Optymalizacja reakcji Ugi za pomocą syntezy równoległej i zautomatyzowanej obsługi cieczy

Summary

Reakcja Ugi okazała się wygodnym sposobem na szybkie tworzenie różnorodnych bibliotek związków. Polega na reakcji aminy, aldehydu, kwasu karboksylowego i izonitrylu zwykle w metanolu w temperaturze pokojowej. W tym filmie wykorzystujemy 48-szczelinowy blok MiniBlock firmy Mettler-Toledo wyposażony w rurki filtracyjne, a do dostarczania odczynników i rozpuszczalnika użyto automatycznego urządzenia do obsługi cieczy Mettler-Toledo MiniMapper. Interesującymi parametrami były stężenie, skład rozpuszczalnika oraz nadmiar niektórych odczynników.

Abstract

Opisano optymalizację reakcji Ugi polegającej na mieszaniu furfuryloaminy, benzaldehydu, boc-glicyny i t-butylocyjanku. Opisano trzy serie 48 równoległych eksperymentów, różniących się stężeniem, rozpuszczalnikiem i nadmiarem niektórych odczynników. Izolację produktu osiągnięto dzięki prostej procedurze filtracji i mycia. Najwyższy uzyskany uzysk wyniósł 66% z 0,4 M metanolu z 1,2 ekwiwalentem iminy. Jest to znacznie więcej niż 49% wydajność uzyskana z początkowej reakcji przy stężeniu równomolowym przy 0,4 M w metanolu. Roztwory metanolu o stężeniu odczynnika 0,4 M lub 0,2 M dawały lepszą wydajność, podczas gdy wszystkie systemy rozpuszczalnikowe o stężeniu 0,07 M działały słabo. Przy 0,2 M mieszaniny metanolu i etanolu/metanolu (60/40) były statystycznie równie dobre, podczas gdy THF/metanol (60/40) był słaby, a acetonitryl/metanol (60/40) był pośredni. W tych powtórzonych eksperymentach uzyskano dobrą powtarzalność plonów osadu, co pozwoliło na pozytywną identyfikację subtelnych efektów interakcji.

Protocol

Wprowadzenie

Reakcja Ugi okazała się wygodnym sposobem na szybkie tworzenie różnorodnych bibliotek związków (1-3). Polega na reakcji aminy, aldehydu, kwasu karboksylowego i izonitrylu zwykle w metanolu w temperaturze pokojowej. Reakcja Ugi była często wykorzystywana jako narzędzie w syntezie aktywnych farmakologicznie cząsteczek, a my wykorzystaliśmy ją do szybkiego dostępu do związków w poszukiwaniu nowych środków przeciwmalarycznych (4). Zaobserwowano, że produkty Ugi czasami wytrącają się w czystej postaci z mieszaniny reakcyjnej (1,5). Jest to bardzo korzystny wynik, ponieważ reakcję można łatwo zwiększyć bez konieczności stosowania kosztownych procedur oczyszczania, takich jak chromatografia. Najkorzystniejsze byłoby zoptymalizowanie wydajności produktu Ugi uzyskanej bezpośrednio z filtrowania mieszaniny reakcyjnej bez dalszej obróbki. W tym celu wykorzystaliśmy 48-gniazdowy blok MiniBlock firmy Mettler-Toledo (6) wyposażony w rurki filtracyjne. Do dostarczania odczynników i rozpuszczalnika użyto zautomatyzowanego urządzenia do obsługi cieczy Mettler-Toledo MiniMapper (7). Interesującymi parametrami były stężenie, skład rozpuszczalnika oraz nadmiar niektórych odczynników.

Eksperymentalny

Automatyczny płyn MiniMapper został zaprogramowany do dostarczania płynów w następującej kolejności do opróżniania probówek filtracyjnych w 48-pozycyjnym MiniBlocku: dodatkowy rozpuszczalnik, furfuryloamina (2M w metanolu), benzaldehyd (2M w metanolu), boc-glicyna (2M w metanolu) i t-butylosocyjanek (2M w metanolu). Domyślna objętość dodawania wynosiła 100 mikrolitrów. Jeśli odczynnik zostanie odnotowany jako dodany w nadmiarze, dostarczono 120 mikrolitrów. MiniBlock został następnie umieszczony na wytrząsarce na 16 godzin, a następnie przefiltrowany za pomocą odkurzacza domowego. Wykonuje się dwa płukania, dodając metanol (1 ml) do każdej probówki, a następnie wstrząsając przez 15 minut przed odfiltrowaniem. Probówki suszono następnie w wysokiej próżni w eksykatorze przez co najmniej 30 minut. Wydajność obliczono na podstawie wzrostu masy rurek filtracyjnych. Czystość oceniano za pomocą H NMR dla jednej próbki z każdego układu rozpuszczalnikowego i stężenia. Reakcje przeprowadzono w trzech egzemplarzach (8-10), a średnie plony podano w tabeli 1.

Charakterystyka produktu Ugi

tert-butyl (2-{[2-(tert-butylamino)-2-okso-1-fenyloetylo](furan-2-ylometylo)amino}-2-oksoetylo)karbaminian : białe ciało stałe; m.p.(11) 202-204 C; 1H NMR (12, spektrum) (500MHz,δppm, CDCl3) 1,33 (s, 9H), 1,45 (s, 9H), 4,21 (m, 2H), 4,49 (d, J=18Hz, 1H), 4,50 (d, J=18Hz, 1H), 5,47 (s, 1H), 5,60 (s, 1H), 5,62 (s, 1 godzina), 5,89 (s, 1 godzina), 6,10 (s, 1 godzina), 7,19 (s, 1 godzina), fenyl 7,21-7,37 (m, 5 godzin); 13C NMR (13, widmo) (500MHz, δppm, CDCl3) 28,3, 28,6, 42,3, 42,8, 51,7, 62,9, 79,5, 107,7, 110,4, 128,5, 128,7, 129,6, 134,7, 141,9, 149,8, 155,7, 168,4 170,2; IR (14, spektrum) (Ʋmax cm-1 ATR): 1645,1673,1699, 3331; FAB-HRMS (15, spektrum) (obliczone dla C24H33N3O5 m/z 444.2498 [M+H], uzyskane 444.2517.)

Analiza danych

Dane dotyczące plonu osadu zostały przeanalizowane za pomocą jedno- lub dwuczynnikowej (z powtórzeniami) analizy wariancji (ANOVA) dostępnych w Microsoft Excel. (16) Dla zmiennych, które okazały się statystycznie istotne w analizie ANOVA, test najmniejszej istotnej różnicy (LSD) Fishera został wykorzystany do określenia konkretnych warunków eksperymentalnych wykazujących znaczące różnice w wydajności osadu Ugi (17). Wszystkie testy istotności zostały przeprowadzone na poziomie ufności 95%.

Wyniki i dyskusja

Rysunek 1 podsumowuje wpływ składu rozpuszczalnika na wydajność osadu Ugi. Jednoczynnikowa ANOVA wskazuje na istotną różnicę w średniej wydajności dla czterech badanych rozpuszczalników przy stężeniu odczynnika 0,2 M. Test LSD Fishera wskazuje, że wydajność osadu uzyskana w metanolu i etanolu nie różni się statystycznie przy 95% poziomie ufności (oznaczonym kreską nad nazwami rozpuszczalników na rysunku); wydajność osadu Ugi jest znacznie wyższa w etanolu i metanolu niż w acetonitrylu, który z kolei jest znacznie większy niż w THF.

Rysunek 1: Podsumowanie wpływu składu rozpuszczalnika na wydajność osadu Ugi przy stężeniu odczynnika 0,2M. Wymienione rozpuszczalniki zawierają 40% metanolu w tym stężeniu.

Biorąc pod uwagę wpływ stężenia odczynnika, dane w Tabeli 1 pokazują, że gwałtowny spadek wydajności stwierdzono przy przejściu z 0,2M do 0,07M przy użyciu metanolu, etanolu i acetonitrylu jako rozpuszczalnika; wydajność była porównywalna w metanolu przy stężeniach 0,2M i 0,4M. Należy pamiętać, że reakcje Ugi są zwykle prowadzone w zakresie 0,5-2 M (2). Jednak w przypadku korzystania z automatycznego urządzenia do obsługi cieczy może być trudno rozpocząć od roztworów odczynników o znacznie stężeniu większym niż 2M, ustanawiając w ten sposób praktyczną górną granicę końcowego stężenia na poziomie około 0,5M. Wyniki tego badania optymalizacyjnego sugerują ostrożność w interpretacji sukcesu lub porażki reakcji Ugi poniżej 0,2 M, ponieważ najwyraźniej w grę wchodzą efekty nieliniowe.

Rysunek 2 podsumowuje wpływ składu rozpuszczalnika i nadmiaru odczynnika na wydajność osadu Ugi przy stężeniu odczynnika 0,2M. Dwuczynnikowe wyniki ANOVA wskazują na statystycznie istotny efekt nadmiaru rozpuszczalnika i odczynnika. Ponadto istnieje statystycznie istotna interakcja między tymi dwiema zmiennymi. Szczegóły interakcji przedstawiono na rysunku 2, który pokazuje, że na wydajność osadu ma wpływ zastosowany rozpuszczalnik. Ponownie należy zauważyć, że słupki nad czynnikami na rysunku wskazują, że plony nie różnią się statystycznie przy 95% poziomie ufności. Zarówno w przypadku etanolu, jak i metanolu najlepsze plony uzyskuje się w nadmiarze iminy lub izonitrylu, podczas gdy w przypadku acetonitrylu znacznie lepsze wyniki uzyskuje się w nadmiarze aminy, aldehydu lub izonitrylu. Jak zauważono powyżej w omówieniu wyników w tabeli 1, ogólny uzysk osadu jest niski dla THF jako rozpuszczalnika i tylko nadmiar iminy prowadzi do statystycznie istotnej poprawy wydajności osadu. Te różne wzorce poprawy wydajności dla czterech rozpuszczalników prowadzą do statystycznie istotnego efektu interakcji i mogą być wskaźnikiem różnych interakcji produktu Ugi z różnymi rozpuszczalnikami. Chociaż wyniki liczbowe w tabeli 1 pokazują, że najlepszy plon uzyskano w 0,4 M metanolu z 1,2 ekwiwalentem nadmiaru iminy, 0,2 M mieszaniny acetonitrylu/metanolu i 0,2 M etanolu / metanolu również zapewniły znaczne plony. Należy zwrócić szczególną uwagę na to, że wszystkie mieszaniny THF/metanol na poziomie 0,2 M dały bardzo słabe wyniki. Reakcja Ugi została z powodzeniem przeprowadzona w różnych rozpuszczalnikach, w tym THF (2). Należy zauważyć, że niskie plony nie oznaczają, że reakcja Ugi nie zaszła w mieszaninach THF, a jedynie, że nie powstał osad.

Rysunek 2: Podsumowanie wpływu składu rozpuszczalnika i nadmiaru odczynnika na wydajność osadu Ugi przy stężeniu odczynnika 0,2M. Wymienione rozpuszczalniki zawierają 40% metanolu w tym stężeniu.

Rysunek 3 podsumowuje wpływ stężenia i nadmiaru odczynnika na wydajność osadu Ugi przy użyciu metanolu jako rozpuszczalnika. Dwuczynnikowe wyniki ANOVA wskazują na statystycznie istotny efekt stężenia i nadmiaru odczynnika. Jak opisano powyżej, wydajność osadu przy stężeniach odczynników 0,2 M i 0,4 M jest znacznie większa niż przy 0,07 M (ale nie różnią się od siebie). Ponadto istnieje statystycznie istotna interakcja między dwiema badanymi zmiennymi. Należy zauważyć, że wzorzec poprawy wydajności osadu z tożsamością nadmiaru odczynnika jest na ogół taki sam przy wyższych stężeniach odczynnika.

Rysunek 3: Podsumowanie wpływu stężenia i nadmiaru odczynnika na wydajność osadu Ugi w rozpuszczalniku metanolowym.

Ogólnie rzecz biorąc, wyniki opisane na rysunkach 2 i 3 pokazują, że zaistniały interakcje między wyborem rozpuszczalnika, stężeniem odczynnika i tożsamością odczynnika w nadmiarze, ale ogólnie były one bardziej subtelne niż bezpośrednie efekty rozpuszczalnika i stężenia. Inni uzyskali podobne wyniki podczas optymalizacji reakcji Ugi (18).

Wniosek

Eksperyment optymalizacyjny wykazał, że najwyższa wydajność z 48 serii wyniosła 66% z 0,4 M metanolu z 1,2 ekwiwalentem iminy. Jest to znacznie więcej niż 49% wydajność uzyskana z początkowej reakcji przy stężeniu równomolowym przy 0,4 M w metanolu. W tych powtórzonych eksperymentach uzyskano dobrą powtarzalność plonów osadu, co pozwoliło na pozytywną identyfikację subtelnych efektów interakcji.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Odczynnik furfuryloaminy		Sigma-Aldrich	F20009
Odczynnik benzaldehydu		Sigma-Aldrich	12010
Odczynnik glicyny		boc TCI America	B1185
odczynnik t-butylosocyjanku		TCI America	B1274