Summary
Sanntidsovervåkning muliggjør hurtig optimalisering av reaksjonene utføres med kontinuerlig strømning prosessering. Her fremstillingen av 3-acetylcoumarin brukes som et eksempel. Apparatet for å utføre in-situ Raman overvåkning er beskrevet, så er de trinn som kreves for å optimalisere reaksjonen.
Abstract
Ved hjelp av inline overvåking, er det mulig å optimalisere reaksjonene utføres med kontinuerlig strømning behandling på en enkel og hurtig måte. Det er også mulig for å sikre konsistent kvalitet over tid ved hjelp av denne teknikken. Vi her viser hvordan grensesnittet en kommersielt tilgjengelig flyt enhet med en Raman spektrometer. Raman-flowcelle plasseres etter tilbaketrykkregulator, slik at det kan drives ved atmosfæretrykk. I tillegg er det faktum at produktstrømmen passerer gjennom en rørlengde før inn i strømningscellen betyr at materialet er ved RT. Det er viktig at spektrene er ervervet under isoterme forhold siden Raman signal intensitet er temperaturavhengig. Etter å ha montert apparat, vi viser så hvordan å overvåke en kjemisk reaksjon, en piperidin-katalysert syntese av 3-acetylcoumarin fra salicylaldehyd og etylacetoacetat blir brukt som et eksempel. Reaksjonen kan utføres over et område av strømningshastigheter end temperaturer, in-situ-overvåkingsverktøy som brukes til å optimalisere betingelsene enkelt og greit.
Introduction
Ved å bruke kontinuerlig flyt behandling, er kjemikere finner at de kan utføre en rekke kjemiske reaksjoner trygt, effektivt, og med letthet 1,2. Som et resultat, er flyten kjemi utstyr bli en integrert verktøy for å kjøre reaksjoner både i industrielle innstillinger samt forskningslaboratorier i akademiske institusjoner. Et bredt utvalg av syntetisk kjemi transformasjoner er blitt utført i strømningsreaktorer 3,4. I enkelte tilfeller har reaksjoner som ikke fungerer i batch vist seg å fortsette jevnt under kontinuerlig-strømningsforhold 5. For både reaksjon optimalisering og kvalitetskontroll, inkorporering av in-line reaksjon overvåking med flyt behandlingen gir betydelige fordeler. In-line overvåking gir kontinuerlig analyse med sanntids respons til selve prøveforhold. Dette er raskere og, i noen tilfeller, mer pålitelig enn sammenlign off-line teknikker. En rekke in-line analytiske teknikker har blitt integrert med flavreaktive 7. Eksempler er infrarød 8,9, UV-synlig 10,11, NMR 12,13, Raman-spektroskopi 14,15, og massespektrometri 16,17.
Vår forskningsgruppe har tilkobles en Raman spektrometer med en vitenskapelig mikrobølgeovn enhet 18. Ved hjelp av dette, har en rekke reaksjoner blitt overvåket fra både en kvalitativ 19 og kvantitativ 20 ståsted. Bygge på denne suksessen, har vi nylig tilkobles vår Raman spektrometer med en av våre kontinuerlig flyt enheter og ansatt det for in-line reaksjon overvåking av en rekke sentrale medikamentøs-relevant organiske transformasjoner. 21 I hvert fall var det mulig å overvåke reaksjoner, og også i en eksempelvis ved hjelp av en kalibreringskurve, kan vi bestemme produkt konvertering fra Raman-spektral-data. I Her beskriver vi hvordan du setter opp apparatet og bruke den til å overvåke reaksjoner. Vi bruker piperidin-katalysert syntese av 3-acetylcoumarin (1) fra salicylaldehyd med etylacetoacetat (figur 1) som modell reaksjonen her.
Figur 1. Base katalysert kondensasjonsreaksjonen mellom salisylaldehyd og etylacetoacetat å gi 3-acetylcoumarin (1). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Finn Egnede Signaler for Reaction Monitoring
- Skaff Raman-spektrene for alle utgangsmaterialer og produktet.
- Overlegg spektra og identifisere en intens band som er unikt for produktet.
- Bruk denne Raman bandet å overvåke fremdriften av reaksjonen. Et bånd ved 1,608 cm-1 ble valgt i dette tilfellet.
2. Sett opp Flow Cell
- Skaffe en egnet flyt celle. Her brukes en med følgende dimensjoner: bredde på 6.5 mm, høyde på 20 mm, og en banelengde på 5 mm (figur 2A).
- Plasser strømningscellen i en beholder som gir et miljø fritt for omgivende lys.
- Koble slangen til innløpet og utløpet av strømningscellen (i dette tilfellet 1 mm ID-rør PFA).
3. Grensesnitt Raman Spectrometer med Flow Cell
- Skaffe en egnet Raman spektrometer med en fleksibel optisk forsamling som kan plasseres i cmister nærhet til strømningscellen.
- Plasser den optiske sammenstillingen gjennom en passende dimensjonert åpning i boksen som inneholder strømningscellen sammenstillingen (figur 2B).
- Skyv den optiske enheten til den berører flyt celle og deretter trekke den tilbake forlate et gap på ~ 2 mm.
- Fyll strømningscellen med 100% aceton.
- Slå på Raman spektrometer og tilegne spektra i kontinuerlig-skannemodus.
- Fokusere lasers ved forsiktig å bevege lysrøret en fraksjon på en gang. Holde bevegelige lyset røret inntil signalet er på sitt største intensitet og toppene er skarp og veldefinert.
Figur 2. (A) Flow celle og (B) Raman grensesnittet som brukes. Klikk her for å se et større version av dette tallet.
4. Forbered Reagens og Solvent Solutions
- Legg salicylaldehyd (6,106 g, 50 mmol, 1 ekv) og etylacetoacetat (6,507 g, 50 mmol, 1 ekv) til en 50 ml målekolbe.
- Legg etylacetat til et totalt volum på 50 ml og deretter grundig blande innholdet.
- Overfør en 10 ml alikvot av stamløsningen til et 20 ml hetteglass inneholdende en magnetisk rørestav. Merke dette glasset "reagent."
- I en 100 ml flaske sted 90 ml etylacetat. Merke dette flaske "løsemiddel". I en 100 ml flaske sted 90 ml aceton. Merke dette flaske "løsemiddel intercept".
5. Klargjør Flow Apparatus
- Sørg for at strømmen enheten har minst to pumper og merke dem "P1" og "P2". Identifisere solvent og reagenvolumer innløpslinjer for hver pumpe. Plasser exit linjer fra "samle" og "avfall" linjer i to jegindivid 100 ml flasker merket "produkt" og "avfall", henholdsvis.
- Som en reaktor, bruke en 10 ml kapasitets PFA spolen stand til å bli oppvarmet.
- Koble røret avslutter P1 til innløpet av PFA reaktoren spolen.
- Installere en tre-port polyeter eterketon (PEEK) tee-mikser etter reaktoren spiral.
- Koble røret spennende P2 til tee-mikser, 180 ° fra reaktoren spiral exit tubing. Koble en slange til den tredje porten på Tee-mikser. På den andre enden av dette røret plassere en tilbaketrykkregulator.
- Koble en linje fra utgangen fra tilbaketrykksregulator til inngangen av strømningscellen. Koble en linje fra utgangen fra strømningscellen til "avfall / samle" -bryteren.
- Prime løsningsmiddellinjer for både P1 og P2 samt reagens linjen for P1 med oppløsningsmiddel. Flytt reagent linje for P1 fra løsemiddel flasken til reagensflaske.
- Ved hjelp av P1, passerer etylacetat gjennom reaktorenspolen på 2 ml / min helt til den er fylt. Aceton passere gjennom P2 ved en strømningshastighet på 2 ml / min i 2 minutter.
- Juster løsningsmiddelstrømningshastighetene for både P1 og P2 til 1 ml / min. Still mottrykkregulator til et trykk på 7 bar. Still reaktorspiraltemperatur til den ønskede temperatur.
- Dobbelt kontrollere utstyret er konfigurert som vist i skjematisk i figur 3.
- Når systemet kommer konstant temperatur og trykk, se etter lekkasjer og deretter kjøre reaksjonen.
Figur 3. Skjematisk av utstyr konfigurasjon brukes for reaksjon overvåkings eksperimenter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
6. Overvåk Reaction
- Takea bakgrunn skanning av etylacetat / aceton løsningsmiddel-system som den passerte gjennom strømningscellen. Dette vil automatisk bli trukket fra alle etterfølgende søk.
- Konfigurere spektrometer for å ta skanninger hver 15 sek (i dette tilfellet Raman spektrometer ble satt til en 10 sek integrasjonstiden, boxcar = 3, og gjennomsnitt = 1).
- Injisere piperidine (0,05 ml, 0,05 mmol, 0,1 ekv) på en gang inn i hetteglass merket "reagent".
- Etter grundig miksing, bryter P1 fra "løsemiddel" til "reagent." Set avkjøringen stream å "samle".
- Når alt materiale er helt lastet, bryter P1 fra "reagens" tilbake til "oppløsningsmiddel". Fortsett som strømmer gjennom reaktoren spolen i ytterligere 30 minutter. Når denne tiden er gått, slå av varme.
- Omdreining pumper P1 og P2 av når reaktortemperaturen spolen er avkjølt til under 50 ° C.
7. analysere dataene
Merk: Høyere Raman intensitet korrelerer med høyere produkt konvertering.
8. Kjør Reaction Bruke Optimaliserte betingelser
- Etter å ha vist ulike forhold (varierende strømnings priser / reaktortemperaturer), kjøre reaksjonen ved hjelp av optimaliserte forhold for å ha råd til det høyeste produktet konvertering.
9. isolere produktet
- Ta innholdet i produktet kolben og helle i et begerglass inneholdende 100 ml is og 20 ml 2 M HCl.
- Skyll kolben produkt med en minimal mengde etylacetat (2 ml) og overføring til begerglasset.
- Rør det iskalde blandingeninntil all isen er helt smeltet.
- Sett opp en filtreringssystem med en trakt Hirsch, side-arm kolbe, gummimansjett og en lengde av gummi vakuumslangen.
- Filtrer det resulterende bunnfall under vakuum, skyll med kald dietyleter (10 ml) og lar det tørke under en varmelampe (2-3 timer) eller tørt O / N under vakuum.
- Bekrefte identiteten av produktet ved en H-kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi ved bruk av CDCI3 som oppløsningsmiddel. For et 500 MHz NMR-spektrometer, den 1 H-NMR-data av 3-acetylcoumarin er som følger: 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, 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
Kontinuerlig strømning fremstilling av 3-acetylcoumarin ble valgt som en representant for reaksjon in-line overvåking. I batch, forløper reaksjonen godt ved bruk av etylacetat som oppløsningsmiddel. Imidlertid er produktet (1) ikke er fullstendig oppløselig ved RT. For å hindre potensiell tilstopping av mottrykkregulator, samt redusere risikoen for å ha faste partikler i flyten celle som ville forstyrre signalet oppkjøpet, vi brukte en teknikk vi utviklet tidligere for denne og andre reaksjoner 22. Vi har mottatt produktstrømmen etter reaksjonen spolen med aceton for å oppløse produktet, og tillater det å passere gjennom strømningscellen og tilbake-trykkregulator uhindret.
For å identifisere en egnet Raman signal for å overvåke vi forutsett Raman-spektrene for en, og av de to utgangsmaterialer (salicylaldehyd og etylacetoacetat) ved hjelp av dataprogrammet Gaussian 09 (figur 4A b og c) 23. Det bør bemerkes at eksperimentelt utledet Raman-spektrene for utgangsmaterialer og produktet kan også brukes dersom man ikke har tilgang til Gaussisk 09. En overlapping av de tre spektra (figur 4D) viste at, mens 1 viser sterk Raman-aktiv strekk moduser på 1,608 cm -1 og 1.563 cm -1, utgangsstoffene utviser minimal Raman aktivitet i dette området. Som et resultat, valgte vi å overvåke signalet ved 1,608 cm -1.
Som et utgangspunkt, reaksjonen ble kjørt ved 25 ° C og et reagens strømningshastighet på 1 ml / min, og Raman intensitet ved 1.608 cm-1 ble registrert (Figur 5). Med det mål å oppnå den høyest mulige omdannelse, vi neste utføres reaksjonen ved høyere temperaturer. Arbeider ved en strømningshastighet på 1 ml / min, øker reaksjonstemperaturen først til 65 ° C og deretter 130 ° C resulterte i en samtidig økning i produkt konvertering som gjenspeiles av den stadige økningen i Raman intensitet på 1,608 cm -1. Ved en reaktortemperatur på spole 130 ° C, å redusere strømningsmengden fra 1,0 til 0,5 ml / min ikke signifikant økning av den Raman intensitet ved 1.608 cm-1. Med optimaliserte betingelser i hånden, utførte vi reaksjons en gang til, isolering av produktet i 72% utbytte.
Figur 4. Raman spektra av (A) 3-acetylcoumarin, (B) salisylaldehyd, (Cc) etylacetoacetat, og (D) en overlapping av de tre spektrene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
93fig5.jpg "/>
Figur 5. Overvåking av konvertering til 3-acetylcoumarin tvers av en rekke reaksjonsbetingelser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den enkle som Raman spektrometer kan tilkobles med flyten enheten gjør dette inline teknikk verdifull for reaksjon overvåking. Et antall reaksjons variabler kan bli analysert på en rask måte, slik at brukeren kan komme frem til optimaliserte reaksjonsbetingelser hurtigere enn ved bruk offline metoder. Anvendelse av de teknikker som er beskrevet her, også gir mulighet for overvåking av dannelse av biprodukter, forutsatt at et egnet bånd kan bli funnet. Forhold kan screenes og valgt, noe som tillater både for den høyeste omdannelse av produktet, og også den laveste mengde urenhet. Den kvantitative overvåkning av reaksjonene er også mulig. Siden Raman-signalintensiteten er proporsjonal med konsentrasjonen, kan en kalibreringskurve utledes ved å ta opp den Raman-spektrene av prøver med kjent konsentrasjon av produktet. Ved hjelp av dette, er det mulig å konvertere enheter av Raman intensitet til enheter av konsentrasjonen i standardvilkårene.
Kritisk steps innenfor protokollen omfatter korrekt montering av reaktorrøret og grensesnitt i Raman-cellen. Det anbefales at konfigurasjonen lekkasjetestes ved hjelp av enten vann eller aceton før du utfører reaksjonen. I tillegg fokuserer Raman laser ved korrekt posisjonering av kvarts lysrør er avgjørende for suksess av protokollen. Dårlig signalstyrke er et tegn på at enten laseren ikke er riktig fokusert eller det er en del partikler i reaksjonsblandingen.
Apparatet som er beskrevet her har blitt brukt med hell til å overvåke tre andre reaksjoner, som alle involverer dannelse av produkter som bærer a, p-umettede karbonylforbindelser molekyldeler, nemlig Knovenagel og Claisen-Schmidt kondensasjoner, og en Biginelli reaksjon 20. Raman spektrometer tjener som et komplementærverktøy for andre in-situ overvåknings prober. For eksempel kan det benyttes i de tilfeller hvor IR-spektroskopi ikke viser seg tilfredsstillende, for eksempel nårreaksjonen utføres i vandig medium eller ved å plassere sonden i spektrometeret fysisk kontakt med reaksjonsblandingen ikke er ønsket 24,25. Begrensninger i anvendelsen av Raman-spektroskopi omfatter det faktum at reaksjonsblandingen må være fullstendig homogent for å unngå spredning signal. I tillegg, siden sannsynligheten for at et Raman arrangement er forholdsvis lav, prøver må være forholdsvis konsentrert for å oppnå tilfredsstillende signal-støy-forhold. I vår erfaring, krever dette arbeider ved konsentrasjoner 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).
