Wykorzystanie mikrorurowych reaktorów z przepływem zatrzymanym do rozwoju przemian organicznych
January 4th, 2018
Przedstawiono protokół badania przesiewowego reakcji organicznych przy użyciu reaktorów SFMT (stop-flow micro-tubing) wykorzystujących reagenty gazowe i/lub reakcje za pośrednictwem światła widzialnego.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest badanie przesiewowe reakcji przy użyciu platformy reaktora z mikrorurkami z przepływem zatrzymanym, która łączy w sobie elementy zarówno z reaktorów o przepływie ciągłym, jak i reaktorów okresowych. Wynaleźliśmy tę technologię, aby przezwyciężyć problemy polegające na tym, że system ciągłego przepływu mikrorurek nie jest skuteczny w przypadku reakcji na małą skalę, a także badań przesiewowych reakcji. Różnica między naszym systemem reaktorów z mikrorurkami z przepływem a systemem ciągłej reakcji mikrorurek polega na tym, że przed i po każdej mikrorurce w naszym systemie znajdują się dwa zawory.
Głównymi zaletami tej techniki jest to, że jest ona ekologiczna, bezpieczna, łatwa w użyciu do badań przesiewowych reakcji i bardziej wydajna niż konwencjonalne reaktory stołowe, ale obejmuje transformację organiczną. Aby przygotować reaktor z mikrorurkami z przepływem zatrzymującym, owiń 300 centymetrów rurki PFA o wysokiej czystości w wąski pierścień. Zabezpiecz rurkę opaskami zaciskowymi.
I podłącz zawór odcinający do każdego końca. Łatwo jest skonstruować reaktor SFMT, dlatego po prostu przygotowujemy reakcję SMFT dla każdego stanu, który ma być badany. Podłącz reaktor do regulatora ciśnienia wstecznego 20 psi i niskociśnieniowej trójnika podłączonej do zbiornika acetylenu za pomocą zaworu iglicowego.
Zanurz koniec zestawu regulacyjnego przeciwciśnieniowego w acetonie. Następnie umieścić 58,5 miligrama 4-jodoanizolu w 10 ml kolbie okrągłodennej z mieszadłem. Dodać do kolby 8,5 miligrama chlorku bis(trifenylofosfiny) palladu, 1 miligram jodku miedzi, 80 mikrolitrów DIPEA, i 2,5 mililitra dimetylosulfotlenku.
Zakorkować kolbę gumową przegrodą i rozpocząć mieszanie mieszaniny w temperaturze pokojowej. Użyj balonu wypełnionego araganem, aby odgazować mieszaninę przez 15 minut, mieszając. Po zakończeniu odgazowywania wyjmij igłę odpowietrzającą, a następnie zespół balonu.
Następnie użyj krótkiego odcinka rurki PFA o wysokiej czystości i złączki do igły typu luer, aby wyposażyć ośmiomilimetrową strzykawkę ze stali nierdzewnej w długą igłę. Wprowadzić igłę przez przegrodę do dna kolby. I wciągnąć ciecz reakcyjną do strzykawki.
Odłączyć strzykawkę od igły. Zabezpiecz strzykawkę w pompie strzykawkowej i podłącz strzykawkę do trójnika łączącego reaktor SMFT i acetylen. Przedmuchnąć rurkę acetylenem gazowym, aż na regulatorze ciśnienia wstecznego zaobserwuje się pęcherzyki.
Następnie zacznij ładować mieszaninę reakcyjną do reaktora z prędkością 300 mikrolitrów na minutę. Użyj zaworu iglicowego, aby wyregulować natężenie przepływu acetylenu, aż stosunek cieczy do gazu między złączką T a zaworem odcinającym wlot reaktora wyniesie jeden do jednego. Zamknąć zawór odcinający wylot reaktora, gdy cała mieszanina reakcyjna zostanie załadowana do rurki, a mieszanina zacznie wyciekać z wylotu regulatora ciśnienia zwrotnego.
Zwiększyć ciśnienie w reaktorze acetylenem, aż mieszanina reakcyjna zostanie unieruchomiona w reaktorze. Następnie zamknij zawór odcinający wlot reaktora i zawór iglicowy. Odłącz reaktor od układu i umieść go w kąpieli oleju silikonowego, podgrzanej do żądanej temperatury reakcji, uważając, aby zawory odcinające nie miały dostępu do oleju.
Pozostawić reaktor w kąpieli olejowej na jedną godzinę. Następnie użyj heksyny do wypłukania oleju silikonowego z reaktora. Użyj ośmiomililitrowej strzykawki ze stali nierdzewnej, aby przepchnąć mieszaninę reakcyjną z reaktora do 20-mililitrowej fiolki.
Przepłukać pozostałość do fiolki czterema mililitrami eteru dietylowego. Przemyć mieszaninę czterema mililitrami wodnego roztworu chlorku amonu i wyekstrahować produkt do 1,5 mililitra eteru dietylowego. Określ wydajność za pomocą GC-MS.
Aby wyczyścić system, użyj pompy strzykawkowej i umyj rurkę rozpuszczalnikiem, który zostanie użyty w następnej reakcji. Osuszyć system azotem gazowym przez 20 minut. Aby zbudować reaktor SFMT, owiń 340 centymetrów rurki PFA o wysokiej czystości w pierścień i dopasuj końce do zaworów odcinających.
Następnie połącz odczynniki do reakcji w 10-mililitrowej fiolce i zamknij fiolkę silikonową zatyczką z przegrodą. Odgazowuje mieszaninę przez 15 minut za pomocą balonu araganowego. Usuń igły po odgazowaniu.
Podłącz reaktor do przewodu gazowego arganowego za pomocą szczytowego korpusu złączki i oczyszczaj reaktor argonem przez pięć minut. Następnie zamknij oba zawory odcinające reaktora, aby zachować atmosferę argonu. Następnie wyposaż trzymililitrową strzykawkę w długą igłę.
Przekłuć przegrodę fiolki i pobrać wstępnie zmieszaną mieszaninę reakcyjną do strzykawki. Następnie odwrócić strzykawkę i delikatnie postukać w tłok, aż wszystkie pęcherzyki zostaną usunięte, pozostawiając w strzykawce tylko mieszaninę reakcyjną. Delikatnie wstrząsnąć strzykawką, aby zapewnić jednorodność.
Użyj adaptera luer, aby podłączyć strzykawkę do reaktora SFMT. Otworzyć oba zawory odcinające i wprowadzić mieszaninę reakcyjną do reaktora, ręcznie lub za pomocą pompy strzykawkowej. Zamknij oba zawory odcinające i umieść reaktor pośrodku niebieskiego paska LED.
Napromieniuj mieszaninę przez pięć do 48 godzin, zgodnie z życzeniem. Następnie użyj trzymililitrowej strzykawki, aby wepchnąć mieszaninę reakcyjną do czystej kolby okrągłodennej. Wypłukać pozostałość do kolby z nadmiarem eteru dietylowego w celu otrzymania produktu surowego.
Zagęścić produkt i określić współczynnik konwersji za pomocą analizy protonowej NMR, dodając odpowiednią ilość 1, 3, 5 trimetoksybenzenu jako wzorca wewnętrznego. Najpierw owiń 300 centymetrów rurki PFA o wysokiej czystości w wąski pierścień i dopasuj końce do zaworów odcinających. Podłączyć reaktor do regulatora ciśnienia zwrotnego i do trójnika połączonego szeregowo z zaworem iglicowym i zbiornikiem acetylenu.
Następnie, w obojętnej atmosferze, rozpuść odczynniki i trzy mililitry acetonitrylu w 10-mililitrowej fiolce. Uszczelnić fiolkę nakrętką i silikonową przegrodą. Mieszaninę reakcyjną odgazowywać argonem w łaźni lodowej przez 10 minut.
Następnie usuń igły gazowe i odpowietrzające oraz 56 mikrolitrów DIPEA do mieszanki. Odgazuj mieszaninę w łaźni lodowej przez kolejne pięć minut. Po zakończeniu usuń igły.
Następnie narysuj mieszaninę reakcyjną do ośmiomililitrowej strzykawki ze stali nierdzewnej wyposażonej w długą igłę. Podłączyć strzykawkę do pompy strzykawkowej i podłączyć strzykawkę do trójnika zespołu SFMT. Oczyść rurkę acetylenem gazowym.
Następnie zacznij pompować mieszaninę do rurki z prędkością 100 mikrolitrów na minutę. Dostosuj natężenie przepływu acetylenu, aby uzyskać stosunek gazu do cieczy dwa do jednego, a rurka między złączką T a zaworem odcinającym wlot reaktora. Gdy mieszanina reakcyjna zostanie całkowicie załadowana do reaktora, zamknij zawór odcinający wylot reaktora.
Zwiększ ciśnienie w reaktorze, aż mieszanina zostanie unieruchomiona w przewodach. Następnie zamknij zawór odcinający wlot reaktora i zawór iglicowy. Przenieś reaktor do podgrzewanej łaźni wodnej umieszczonej pod niebieskimi diodami LED, utrzymując zawór nad wodą.
Pozwól mieszaninie reagować przez trzy godziny. Następnie przenieść mieszaninę reakcyjną do kolby okrągłodennej i przepłukać rurkę nadmiarem eteru dietylowego. Zagęścić mieszaninę reakcyjną w celu otrzymania produktu surowego.
Określić stosunek produktu za pomocą analizy fluoru 19 PNR. Sprzężenia Sonogashira czterech anizoli ayoto z gazem acetylenowym oceniano w 11 różnych warunkach przy użyciu wielu reaktorów SFMT i równolegle Optymalne warunki SMFT skutkowały lepszą konwersją i selektywnością niż uzyskano w konwencjonalnym reaktorze wsadowym. Co więcej, badanie przesiewowe SFMT zostało zakończone w czasie krótszym niż trzy godziny.
Fotomediowaną przemianę tetrametyloetylenu i benzylidynomelanitrylu przeprowadzono w partiach w reaktorach SFMT. Reakcja SFMT została zakończona w ciągu zaledwie pięciu godzin, podczas gdy reakcja okresowa trwała 18 godzin. To skrócenie czasu reakcji może być wynikiem zwiększonego rozpraszania jednorodnego światła na odczynniki w mikrorurkach.
Wykorzystanie acetylenu jako surowca do katalizy fotoredoks testowano w partiach w reaktorach SFMT. W reakcji okresowej zaobserwowano mniej niż pięcioprocentową konwersję, podczas gdy w reakcji SFMT zaobserwowano 97% konwersję. Przypisano to zwiększonej rozpuszczalności acetylenu i acytonitrylu w wyższej temperaturze osiąganej w szczelnym reaktorze z mikrorurkami.
SFMT jest jednym z najlepszych reaktorów wykorzystujących mikrorurki jako pojemnik reakcyjny. Pompy służą do wprowadzania odczynników do tych reaktorów. Dzięki tej technice czas reakcji nie jest ograniczony długością mikrorurki.
Każda udana reakcja SFMT może być łatwo przekształcona w ciągłą prędkość przepływu i produkcję. SFMT potrzebuje tylko niewielkiej ilości odczynnika, aby zwiększyć wydajność z odgadnięciem i lekkim promowaniem transformacji. Umożliwia również bezpieczniejsze gazy palne, zwłaszcza w warunkach wysokiego ciśnienia.
Istnieje wiele korzyści, jakie niesie ze sobą to, że reaktory SFMT zapewniają dostępne warunki pracy reaktorów okresowych i pozwalają uniknąć wielu ograniczeń związanych z reaktorami o przepływie ciągłym. Dlatego okazuje się, że jest to ważna metoda uzupełniająca dla laboratoriów.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia protokół do badania reakcji organicznych z wykorzystaniem platformy reaktora mikro-rurowego o przepływie zatrzymanym. Ten innowacyjny system łączy cechy reaktorów przepływowych ciągłych i dyskretnych, rozwiązując nieefektywności w badaniu reakcji na małą skalę.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia
- Badanie reakcji organicznych
- Zielona chemia
Tło
- Ciągłe systemy przepływu mikro-rurowego są nieefektywne dla reakcji na małą skalę.
- Reaktor mikro-rurowy o przepływie zatrzymanym zawiera dwie zawory dla lepszej kontroli.
- Ta technologia ma na celu poprawę procesów badania reakcji.
- Jest zaprojektowana tak, aby być bezpieczna i łatwa w użyciu.
Cel badania
- Rozwój bardziej efektywnej metody badania reakcji organicznych.
- Połączenie zalet reaktorów przepływowych ciągłych i dyskretnych.
- Zaoferowanie zielonej alternatywy dla transformacji organicznych.
Stosowane metody
- Budowa reaktora mikro-rurowego o przepływie zatrzymanym z wykorzystaniem wysokoczystej rury PFA.
- Wykorzystanie gazowych substratów i reakcji zredukowanych światłem widzialnym.
- Zastosowanie systemu z dwoma zaworami dla lepszej kontroli reakcji.
- Badanie różnych reakcji organicznych w celu oceny efektywności.
Główne wyniki
- Reaktor mikro-rurowy o przepływie zatrzymanym wykazał lepszą efektywność niż konwencjonalne metody.
- Skutecznie ułatwiał transformacje organiczne w bezpieczniejszy sposób.
- Badanie reakcji zostało uproszczone i zwiększono jego efektywność.
- System okazał się przyjazny dla użytkowników, czyli badaczy.
Wnioski
- Reaktor mikro-rurowy o przepływie zatrzymanym jest obiecującym narzędziem do badania reakcji organicznych.
- Rozwiązuje kluczowe ograniczenia istniejących systemów przepływowych ciągłych.
- Ta technologia wspiera praktyki zielonej chemii.
Często zadawane pytania
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.
