Summary
Real-time monitoring zorgt voor een snelle optimalisatie van de reacties uitgevoerd met behulp van een continue flow verwerking. Hier is de bereiding van 3-acetylcumarine wordt als voorbeeld gebruikt. De inrichting voor het uitvoeren van in situ-Raman bewaking wordt beschreven, evenals de stappen die nodig zijn om de reactie te optimaliseren.
Abstract
Via inline controle, is het mogelijk om reacties uitgevoerd met behulp doorstroom verwerking in een eenvoudige en snelle wijze te optimaliseren. Het is ook mogelijk om consistente productkwaliteit in de tijd te waarborgen met deze techniek. We hier laten zien hoe je een commercieel beschikbare stroom unit communiceren met een Raman spectrometer. De Raman stroomcel wordt geplaatst nadat de tegendrukregelaar, wat betekent dat zij bij atmosferische druk kan worden bediend. Bovendien, het feit dat de productstroom gaat door een stuk buis alvorens de stroomcel betekent dat het materiaal bij kamertemperatuur. Belangrijk is dat de spectra worden verkregen onder isotherme omstandigheden sinds Raman intensiteit temperatuurafhankelijk is. Nadat de inrichting gemonteerd, dan laten we zien hoe een chemische reactie te volgen, de piperidine-gekatalyseerde synthese van 3-acetylcumarine van salicylaldehyde en ethylacetoacetaat gebruikt als voorbeeld. De reactie kan over een bereik worden uitgevoerd van debieten eend temperaturen, de monitoring tool in situ worden gebruikt om de voorwaarden snel en eenvoudig optimaliseren.
Introduction
Door het gebruik van continue stroom verwerken, zijn chemici vinden dat ze een reeks van chemische reacties kunnen uitvoeren veilig, effectief en met gemak 1,2. Als gevolg hiervan, wordt flow chemie apparatuur een integraal instrument voor het uitvoeren van reacties, zowel in industriële omgevingen en onderzoek laboratoria in academische instellingen. Een grote verscheidenheid van synthetische chemische transformaties werden uitgevoerd in reactoren 3,4 uitgevoerd. In select gevallen zijn de reacties die niet werken in batch aangetoond soepel verlopen onder continue stroom omstandigheden 5. Voor zowel reactie optimalisatie en kwaliteitscontrole, integratie van in-line reactie monitoring met stroom verwerking biedt aanzienlijke voordelen. In-line monitoring zorgt voor een continue analyse met real-time respons op werkelijke steekproef omstandigheden. Dit is sneller en, in sommige gevallen, betrouwbaarder dan vergelijkbare off-line technieken. Een aantal van de in-line analytische technieken zijn gekoppeld aan flage reactoren 7. Voorbeelden hiervan zijn 8,9 infrarood, UV-zichtbare 10,11, NMR 12,13, 14,15 Raman spectroscopie en massaspectrometrie 16,17.
Onze onderzoeksgroep heeft een Raman spectrometer gekoppeld met een wetenschappelijke magnetron eenheid 18. Met deze, hebben een reeks reacties werden bewaakt zowel kwalitatief als kwantitatief 20 19 oogpunt. Voortbouwend op dit succes, hebben we onlangs gekoppeld onze Raman spectrometer met één van onze continue-flow units en gebruikt het voor in-line reactie bewaking van een aantal belangrijke medicinaal relevante organische transformaties. 21 In elk geval is het mogelijk om het toezicht was reacties en ook in een bijvoorbeeld met behulp van een kalibratiecurve, kunnen we product conversie van Raman spectrale data te bepalen. In Hier beschrijven we hoe u het apparaat en het gebruiken om reacties te controleren. We gebruiken de piperidine-gekatalyseerde synthese van 3-acetylcoumarin (1) uit salicylaldehyde met ethylacetoacetaat (figuur 1) als modelreactie in.
Figuur 1. Base-gekatalyseerde condensatiereactie tussen salicylaldehyde en ethylacetoacetaat tot 3-acetylcumarine leveren (1). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Zoek geschikte signalen voor Reaction Monitoring
- Verkrijgen Raman-spectra voor alle uitgangsmaterialen en het product.
- Overlay spectra en identificeren van een intense band die uniek is voor het product.
- Gebruik deze Raman band om de voortgang van de reactie te controleren. Een band bij 1608 cm -1 werd gekozen in dit geval.
2. Stel de Flow Cell
- Het verkrijgen van een geschikte stroom cel. Hier gebruiken een met de volgende afmetingen: breedte 6,5 mm, hoogte 20 mm, en een padlengte van 5 mm (figuur 2A).
- Plaats de stroom cel in een container die een omgeving die vrij is van omgevingslicht biedt.
- Sluit slang aan de inlaat en uitlaat van de stroomcel (hier 1 mm ID PFA buis).
3. Interface het Raman Spectrometer met de Flow Cell
- Verkrijgen van een geschikte Raman spectrometer met een flexibele optisch samenstel dat kan worden geplaatst cverliest nabijheid van de stroomcel.
- Plaats het optische samenstel door een geschikte afmeting opening in de kast met de stroomcel samenstel (figuur 2B).
- Schuif de optische assemblage tot tegen de stroom cel en trek hem vervolgens weer verlaten van een hiaat van ~ 2 mm.
- Vul het stroomcel met 100% aceton.
- Schakel de Raman spectrometer en het verwerven van spectra in de modus continu-scan.
- Concentreer de laser door voorzichtig bewegen van de lichtpijp een fractie tegelijk. Blijf in beweging het licht pijp tot het signaal op zijn grootste intensiteit en de toppen zijn scherp en goed gedefinieerd.
Figuur 2. (A) Flow cel en (B) Raman-interface gebruikt. Klik hier om te bekijken een grotere version van dit cijfer.
4. Bereid reagens en oplosmiddel Solutions
- Salicylaldehyde voeg (6,106 g, 50 mmol, 1 eq) en ethyl acetoacetaat (6,507 g, 50 mmol, 1 equiv) in een 50 ml maatkolf.
- Voeg ethylacetaat tot een totaal volume van 50 ml en daarna grondig de inhoud te mengen.
- Breng 10 ml van de stockoplossing aan een 20 ml glazen flacon met een magnetische roerstaaf. Label dit flesje "reagens."
- In een 100 ml flesje plaats 90 ml ethylacetaat. Label deze fles "oplosmiddel". In een 100 ml flesje plaats 90 ml aceton. Label deze fles "oplosmiddel onderscheppen".
5. Bereid de Flow Apparatus
- Ervoor zorgen dat de stroming apparaat ten minste twee pompen en label ze "P1" en "P2". Identificeren oplosmiddel en reagens inlaat lijnen voor elke pomp. Plaats de uitgang lijnen van het "verzamelen" en "afval" lijnen in twee individuele 100 ml flesjes met het label "product" en "afval", respectievelijk.
- Als reactor, gebruikt een 10 ml PFA spoel kan worden verwarmd.
- Sluit de buis verlaten van P1 naar de inlaat van de PFA reactor spoel.
- Installeer een drie-poort polyetheretherketon (PEEK) tee-mixer na de reactor spoel.
- Sluit de buis verlaten van P2 naar de tee-mixer, 180 ° uit de reactor spoel exit slang. Sluit een stuk slang aan op de derde poort van de T-mixer. Aan het andere uiteinde van deze buis plaats een tegendrukregelaar.
- Verbind een uit de uitvoer van de tegendrukregelaar op de ingang van de stroomcel. Sluit een lijn van de uitgang van de stroom cel naar de "afval / verzamelen" schakelaar.
- Vul het oplosmiddel bieden voor zowel P1 en P2 en de reagens lijn voor P1 met oplosmiddel. Verplaats de reagens lijn voor P1 uit het oplosmiddel fles naar de reagens fles.
- Met behulp van P1, passeren ethylacetaat door de reactorspoel bij 2 ml / min totdat deze gevuld is. Passeren van aceton door P2 met een stroomsnelheid van 2 ml / min gedurende 2 min.
- Stel het oplosmiddel stroomsnelheden voor zowel P1 en P2 aan 1 ml / min. Stel de tegendrukregelaar op een druk van 7 bar. Stel de reactor spoeltemperatuur op de gewenste temperatuur.
- Controleer nogmaals de apparatuur is geconfigureerd zoals getoond in het schema in figuur 3.
- Zodra het systeem een constante temperatuur en druk bereikt, controleren op lekken en voer de reactie.
Figuur 3. Schematische voorstelling van de apparatuur configuratie wordt gebruikt voor de reactie controle-experimenten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
6. Controleer de Reactie
- Takea achtergrond toont het ethylacetaat / aceton oplosmiddelsysteem als het door de stroomcel. Deze wordt automatisch afgetrokken van alle daaropvolgende scans.
- Stel de spectrometer scans nemen elke 15 sec (in dit geval het Raman spectrometer werd ingesteld op 10 seconden integratietijd, boxcar = 3 en gemiddelde = 1).
- Injecteer piperidine (0,05 ml, 0,05 mmol, 0,1 equiv) in een keer in het glazen flesje gemerkt "reagens".
- Na grondig mengen, switch P1 van "oplosmiddel" naar "reagens." Zet de uitgang stroom op "te verzamelen."
- Wanneer alle materiaal volledig is geladen, switch P1 uit "reagens" terug naar "oplosmiddel." Doorgaan stroomt oplosmiddel door de reactor spoel nog eens 30 min. Zodra deze tijd is verstreken, zet de verwarming.
- Turn pompen P1 en P2 uitgeschakeld zodra de temperatuur reactor spoel is afgekoeld tot beneden 50 ° C.
7. Analyseer de Data
Opmerking: Hogere Raman intensiteit correleert met een hogere conversie product.
8. Voer de reactie met behulp van geoptimaliseerde omstandigheden
- Hebben gescreend verschillende omstandigheden (variërend debiet / reactortemperaturen), voert de reactie met behulp van de optimale voorwaarden om de hoogste product conversie veroorloven.
9. Isoleer het product
- Neem de inhoud van het product kolf en giet het in een bekerglas met 100 ml ijs en 20 ml 2 M HCl.
- Spoel het product kolf met een minimale hoeveelheid ethylacetaat (2 ml) en overdracht naar de beker.
- Roer het ijskoude mengseltotdat al het ijs volledig gesmolten.
- Stel een filtersysteem met een Hirsch-trechter, side-arm kolf rubber kraag en een lengte van rubber vacuüm slang.
- Filtreer het verkregen neerslag onder vacuüm, spoelen met koude diethylether (10 ml) en laat ze drogen onder een warmtelamp (2-3 uur) of droog O / N onder vacuum.
- Bevestig de identiteit van het product met 1H nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie gebruikt CDCI3 als oplosmiddel. Voor een 500 MHz NMR-spectrometer, het 1 H-NMR-gegevens van 3-acetylcumarine is als volgt: 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, 13 C NMR-gegevens: 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
De doorstroom bereiding van 3-acetylcumarine werd gekozen als een representatieve reactie in-line monitoring. In batch, verloopt de reactie zowel bij gebruik van ethylacetaat als oplosmiddel. Echter, het product (1) niet volledig oplosbaar bij kamertemperatuur. Om potentiële verstopping van de tegendrukregelaar voorkomen, evenals het risico dat vaste deeltjes in de stroomcel die Signaalacquisitiestelsel zou verstoren verzachten, gebruikten we een techniek die we eerder voor deze en andere reacties 22. We onderschepte de productstroom na de reactie spoel met aceton om het product oplosbaar en laat het doorheen de stroomcel en tegendrukregelaar ongehinderd.
Een geschikte Raman-signaal volgen we voorspelden de Raman spectra van 1 en identificeren van beide uitgangsmaterialen (salicylaldehyde en ethylacetoacetaat) met het computerprogramma Gaussian 09 (figuur 4A B en c) 23. Opgemerkt zij dat experimenteel bepaald Raman spectra van uitgangsmaterialen en het product ook kan worden gebruikt als men geen toegang hebben tot Gaussiaanse 09. Een bekleding van de drie spectra (figuur 4D), is vermeld dat 1 vertoont sterke Raman-actieve stretching modi 1608 cm -1 en 1563 cm -1, de uitgangsmaterialen vertonen minimale Raman activiteit op dit gebied. Als gevolg daarvan hebben we ervoor gekozen om het signaal te volgen bij 1608 cm -1.
Als uitgangspunt werd de reactie uitgevoerd bij 25 ° C en een reagens stroomsnelheid van 1 ml / min en het Raman-intensiteit bij 1608 cm -1 werd opgenomen (Figuur 5). Met het doel van het verkrijgen van de hoogst mogelijke omzetting, we vervolgens de reactie uitgevoerd bij hogere temperaturen. Werkend bij een stroomsnelheid van 1 ml / min, de reactietemperatuur toenemende eerste 65 ° C en 130 ° C tot een gelijktijdige toename van de omzetting van product zoals blijkt uit de gestage toename van Raman intensiteit bij 1608 cm -1. Bij een reactor spoel temperatuur van 130 ° C, de stroomsnelheid 1,0-0,5 ml / min heeft geen aanzienlijke verhoging van de Raman-intensiteit bij 1608 cm -1. Met geoptimaliseerde omstandigheden in hand, voerden we het reactiemengsel nog een keer, het isoleren van het product in 72% opbrengst.
Figuur 4. Raman spectra van (A) 3-acetylcumarine, (B) salicylaldehyde, (Cc) ethylacetoacetaat, en (D) een overlay van de drie spectra. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
93fig5.jpg "/>
Figuur 5. Monitoring van de conversie naar 3-acetylcumarine in een heel scala van de reactie omstandigheden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het gemak waarmee het Raman spectrometer kan worden gekoppeld met de stroom unit maakt deze inline techniek waardevol voor reactie monitoring. Een aantal variabelen reactie kan worden gesondeerd op een versnelde wijze, zodat de gebruiker om tot optimale reactieomstandigheden sneller dan wanneer offline methoden. Toepassing van de hierin beschreven technieken ook maakt controle van de vorming van nevenproducten, uitgaande van een geschikte band te vinden. Voorwaarden kunnen worden gescreend en geselecteerd, die zowel de hoogste omzetting van product mogelijk maken, en ook de laagste hoeveelheid onzuiverheid. De kwantitatieve controle reacties ook mogelijk. Aangezien Raman-signaal intensiteit evenredig is met de concentratie, kan een kalibratiecurve verkregen door registratie van de Raman spectra van monsters van bekende concentratie van het product. Met deze, is het mogelijk om eenheden van Raman intensiteit in stuks concentratie in standaardvoorwaarden.
Kritieke steps binnen het protocol onder meer de correcte montage van de reactor buizen en de interfacing van de Raman cel. Het is aangeraden dat de configuratie worden lekken getest met behulp van water of aceton voorafgaande aan het uitvoeren van de reactie. Bovendien is, door de Raman laser door de juiste positionering van de kwarts lichtpijp is essentieel voor het succes van het protocol. Zwak signaal is een signaal dat ofwel de laser niet goed gericht of er enige deeltjes in het reactiemengsel.
De hier beschreven inrichting is met succes gebruikt drie andere reacties, alle met vorming van producten met α, β-onverzadigde carbonylgroepen, namelijk Knovenagel en Claisen-Schmidt condensaties bewaken en Biginelli reactie 20. De Raman spectrometer dient als aanvulling op andere in-situ controle probes. Zo kan het worden gebruikt wanneer IR-spectroscopie geen bevredigend bewijs zoals bijde reactie wordt uitgevoerd in waterige media of bij het plaatsen van de spectrometer sonde in fysiek contact met het reactiemengsel niet gewenst 24,25. Beperkingen op de toepassing van Raman-spectroscopie is het feit dat het reactiemengsel volledig homogeen moeten zijn om het signaal verstrooiing voorkomen. Bovendien, omdat de waarschijnlijkheid van een Raman event is relatief laag, monsters relatief geconcentreerd teneinde bevredigende signaal-ruisverhoudingen te verkrijgen. In onze ervaring, vereist dit het werken bij concentraties op of boven 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).
