schemacie na rysunku 3.
11. Gdy system osiągnie stałą temperaturę i ciśnienie, sprawdź, czy nie ma wycieków, a następnie uruchom reakcję.

Rysunek 3. Schemat konfiguracji urządzeń wykorzystywanych do eksperymentów monitorowania reakcji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

6. Monitoruj reakcję

1. Wykonaj skan tła systemu octanu etylu/rozpuszczalnika acetonu podczas przechodzenia przez komórkę przepływową. Zostanie to automatycznie odjęte od wszystkich kolejnych skanów.
2. Skonfiguruj spektrometr tak, aby wykonywał skany co 15 sekund (w tym przypadku spektrometr Ramana został ustawiony na 10-sekundowy czas integracji, boxcar = 3, a średnia = 1).
3. Wstrzyknąć piperydynę (0,05 ml, 0,05 mmol, równowartość 0,1 mili) jednorazowo do szklanej fiolki z napisem "odczynnik".
4. Po dokładnym wymieszaniu zmień P1 z "rozpuszczalnika" na "odczynnik". Ustaw strumień wyjściowy na "zbieranie".
5. Gdy cały materiał zostanie całkowicie załadowany, przełącz P1 z "odczynnika" z powrotem na "rozpuszczalnik". Kontynuuj przepływanie rozpuszczalnika przez cewkę reaktora przez kolejne 30 minut. Po upływie tego czasu wyłącz ogrzewanie.
6. Wyłączyć pompy P1 i P2, gdy temperatura cewki reaktora spadnie poniżej 50 °C.

7. Analizuj dane

1. Wyeksportuj dane ze spektrometru Ramana do arkusza kalkulacyjnego i wykreśl intensywność Ramana na poziomie 1 608 ^cm-1 w funkcji czasu.
2. Aby zoptymalizować warunki, należy przeprowadzić reakcję przy różnych natężeniach przepływu i temperaturach reaktora w sposób iteracyjny.
3. Wykresy nakładkowe o intensywności Ramana na wysokości 1 608 ^cm-1 w funkcji czasu.
   Uwaga: Wyższa intensywność Ramana koreluje z wyższą konwersją produktu.

8. Uruchom reakcję w zoptymalizowanych warunkach

1. Po przeprowadzeniu badań przesiewowych w różnych warunkach (różne natężenia przepływu / temperatury reaktora) przeprowadź reakcję w zoptymalizowanych warunkach, aby zapewnić najwyższą konwersję produktu.

9. Izoluj produkt

1. Pobrać zawartość kolby z produktem i rozlać ją do zlewki zawierającej 100 ml lodu i 20 ml 2 M HCl.
2. Przepłukać kolbę produktu minimalną ilością octanu etylu (2 ml) i przenieść do zlewki.
3. Mieszaj lodowatą mieszankę, aż cały lód całkowicie się rozpuści.
4. Skonfiguruj system filtracji z lejkiem Hirsch, kolbą boczną, gumowym kołnierzem i długim gumowym wężem próżniowym.
5. Przefiltruj powstały osad w próżni, spłucz zimnym eterem dietylowym (10 ml) i pozostaw do wyschnięcia pod lampą grzewczą (2-3 godziny) lub wysusz O/N w próżni.
6. Potwierdzić tożsamość produktu za pomocą ^1-godzinnejspektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) przy użyciu CDCl₃ jako rozpuszczalnika. Dla spektrometru NMR 500 MHz dane 1 H NMR 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, ¹³C Dane 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.

Preparat 3-acetylkumaryny o ciągłym przepływie został wybrany jako reprezentatywna reakcja do monitorowania in-line. W partii reakcja przebiega dobrze, gdy jako rozpuszczalnik stosuje się octan etylu. Jednak produkt (1) nie jest całkowicie rozpuszczalny w temperaturze pokojowej. Aby zapobiec potencjalnemu zatkaniu regulatora ciśnienia zwrotnego, a także zmniejszyć ryzyko obecności cząstek stałych w komorze przepływowej, które zakłóciłyby akwizycję sygnału, zastosowaliśmy technikę, którą opracowaliśmy wcześniej dla tej i innych reakcji22. Przechwyciliśmy strumień produktu za cewką reakcyjną za pomocą acetonu, aby rozpuścić produkt i umożliwić mu niezakłócone przejście przez komórkę przepływową i regulator ciśnienia wstecznego.

Aby zidentyfikować odpowiedni sygnał Ramana do monitorowania, przewidzieliśmy widma Ramana wynoszące 1 i dwóch materiałów wyjściowych (aldehyd salicylowy i acetooctan etylu) za pomocą programu komputerowego Gaussian 09 (Rysunek 4A, B i c)23. Należy zauważyć, że eksperymentalnie uzyskane widma Ramana materiałów wyjściowych i produktu mogą być również używane, jeśli nie ma się dostępu do Gaussa 09. Nakładanie się trzech widm (Ryc. 4D) wskazuje, że podczas gdy 1 wykazuje silne aktywne tryby rozciągania Ramana na 1608 cm-1 i 1563 cm-1, materiały wyjściowe wykazują minimalną aktywność Ramana w tym obszarze. W związku z tym zdecydowaliśmy się na monitorowanie sygnału na wysokości 1 608 cm-1.

Jako punkt wyjścia, reakcja przebiegała w temperaturze 25 °C i przy natężeniu przepływu odczynnika 1 ml/min oraz zarejestrowano intensywność Ramana na poziomie 1,608 cm-1 (Rysunek 5). Mając na celu uzyskanie jak największej konwersji, przeprowadziliśmy następnie reakcję w wyższych temperaturach. Pracując z natężeniem przepływu 1 ml/min, zwiększenie temperatury reakcji najpierw do 65 °C, a następnie do 130 °C spowodowało jednoczesny wzrost konwersji produktu, o czym świadczy stały wzrost intensywności Ramana na poziomie 1,608 cm-1. Przy temperaturze cewki reaktora wynoszącej 130 °C zmniejszenie natężenia przepływu z 1,0 do 0,5 ml/min nie zwiększyło znacząco intensywności Ramana na poziomie 1608 cm-1. Mając w ręku zoptymalizowane warunki, przeprowadziliśmy reakcję po raz kolejny, izolując produkt z wydajnością 72%.

Rysunek 4. Widma Ramana (A) 3-acetylokumaryny, (B) aldehydu salicylowego, (Cc) octanu etylu i (D) nakładki trzech widm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5. Monitorowanie konwersji do 3-acetylokumaryny w różnych warunkach reakcji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.