Summary
Tidstro overvågning muliggør hurtig optimering af reaktioner udført med kontinuerlig strømning behandling. Her fremstilling af 3-acetylcoumarin anvendes som et eksempel. Apparatet til at udføre in-situ Raman overvågning beskrives, ligesom de trin, der kræves for at optimere reaktionen.
Abstract
Ved at bruge inline overvågning, er det muligt at optimere reaktioner udført med kontinuerlig strømning forarbejdning i en enkel og hurtig måde. Det er også muligt at sikre en ensartet produktkvalitet over tid ved hjælp af denne teknik. Vi viser her hvordan interface en kommercielt tilgængelig flow enhed med en Raman-spektrometer. Raman flow Cellen anbringes efter modtryksregulator, hvilket betyder, at den kan betjenes ved atmosfærisk tryk. Desuden kan den omstændighed, at strømmen af produkt passerer gennem en slangelængde før indtastning strømningscellen betyder, at materialet er ved stuetemperatur. Det er vigtigt, at spektrene er erhvervet under isotermiske betingelser, da Raman signalintensitet er temperaturafhængig. Efter at have samlet apparatet, så viser vi, hvordan at overvåge en kemisk reaktion, idet piperidin-katalyserede syntese af 3-acetylcoumarin fra salicylaldehyd og ethylacetoacetat brugt som et eksempel. Reaktionen kan udføres over et område af strømningshastigheder end temperaturer, in-situ overvågning værktøj, der bruges til at optimere betingelserne enkelt og nemt.
Introduction
Ved at bruge kontinuerlig flow behandling, er kemikere konstateringen af, at de kan udføre en række kemiske reaktioner sikkert, effektivt og med lethed 1,2. Som følge heraf er flow kemi udstyr blive en integreret værktøj til at køre reaktioner både i industrielle indstillinger samt forskningslaboratorier i akademiske institutioner. En lang række syntetiske kemi transformationer er blevet udført i flow reaktorer 3,4. I udvalgte tilfælde har reaktioner, der ikke fungerer i batch vist sig at forløbe glat under kontinuerlig strømning 5. For både reaktionen optimering og kvalitetskontrol, inkorporering af in-line reaktionen overvågning med flow forarbejdning giver betydelige fordele. In-line overvågning giver kontinuerlig analyse med real-time reaktion på faktiske prøve forhold. Det er hurtigere og, i nogle tilfælde, mere pålidelig end sammenlignelige off-line teknikker. En række in-line analyseteknikker er blevet sammenkoblet med flave reaktorer 7. Eksempler omfatter infrarød 8,9, UV-synlige 10,11, NMR 12,13, Raman spektroskopi 14,15, og massespektrometri 16,17.
Vores forskergruppe har grænseflader en Raman spektrometer med en videnskabelig mikrobølgeenhed 18. Ved hjælp af denne, har en række reaktioner blevet overvåget fra både et kvalitativt 19 og kvantitativ 20 synspunkt. Med udgangspunkt i denne succes, har vi for nylig grænseflader vores Raman spektrometer med en af vores kontinuerlig gennemstrømning enheder og ansat den til in-line reaktion overvågning af en række centrale medicinsk relevante organiske transformationer. 21 I hvert tilfælde var det muligt at overvåge reaktioner og også i et eksempel ved hjælp af en kalibreringskurve, kunne vi bestemme produktets konvertering fra Raman spektrale data. I Her beskriver vi, hvordan du opsætter apparatet og bruge det til at overvåge reaktioner. Vi bruger piperidin-katalyserede syntese af 3-acetylcoumarin (1) fra salicylaldehyd med ethylacetoacetat (figur 1) som model reaktionen her.
Figur 1. Base katalyseret kondensationsreaktion mellem salicylaldehyd og ethylacetoacetat at give 3 acetylcoumarin (1). Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Find Egnede Signaler for reaktion Overvågning
- Opnå Raman spektre for alle udgangsmaterialer og produktet.
- Overlay spektre og identificere en intenst bånd der er unik for produktet.
- Brug denne Raman band til at overvåge forløbet af reaktionen. Et bånd ved 1.608 cm-1 blev udvalgt i dette tilfælde.
2. Opsæt Flow Cell
- Opnåelse af en passende flow-celle. Her bruger en med følgende dimensioner: bredde på 6,5 mm, højde på 20 mm, og en sti længde på 5 mm (figur 2A).
- Anbring flowcellen i en beholder, der giver et miljø frit for omgivende lys.
- Tilslut slangen til indløbet og udløbet af strømningscellen (i dette tilfælde 1 mm ID PFA slanger).
3. Grænseflade Raman spektrometer med Flow Cell
- Opnåelse af en passende Raman spektrometer med en fleksibel optisk anordning, der kan placeres i Cmister nærhed til flowcellen.
- Placer optiske anordning gennem en passende størrelse åbning i kassen med strømmen cellekonstruktion (figur 2B).
- Skub det optiske forsamling, indtil det rører strømmen celle og derefter trække det tilbage efterlader et hul på ~ 2 mm.
- Fyld flowcellen med 100% acetone.
- Tænd for Raman spektrometer og erhverve spektre i kontinuerlig-scanning.
- Fokus laseren ved forsigtigt at bevæge lysrør en brøkdel ad gangen. Hold bevæge lysrør, indtil signalet er størst intensitet og toppene er skarpe og veldefinerede.
Figur 2. (A) Flow celle og (B) Raman anvendte brugerflade. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
4. Forbered Reagens og solvens Løsninger
- Tilføj salicylaldehyd (6.106 g, 50 mmol, 1 ækv) og ethylacetoacetat (6,507 g, 50 mmol, 1 ækv) til en 50 ml målekolbe.
- Tilføj ethylacetat til et samlet volumen på 50 ml og derefter blandes grundigt indholdet.
- Overfør en 10 ml alikvot af stamopløsningen til en 20 ml glasbeholder indeholdende en magnetisk omrører. Mærk denne hætteglas "reagens".
- I en 100 ml flaske sted 90 ml ethylacetat. Mærk denne flaske "opløsningsmiddel". I en 100 ml flaske sted 90 ml acetone. Mærk denne flaske "solvent opsnappe".
5. Forbered Flow Apparatus
- Sørg for, at strømmen enhed har mindst to pumper, og mærke dem "P1" og "P2". Identificer opløsningsmiddel og reagens tilgangsledninger for hver pumpe. Placer exit linjer fra de "indsamle" og "affald" linjer i to individual 100 ml flasker mærket "produkt" og "affald", hhv.
- Som en reaktor bruge en 10 ml kapacitet PFA spole stand til at blive opvarmet.
- Tilslut slangen forlader P1 til indløbet af PFA reaktoren spole.
- Installer en tre-port polyether ether keton (PEEK) tee-mixer efter reaktoren spole.
- Tilslut slangen forlader P2 til tee-mixer, 180 ° fra reaktoren coil exit rør. Tilslut et stykke slange til den tredje port på Tee-mixer. På den anden ende af dette rør placere en modtryksregulator.
- Tilslut en linje fra outputtet af modtryksregulator til indgangen på flowcellen. Tilslut en linje fra outputtet af flowcellen til "affald / indsamle" switch.
- Prime opløsningsmidlet linjer for både P1 og P2 samt reagenset linje for P1 med opløsningsmiddel. Flyt reagens linje for P1 fra opløsningsmidlet flasken til reagensflaske.
- Brug af P1, passerer ethylacetat gennem reaktorenspole på 2 ml / min, indtil den er fyldt. Pass acetone gennem P2 ved en strømningshastighed på 2 ml / min i 2 min.
- Juster opløsningsmiddel satser flow for både P1 og P2 til 1 ml / min. Indstil modtryksregulator til et tryk på 7 bar. Indstil reaktoren spoletemperatur til den ønskede temperatur.
- Dobbelt-tjek udstyret er udformet som vist i den skematiske i figur 3.
- Når systemet når en konstant temperatur og tryk, check for lækager og derefter køre reaktionen.
Figur 3. Skematisk af udstyret konfiguration, der anvendes til reaktion overvågning eksperimenter. Klik her for at se en større version af dette tal.
6. Overvåg Reaktion
- Takea baggrund scanning af ethylacetat / acetone opløsningsmiddelsystem som det passerede gennem flowcellen. Dette vil automatisk blive trukket fra alle efterfølgende scanninger.
- Konfigurere spektrometer at tage scanner hver 15 sekunder (i dette tilfælde Raman spektrometer blev sat til en 10 sek integrationstid, boxcar = 3 og gennemsnitlig = 1).
- Injicer piperidin (0,05 ml, 0,05 mmol, 0,1 ækv) på en gang i hætteglas mærket "reagens".
- Efter grundig blanding, skifte P1 fra "opløsningsmiddel" til "reagens." Indstil exit strøm til "indsamle".
- Når alt materiale er helt lastet, switch P1 fra "reagens" tilbage til "opløsningsmiddel." Fortsæt strømmende opløsningsmiddel gennem reaktoren spolen i yderligere 30 minutter. Når denne tid er gået, skal du slukke for opvarmning.
- Drej pumper P1 og P2 fra, når reaktoren spoletemperatur er afkølet til under 50 ° C.
7. analysere data
Bemærk: Højere Raman intensitet korrelerer med højere produkt konvertering.
8. Kør Reaktion Brug optimerede betingelser
- Under screenet forskellige betingelser (varierende strømningshastigheder / reaktortemperaturer), udføre reaktionen under anvendelse af de optimerede betingelser for at give produktet højeste konvertering.
9. Isoler Produktet
- Tage indholdet af produktet kolbe og hæld det i et bægerglas indeholdende 100 ml is og 20 ml 2 M HCl.
- Skyl produktet kolbe med en minimal mængde ethylacetat (2 ml) og overføres til bægerglasset.
- Rør den iskolde blandingindtil al isen er helt smeltet.
- Oprette et filtersystem med en Hirsch-tragt, sidearm kolbe, gummimanchet og en længde på gummi vakuumslangen.
- Filtrer det fremkomne bundfald under vakuum, skylles med koldt diethylether (10 ml) og lade det tørre under en varmelampe (2-3 timer) eller tør O / N under vakuum.
- Bekræfte identiteten af produktet ved 1H kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi ved anvendelse af CDCl3 som opløsningsmiddel. For en 500 MHz NMR-spektrometer, 1H-NMR-data for 3-acetylcoumarin er som følger: δ = 2,73 (s, 3H) 7,31 - 7,40 (m, 2H) 7,65 (ddd, J = 7,53, 4,37, 2,60 Hz , 2 H) 8,51 (s, 1H) ppm, 13C NMR data: 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fremstillingen af 3-acetylcoumarin med kontinuerlig strømning blev valgt som en repræsentativ reaktion til in-line overvågning. I batch, forløber reaktionen godt, når anvendelse af ethylacetat som opløsningsmiddel. Men produktet (1) ikke er fuldstændig opløseligt ved stuetemperatur. For at forhindre potentiel tilstopning af modtryksregulator, samt mindske risikoen for at faste partikler i strømmen celle, som ville forstyrre signal erhvervelse, brugte vi en teknik, som vi udviklet tidligere for denne og andre reaktioner 22. Vi opfanget produktstrømmen efter reaktionen spole med acetone for at opløse produktet, og gør det muligt at passere gennem flowcellen og modtryksregulator uhindret.
For at identificere en egnet Raman signal til overvågning vi forudsagde Raman-spektret af 1 og de to udgangsmaterialer (salicylaldehyd og ethylacetoacetat) ved hjælp af computerprogrammet Gauss 09 (figur 4A B og C) 23. Det skal bemærkes, at eksperimentelt afledte Raman spektre af udgangsmaterialer og produktet også kan anvendes, hvis man ikke har adgang til Gaussian 09. En overlejring af de tre spektre (figur 4D) indikerede, at mens 1 udviser stærk Raman-aktive strækning tilstande på 1.608 cm -1 og 1.563 cm-1, udgangsmaterialerne udviser minimal Raman aktivitet på dette område. Som et resultat, vi valgte at overvåge signalet ved 1.608 cm -1.
Som udgangspunkt blev reaktionsblandingen kørt ved 25 ° C og et reagens strømningshastighed på 1 ml / min, og Raman intensitet ved 1.608 cm-1 blev registreret (figur 5). Med det mål at opnå den højest mulige omdannelse, vi næste udføres reaktionen ved højere temperaturer. Opererer ved en strømningshastighed på 1 ml / min, hvilket øger reaktionstemperaturen først til 65 ° C og derefter 130 ° C resulterede i en samtidig stigning i produkt konvertering som det fremgår af den stadige stigning i Raman intensitet ved 1.608 cm -1. Ved en reaktor coil temperatur på 130 ° C, faldende strømningshastigheden fra 1,0 til 0,5 ml / min havde ikke øge Raman intensitet ved 1.608 cm-1. Med optimerede betingelser i hånden, udførte vi reaktionen en gang mere, isolering af produktet i 72% udbytte.
Figur 4. Raman spektre af (A) 3 acetylcoumarin, (B) salicylaldehyd, (Cc) ethylacetoacetat, og (D) en overlejring af de tre spektre. Klik her for at se en større version af dette tal.
93fig5.jpg "/>
Figur 5. Overvågning af konvertering til 3 acetylcoumarin tværs af en række reaktionsbetingelser. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den lethed, hvor Raman spektrometer kan være forbundet med luftmængdeenheden gør denne inline teknik værdifulde til omsætning overvågning. En række reaktionsbetingelser variabler kan probes i en fremskyndet måde, så brugeren kan nå frem til optimerede reaktionsbetingelser hurtigere end ved brug offline metoder. Anvendelse af teknikkerne beskrevet heri, også er muligt at overvåge dannelsen af biprodukter, under forudsætning af en passende bånd kan findes. Betingelser kan screenes og udvælges, som gør det muligt for både den højeste omdannelse af produktet, og også den laveste mængde urenhed. Den kvantitative overvågning af reaktioner er også mulig. Da Raman signalintensitet er proportional med koncentrationen, kan en kalibreringskurve udledes ved at registrere Raman spektre af prøver med kendt koncentration af produktet. Ved hjælp af denne, er det muligt at omdanne enheder af Raman intensitet til enheder af koncentration i standardbetingelser.
Kritisk stEPS i protokollen omfatter den korrekte samling af reaktoren slanger og interfacing af Raman celle. Det anbefales, at konfigurationen tæthedsprøves ved hjælp af enten vand eller acetone før udførelse af reaktionen. Desuden fokus Raman laser ved korrekt at placere kvarts lys røret er afgørende for succes i protokollen. Dårlig signalstyrke er et tegn på, at enten laseren ikke er passende fokuseret, eller der er en vis partikler i reaktionsblandingen.
Den her beskrevne apparat er med held anvendt til at overvåge tre andre reaktioner, der alle vedrører dannelsen af produkter med a, p-umættede carbonylgrupper dele, nemlig Knovenagel og Claisen-Schmidt kondensationer og en Biginelli reaktion 20. Raman spektrometer fungerer som et supplerende redskab til andre in-situ overvågning sonder. For eksempel kan den anvendes i tilfælde, hvor IR-spektroskopi ikke er tilfredsstillende som nårreaktionen udføres i vandige medier eller ved placering af proben spektrometer i fysisk kontakt med reaktionsblandingen ikke ønskes 24,25. Begrænsninger for anvendelsen af Raman spektroskopi nævnes, at reaktionsblandingen skal være helt homogent for at undgå spredning signal. Eftersom sandsynligheden for en Raman begivenhed er relativt lav, prøverne skal relativt koncentreret med henblik på at opnå tilfredsstillende signal-til-støj-forhold. Det er vores erfaring, det kræver at arbejde ved koncentrationer på eller over 0,25 M.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Salicylaldehyde | Sigma-Aldrich | S356 | Reagent Grade, 98% |
| Ethyl acetoacetate | Acros Organics | 117970010 | 99% |
| Piperidine | Sigma-Aldrich | 104094 | Reagent Plus, 99% |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 320331 | ACS Reagent, 37% |
| Ethyl acetate | Sigma-Aldrich | 34858 | CHROMASOLV, for HPLC, >99.7% |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 650501 | CHROMASOLV, for HPLC, >99.9% |
| Flow cell | Starna Cells | 583.65.65-Q-5/Z20 | |
| Flow unit | Vapourtec | E-series system | |
| Raman spectrometer | Enwave Optronics Inc | Model EZRaman-L |
References
- Wiles, C., Watts, P. Micro Reaction Technology in Organic Synthesis. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2011).
- van den Broek, S. A. M. W., et al. Continuous Flow Production of Thermally Unstable Intermediates in a Microreactor with Inline IR-Analysis: Controlled Vilsmeier–Haack Formylation of Electron-Rich Arenes. Org. Process Res. Dev. 16 (5), 934-938 (2012).
- Baxendale, I. R. The integration of flow reactors into synthetic organic chemistry. J. Chem. Technol. Biotechnol. 88 (4), 519-552 (2013).
- Malet-Sanz, L., Susanne, F. Continuous Flow Synthesis. A Pharma Perspective J. Med. Chem. 55 (9), 4062-4098 (2012).
- Hartwig, J., Metternich, J. B., Nikzad, N., Kirschning, A., Ley, S. V. Continuous flow chemistry: a discovery tool for new chemical reactivity patterns. Org. Biomol. Chem. 12 (22), 3611-3615 (2014).
- De Beer, T., et al. Near infrared and Raman spectroscopy for the in-process monitoring of pharmaceutical production processes. Int. J. Pharm. 417, 32-47 (2001).
- McMullen, J. P., Jensen, K. F. Integrated microreactors for reaction automation: New approaches to reaction development. Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 19-42 (2010).
- Moore, J. S., Jensen, K. F. Automated multitrajectory method for reaction optimization in a microfluidic system using online IR analysis. Org. Process Res. Dev. 16 (8), 1409-1415 (2012).
- Carter, C. F., et al. ReactIR Flow Cell: A New Analytical Tool for Continuous Flow Chemical Processing. Org. Process Res. Dev. 14 (2), 393-404 (2010).
- Ferstl, W., et al. Inline Analysis in Microreaction Technology: A Suitable Tool for Process Screening and Optimization. Chem. Eng. Technol. 30 (3), 370-378 (2007).
- Benito-Lopez, F., et al. Optical fiber-based on-line UV/Vis spectroscopic monitoring of chemical reaction kinetics under high pressure in a capillary microreactor. Chem. Commun. (22), 2857-2859 (2005).
- Gökay, O., Albert, K. From single to multiple microcoil flow probe NMR and related capillary techniques: a review. Anal. Bioanal. Chem. 402 (2), 647-669 (2012).
- Jones, C. J., Larive, C. K. Could smaller really be better? Current and future trends in high-resolution microcoil NMR spectroscopy. Anal. Bioanal. Chem. 402 (1), 61-68 (2012).
- Mozharov, S., et al. Improved Method for Kinetic Studies in Microreactors Using Flow Manipulation and Noninvasive Raman Spectrometry. J. Am. Chem. Soc. 133 (10), 3601-3608 (2011).
- Chaplain, G., Haswell, S. J., Fletcher, P. D. I., Kelly, S. M., Mansfield, A. Development and evaluation of a Raman flow cell for monitoring continuous flow reactions. Aust. J. Chem. 66 (2), 208-212 (2013).
- Browne, D. L., et al. Continuous flow reaction monitoring using an on-line miniature mass spectrometer. Rapid Comm. Mass. Spectrosc. 26 (17), (1999).
- Koster, S., Verpoorte, E. A decade of microfluidic analysis coupled with electrospray mass spectrometry: An overview. Lab Chip. 7 (11), 1394-1412 (2007).
- Leadbeater, N. E., Schmink, J. R., Hamlin, T. A. Tools for Monitoring Reactions Performed Using Microwave Heating. Microwaves in Organic Synthesis. de la Hoz, A., Loupy, A. 1, Third Edition, Wiley-VCH. Weinheim, Germany. 327-376 (2012).
- Leadbeater, N. E., Schmink, J. R. Use of Raman spectroscopy as a tool for in situ. monitoring of microwave-promoted reactions. Nature Protoc. 3 (1), 1-7 (2008).
- Schmink, J. R., Holcomb, J. L., Leadbeater, N. E. Use of Raman spectroscopy as an In Situ. Tool to Obtain Kinetic Data for Organic Transformations. Chem. Eur. J. 14 (32), 9943-9950 (2008).
- Hamlin, T. A., Leadbeater, N. E. Raman spectroscopy as a tool for monitoring mesoscale continuous-flow organic synthesis: Equipment interface and assessment in four medicinally-relevant reactions. Beilstein J. Org. Chem. 9, 1843-1852 (2013).
- Kelly, C. B., Lee, C., Leadbeater, N. E. An approach for continuous-flow processing of reactions that involve the in situ. formation of organic products. Tetrahedron Lett. 52 (2), 263-265 (2011).
- Frisch, M. J., et al. Gaussian 09, Revision A.02. , Gaussian, Inc.. Wallingford, CT. Available from: http://www.gaussian.com/ (2009).
- Wren, S. N., Donaldson, D. J. Glancing-angle Raman spectroscopic probe for reaction kinetics at water surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 2648-2654 (2010).
- Leadbeater, N. E., Smith, R. J. Real-Time Monitoring of Microwave-Promoted Suzuki Coupling Reactions Using in Situ. Raman Spectroscopy. Org. Lett. 8 (20), 4589-4591 (2006).
