Summary
Realtidsövervakning medger snabb optimering av reaktioner utförda med användning av kontinuerligt flöde bearbetning. Här framställning av 3-acetylkoumarin används som ett exempel. Apparaten för att utföra in situ Raman övervakning beskrivs, liksom de åtgärder som krävs för att optimera reaktionen.
Abstract
Genom att använda inline övervakning är det möjligt att optimera reaktioner utförda med användning av kontinuerligt flöde bearbetning på ett enkelt och snabbt sätt. Det är också möjligt att säkerställa en konsekvent produktkvalitet över tiden med användning av denna teknik. Vi visar här hur gränssnittet en kommersiellt tillgänglig flödesenhet med en Raman-spektrometer. Flödescellen Raman placeras efter mottrycksregulatorn, vilket innebär att den kan drivas vid atmosfärstryck. Dessutom det faktum att produktströmmen passerar genom en rörlängd innan flödescellen innebär att materialet är vid RT. Det är viktigt att spektra förvärvas under isotermiska förhållanden eftersom Raman signalstyrkan är temperaturberoende. Efter att ha monterat apparaten, då visar vi hur man kan övervaka en kemisk reaktion, varvid piperidin-katalyserade syntesen av 3-acetylkoumarin från salicylaldehyd och etylacetoacetat används som ett exempel. Reaktionen kan utföras över ett område av flödeshastigheter ettd temperaturer, in situ övervakningsverktyg som används för att optimera betingelserna snabbt och enkelt.
Introduction
Genom att använda kontinuerligt flöde bearbetning, är kemister finna att de kan utföra en rad kemiska reaktioner säkert, effektivt och med lätthet 1,2. Som ett resultat av detta flöde kemi utrustning blir en integrerad verktyg för att köra reaktioner både i industriella miljöer samt forskningslaboratorier i akademiska institutioner. En stor mängd olika syntetiska kemitransformationer har utförts i flödesreaktorer 3,4. I utvalda fall, har reaktioner som inte fungerar i batch visat sig gå smidigt under ständig-flöde 5. För både reaktionsoptimering och kvalitetskontroll, införlivande av in-line reaktion övervakning med flödesbehandling ger betydande fördelar. In-line-övervakning ger kontinuerlig analys i realtid svar på verkliga provförhållanden. Detta är snabbare och, i vissa fall, mer tillförlitlig än jämförbara off-line-tekniker. Ett antal in-line analytiska tekniker har gränssnitt med flåga reaktorer 7. Exempel innefattar infraröda 8,9, UV-synligt 10,11, NMR 12,13, Raman-spektroskopi 14,15, och masspektrometri 16,17.
Vår forskargrupp har gränssnitt en Raman-spektrometer med en vetenskaplig mikrovågsenhet 18. Med hjälp av detta har en rad reaktioner övervakas från både en kvalitativ 19 och kvantitativ 20 synpunkt. Att bygga på denna framgång, har vi nyligen gränssnitt vår Raman spektrometer med en av våra kontinuerliga flödesenheter och sysselsatte den för in-line reaktions övervakning av ett antal nyckel medicinskt relevanta organiska transformationer. 21 I varje fall var det möjligt att övervaka reaktioner och även i ett exempel, med hjälp av en kalibreringskurva, kunde vi bestämma produkt konvertering från Raman spektraldata. I Här beskriver vi hur du ställer in apparaten och använda den för att övervaka reaktioner. Vi använder piperidin-katalyserad syntes av 3-acetylcoumarin (1) från salicylaldehyd med etylacetoacetat (Figur 1) som modell reaktionen här.
Figur 1. baskatalyserad kondensationsreaktion mellan salicylaldehyd och etylacetoacetat för att ge 3-acetylkoumarin (1). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. hitta lämpliga signaler för Reaction Monitoring
- Skaffa Raman spektra för alla utgångsmaterial och produkten.
- Overlay spektra och identifiera ett intensivt band som är unikt för den produkten.
- Använd denna ramanband för att övervaka reaktionens fortskridande. Ett band på 1.608 cm -1 valdes i detta fall.
2. Ställ in Flow Cell
- Skaffa en lämplig flödescell. Här använder ett med följande dimensioner: bredd på 6,5 mm, höjd av 20 mm och en väglängd av 5 mm (figur 2A).
- Placera flödescellen i en behållare som ger en miljö fri från omgivande ljus.
- Anslut slangen till inloppet och utloppet i flödescellen (i detta fall 1 mm ID PFA slangar).
3. Gränssnitt Raman spektrometer med Flow Cell
- Erhålla en lämplig Raman-spektrometer med en flexibel optisk anordning som kan placeras i Cförlora närhet till flödescellen.
- Placera den optiska anordningen genom ett lämpligt dimensionerat hål i rutan innehållande flödescellenheten (Figur 2B).
- Skjut den optiska anordningen tills den vidrör flödescellen och dra sedan tillbaka lämnar en lucka på ~ 2 mm.
- Fyll flödescellen med 100% aceton.
- Slå på Raman spektrometer och förvärva spektra i kontinuerlig scanningsläge.
- Fokusera lasers genom att försiktigt flytta ljusledaren en fraktion i taget. Hålla sig i rörelse ljusledaren tills signalen är som störst intensitet och topparna är skarpa och väldefinierade.
Figur 2. (A) flödescell och (B) Raman gränssnitt som används. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
4. Förbered Reagens och lösningsmedel Solutions
- Lägg salicylaldehyd (6,106 g, 50 mmol, 1 ekv) och etylacetoacetat (6,507 g, 50 mmol, 1 ekv) till en 50 ml mätkolv.
- Lägg etylacetat till en total volym av 50 ml och sedan grundligt blanda innehållet.
- Överför en 10 ml alikvot av stamlösningen till en 20 ml glasampull, som innehöll en magnetisk omrörarstav. Märk denna flaska "reagens."
- I en 100 ml flaska plats 90 ml etylacetat. Märk denna flaska "lösningsmedel". I en 100 ml flaska plats 90 ml aceton. Märk denna flaska "lösningsmedel avlyssna".
5. Förbered Flow Apparatus
- Säkerställ att flödesenheten har åtminstone två pumpar och märka dem "P1" och "P2". Identifiera lösningsmedel och reagensinloppsledningar för varje pump. Placera utgångsledningarna från "collect" och "avfall" linjer i två individual 100 ml flaskor märkta "produkt" och "avfall", respektive.
- Som en reaktor, använd en 10 ml kapacitet PFA spole kunna värmas upp.
- Anslut röret lämnar P1 till inloppet av PFA reaktorspole.
- Installera en tre-port polyetereterketon (PEEK) tee-mixer efter reaktorspole.
- Anslut röret utträder P2 till tee-biandaren, 180 ° från reaktorspole exit slang. Anslut en slang till den tredje porten på Tee-mixer. På andra änden av detta rör placera en mottrycksregulator.
- Anslut en linje från utgången från mottrycksregulator till ingången av flödescellen. Anslut en linje från utgången från flödescellen till "avfalls / samla" omkopplare.
- Prime lösningsmedels linjer för både P1 och P2 samt reagenslinje för P1 med lösningsmedel. Flytta reagenslinjen för P1 från lösningsmedelsflaskan till reagensflaskan.
- Med hjälp av P1, passera etylacetat genom reaktornspolen vid 2 ml / min tills den är fylld. Passera aceton genom P2 vid en flödeshastighet av 2 ml / min under 2 minuter.
- Justera lösningsmedelsflödeshastigheterna för både P1 och P2 till 1 ml / minut. Ställ in mottrycksregulator till ett tryck av 7 bar. Ställ reaktorspole temperaturen till den önskade temperaturen.
- Dubbel kontrollera utrustningen är konfigurerad såsom visas i den schematiska i fig 3.
- När systemet når konstant temperatur och tryck, kontrollera om läckage och sedan köra reaktionen.
Figur 3. Skiss över konfigurations utrustning som används för reaktion övervakningsexperiment. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
6. Övervaka Reaktion
- Takea bakgrundsavsökning av etylacetat / aceton lösningsmedelssystem när det passerade genom flödescellen. Detta kommer automatiskt att dras från alla efterföljande genomsökningar.
- Konfigurera spektrometern att ta skannar varje 15 sek (i detta fall Raman spektrometer var inställd på 10 sek integreringstid, boxcar = 3, och i genomsnitt = 1).
- Injicera piperidin (0,05 ml, 0,05 mmol, 0,1 ekv) på en gång in i glasflaska märkt "reagens".
- Efter noggrann blandning, switch P1 från "lösningsmedel" till "reagens." Ställ in utgående flödet att "samla".
- När allt material är helt laddad, switch P1 från "reagens" tillbaka till "lösningsmedel." Fortsätt flödande lösningsmedel genom reaktorn pole för ytterligare 30 minuter. När denna tid har förflutit, stänga av värmen.
- Tur pumpar P1 och P2 av när reaktorspole temperaturen har svalnat till under 50 ° C.
7. Analysera Data
Obs: Högre Raman intensitet korrelerar med högre produktomvandling.
8. Kör Reaktion Använda Optimerade Villkor
- Med made olika förhållanden (olika flödeshastigheter / reaktortemperaturer), kör reaktionen med hjälp av optimerade betingelser för att ge högsta produktomvandling.
9. Isolera produkten
- Ta innehållet i produkt kolven och häll det i en bägare innehållande 100 ml is och 20 ml 2 M HCl.
- Skölj produkten kolven med en minimal mängd av etylacetat (2 ml) och överföring till bägaren.
- Rör den isiga blandningentills all is är fullständigt smält.
- Inrätta ett filtreringssystem med en Hirsch-tratt, sidoarm kolv, gummikrage och en längd av gummi vakuumslangen.
- Filtrera den erhållna fällningen i vakuum, sköljdes med kall dietyleter (10 ml) och låt den torka under en värmelampa (2-3 h) eller torr O / N under vakuum.
- Bekräfta identiteten av produkten med en H-kämmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi med användning av CDCI3 som lösningsmedel. För en 500 MHz NMR-spektrometer, är de 1 H NMR-data för 3-acetylkoumarin enligt följande: 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, 1H) ppm, 13C NMR-data: δ = 30,84 (CH 3) 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
Framställningen av 3-acetylkoumarin kontinuerligt flöde valdes som ett representativt reaktion i-line-övervakning. Vid satsvis förlöper reaktionen väl när användning av etylacetat som lösningsmedel. Emellertid är produkten (1) inte är helt lösliga vid RT. För att förhindra eventuell igensättning av mottrycksregulator, samt minska risken för att ha fasta partiklar i flödescellen, vilket skulle störa signal förvärv, använde vi en teknik som vi utvecklat tidigare för detta och andra reaktioner 22. Vi avlyssnade produktströmmen efter reaktionsslinga med aceton för att solubilisera produkten och tillåta den att passera genom flödescellen och mottrycksregulator obehindrat.
För att identifiera en lämplig Raman signal att övervaka vi förutspådde Raman spektra av 1 och de två utgångsmaterialen (salicylaldehyd och etylacetoacetat) med hjälp av datorprogrammet Gaussian 09 (Figur 4A B och c) 23. Det bör noteras att experimentellt härledda Raman spektra av utgångsmaterial och produkten kan också användas om man inte har tillgång till Gauss 09. En överlagring av de tre spektra (figur 4D) indikerade att medan 1 uppvisar stark Raman-aktiv stretching lägen på 1.608 cm -1 och 1,563 cm -1, utgångsmaterialen uppvisar minimal Raman verksamhet på detta område. Som ett resultat, har vi valt att övervaka signalen vid 1.608 cm -1.
Som utgångspunkt, utfördes reaktionen kördes vid 25 ° C och en reagensflödeshastighet av 1 ml / min och Raman intensiteten vid 1.608 cm -1 registrerades (figur 5). Med målet att erhålla högsta möjliga omvandling, vi nästa utförs reaktionen vid högre temperaturer. Med en flödeshastighet av 1 ml / min, ökning av reaktionstemperaturen först till 65 ° C och sedan 130 ° C resulterade i en samtidig ökning i produktomvandling, vilket framgår av den stadiga ökningen av Raman intensitet vid 1.608 cm -1. Vid en reaktorspole temperatur av 130 ° C, vilket minskar flödeshastigheten från 1,0 till 0,5 ml / min ökade inte signifikant Raman intensiteten vid 1.608 cm -1. Med optimerade betingelser i handen, utförde vi reaktionen en gång till, isolering av produkten i 72% utbyte.
Figur 4. Raman spektra av (A) 3-acetylkoumarin, (B) salicylaldehyd (Cc) etylacetoacetat, och (D) en överlagring av de tre spektra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
93fig5.jpg "/>
Figur 5. Övervakning av omvandling till 3-acetylkoumarin i en rad reaktionsbetingelser. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den lätthet med vilken Raman spektrometer kan anslutas med flödesenheten gör denna inline teknik värdefullt för reaktionsövervakning. Ett antal reaktionsvariabler kan sonderas på ett påskyndat sätt, så att användaren kan komma fram till optimala reaktionsbetingelser snabbare än vid användning av offline metoder. Tillämpning av de tekniker som beskrivs häri medger även övervakning av bildandet av sidoprodukter, under antagande av en lämplig band kan hittas. Villkor kan screenas och selekteras, som tillåter både för den högsta omvandlingen av produkt, och även den lägsta mängd förorening. Den kvantitativa övervakning av reaktioner är också möjligt. Eftersom Raman signalintensiteten är proportionell mot koncentrationen, kan en kalibreringskurva härledas genom att registrera Raman spektra av prover av känd koncentration av produkten. Med användning av detta, är det möjligt att omvandla enheter av Raman-intensitet till enheter av koncentrationen i standardvillkor.
Kritisk steps inom protokollet innefattar rätt sammansättning av reaktor slangen och gränssnitt för Raman cellen. Det rekommenderas att konfigurationen läckageprovas med antingen vatten eller aceton innan du utför reaktionen. Dessutom fokuserar Raman lasern genom korrekt positionering av kvartsljusledningen är avgörande för framgången av protokollet. Dålig signalstyrka är ett tecken på att antingen lasern inte lämpligt fokuserad eller om det finns några partiklar i reaktionsblandningen.
Den apparat som beskrivs här har använts framgångsrikt för att övervaka tre andra reaktioner, alla involverar bildning av produkter med a, p-omättade karbonylgrupper delar, nämligen Knovenagel och Claisen-Schmidt förtätningar, och en Biginelli reaktion 20. Raman spektrometer fungerar som ett kompletterande verktyg till andra in situ övervakningssonder. Till exempel kan den användas i de fall där IR-spektroskopi inte bevisa tillfredsställande exempel närreaktionen genomföres i vattenhaltiga medier eller vid placering spektrometern sonden i fysisk kontakt med reaktionsblandningen är inte önskvärt 24,25. Begränsningar till tillämpningen av Raman-spektroskopi inkluderar det faktum att reaktionsblandningen måste vara fullständigt homogen för att undvika signalspridning. Dessutom, eftersom sannolikheten för en Raman-händelse är relativt låg, prover måste relativt koncentrerad för att erhålla tillfredsställande signal-brusförhållanden. I vår erfarenhet, kräver arbetar vid koncentrationer på eller över 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).
