JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

ניטור בזמן אמת מאפשר לאופטימיזציה מהירה של תגובות בוצעו באמצעות זרימה רציפה עיבוד. הנה הכנת 3-acetylcoumarin משמשת כדוגמא. המנגנון לביצוע באתר ניטור ראמאן מתואר, כמו גם את הצעדים הנדרשים כדי לייעל את התגובה.

Abstract

באמצעות ניטור מוטבע, ניתן לייעל את התגובות בוצעו באמצעות זרימה רציפה עיבוד בצורה פשוטה ומהירה. זה גם אפשרי כדי להבטיח את איכות מוצר עקבית לאורך זמן שימוש בטכניקה זו. אנחנו כאן מראים כיצד ממשק זרימת יחידה זמינה מסחרי עם ספקטרומטר ראמאן. תא זרימת ראמאן ממוקם אחרי הרגולטור חזרה בלחץ, מה שאומר שזה יכול להיות מופעל בלחץ אטמוספרי. בנוסף, העובדה שזרם המוצר עובר דרך באורך של צינורות לפני הכניסה לתא הזרימה אומרת שהחומר הוא על RT. חשוב שהספקטרום נרכש בתנאי בידוד תרמיים מאז עוצמת אות ראמאן תלוי בטמפרטורה. לאחר שכנס את המנגנון, אז אנחנו מראים כיצד לפקח תגובה כימית, הסינתזה-זרז piperidine של 3-acetylcoumarin מacetoacetate salicylaldehyde ואתיל משמשת כדוגמא. התגובה יכולה להתבצע על פני טווח של ספיקותטמפרטורות ד, כלי הניטור באתר בשימוש כדי לייעל את התנאים בפשטות ובקלות.

Introduction

על ידי שימוש בזרימה רציפה עיבוד, כימאים מוצאים כי הם יכולים לבצע מגוון של תגובות כימיות בבטחה, ביעילות, בקלות ו1,2. כתוצאה מכך, ציוד זרימת כימיה הופך כלי נפרד להפעלת תגובות הן בהגדרות תעשייתיות כמו גם מעבדות מחקר במוסדות אקדמיים. מגוון רחב של שינויים בכימיה סינטטיים בוצע בזרימת כורים 3,4. במקרים נבחרים, תגובות שלא עובדות ביצוו הוכחו כדי להמשיך בצורה חלקה תחת זרימה רציפה תנאי 5. עבור שתי אופטימיזציה התגובה ובקרת איכות, שילוב של תגובה ב- קו ניטור עם זרימת עיבוד מציע יתרונות משמעותיים. ב- קו ניטור מספק ניתוח רציף עם תגובה בזמן אמת לתנאי מדגם בפועל. זה מהר יותר, ובמקרים מסוימים, יותר אמין יותר מאשר להשוות טכניקות off-line. מספר טכניקות אנליטיות באונליין כבר ממשק עם Fכורים נמוכים 7. דוגמאות כוללות אינפרא אדום 8,9, UV לעין 10,11, 12,13 NMR, ספקטרוסקופיית ראמאן 14,15, וספקטרומטר מסת 16,17.

קבוצת המחקר שלנו ממשק ספקטרומטר ראמאן עם מיקרוגל יחידה מדעית 18. שימוש זה, מגוון של תגובות היה במעקב מבחינה 19 וכמותיים 20 איכותית. בונה על הצלחה זו, יש לנו לאחרונה ממשק ספקטרומטר ראמאן עם אחד מהזרימה רציפה היחידות שלנו והעסקנו אותו לניטור תגובה ב- קו של מספר השינויים אורגניים רפואה-רלוונטי מפתח. 21 בכל מקרה ניתן היה לפקח על תגובות וגם בדוגמא אחת, בדרך של עקומת כיול, אנחנו יכולים לקבוע המרת מוצר מנתוני הרפאים ראמאן. בכאן אנו מתארים כיצד להגדיר את המנגנון ולהשתמש בו כדי לעקוב אחר תגובות. אנו משתמשים בסינתזה-זרז piperidine של 3-ACetylcoumarin (1) מsalicylaldehyde עם acetoacetate אתיל (איור 1) כתגובת מודל כאן.

figure-introduction-1816
איור 1. בסיס זרז תגובת עיבוי בין salicylaldehyde וacetoacetate אתיל להניב 3-acetylcoumarin (1). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Protocol

1. מצא את האותות מתאימים לניטור תגובה

  1. להשיג ספקטרום ראמאן עבור כל חומרים מתחילים והמוצר.
  2. כיסוי ספקטרום ולזהות להקה אינטנסיבית שהיא ייחודי למוצר.
  3. השתמש בלהקת ראמאן זו כדי לנטר את ההתקדמות של התגובה. להקה ב1,608 סנטימטר -1 נבחרה במקרה זה.

2. הגדרת תא הזרימה

  1. להשיג תא זרימה מתאים. כאן השתמשתי באחת עם הממדים הבאים: רוחב של 6.5 מ"מ, גובה של 20 מ"מ, ואורך מסלול של 5 מ"מ (איור 2 א).
  2. מניחים את תא הזרימה במכל שמספק סביבה חופשית של אור הסביבה.
  3. חיבור צינורות לכניסה והיציאה של תא הזרימה (בצינורות מזהה PFA מ"מ מקרה זה 1).

3. ממשק ספקטרומטר ראמאן עם תא הזרימה

  1. להשיג ספקטרומטר ראמאן מתאים עם הרכבה אופטית גמישה שיכול להיות ממוקם בגלאבד את הקרבה לתא הזרימה.
  2. הנח את המכלול האופטי דרך פתח בגודל מתאים בתיבה המכילה את מכלול תא זרימה (איור 2).
  3. חלק את המכלול האופטי עד שהוא נוגע תא הזרימה ולאחר מכן למשוך אותו בחזרה והשאיר פער של ~ 2 מ"מ.
  4. מלא את תא הזרימה עם אצטון 100%.
  5. הפעל את ספקטרומטר ראמאן ולרכוש ספקטרום במצב רציף סריקה.
  6. פוקוס הלייזר בעדינות על ידי הזזת צינור אור חלק בכל פעם. להמשיך לנוע צינור האור עד האות היא בעוצמה הגדולה ביותר שלה והפסגות הן חדות ומוגדרים היטב.

figure-protocol-2153
איור 2. (א) תא זרימה וממשק (ב) ראמאן משמש. אנא לחץ כאן לצפייה גדולה יותר version של נתון זה.

4. הכן מגיב ופתרונות מרכך

  1. להוסיף salicylaldehyde (6.106 גרם, 50 mmol, equiv 1) וacetoacetate אתיל (6.507 גרם, 50 mmol, equiv 1) לבקבוק נפח 50 מיליליטר.
  2. להוסיף אתיל אצטט להיקף כולל של 50 מ"ל ולאחר מכן מערבב היטב את התוכן.
  3. העבר את aliquot 10 מיליליטר של פתרון המניות לבקבוקון זכוכית 20 מיליליטר מכיל בר ומערבבים מגנטי. תווית "מגיב". זה בקבוקון
  4. במקום בקבוק 100 מיליליטר 90 מיליליטר של אתיל אצטט. תווית הבקבוק הזה "ממס". במקום בקבוק 100 מיליליטר 90 מיליליטר של אצטון. תווית הבקבוק הזה "ליירט ממס".

5. מכינים את מכשירי הזרימה

  1. ודא שיש זרימת היחידה לפחות שתי משאבות ולתייג אותם "P1" ו- "P2". לזהות קווי כניסת ממס ומגיבים לכל משאבה. מניחים את קווי יציאה מהקווים "לאסוף" "פסולת" לשניבקבוקי ndividual 100 מיליליטר שכותרתו "מוצר" ו- "בזבוז", בהתאמה.
  2. כמו כור, להשתמש קיבולת סליל PFA 10 מיליליטר מסוגל להיות מחומם.
  3. חבר את צינור יציאת P1 לכניסה של סליל כור PFA.
  4. התקן קטון אתר polyether שלוש יציאות (פיק) טי-מיקסר לאחר סליל הכור.
  5. חבר את צינור יציאת P2 לטי-המיקסר, 180 מעלות מצינורות יציאת סליל כור. חבר חתיכת הצינור ליציאה השלישית של טי-המיקסר. בצד השני של צינור זה מקום רגולטור חזרה בלחץ.
  6. חבר קו מהתפוקה של הרגולטור חזרה בלחץ לקלט של תא הזרימה. חבר קו מהתפוקה של תא הזרימה ל" / הפסולת לאסוף "המתג.
  7. ראש קווי הממס עבור P1 ו- P2, כמו גם את הקו מגיב לP1 עם ממס. הזז את הקו מגיב לP1 מבקבוק הממס לבקבוק מגיב.
  8. באמצעות P1, לעבור אתיל אצטט באמצעות הכורסליל ב 2 מיליליטר / דקה עד שהוא מלא. לעבור אצטון באמצעות P2 בקצב זרימה של 2 מיליליטר / דקה ל -2 דקות.
  9. התאם את ספיקות ממס עבור P1 ו- P2 עד 1 מיליליטר / דקה. הגדר את הרגולטור חזרה בלחץ ללחץ של 7 בר. הגדר את טמפרטורת סליל כור לטמפרטורה הרצויה.
  10. בדוק היטב את הציוד מוגדר כפי שמוצג בסכמטי באיור 3.
  11. ברגע שהמערכת מגיעה לטמפרטורה ולחץ קבועים, לבדוק אם קיים דליפה ולאחר מכן להפעיל את התגובה.

figure-protocol-5260
איור 3. סכמטי של תצורת הציוד המשמשת לניסויי ניטור תגובה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

6. צג התגובה

  1. טאקסריקת EA רקע של אתיל אצטט / מערכת ממס אצטון כפי שעבר בתא הזרימה. זה יהיה באופן אוטומטי יופחת מכל הסריקות אחריו.
  2. הגדר את ספקטרומטר לקחת סריקות בכל 15 שניות (במקרה זה ספקטרומטר ראמאן נקבע לזמן אינטגרציה 10 שניות, קרון = 3, וממוצע = 1).
  3. הזרק piperidine (0.05 מיליליטר, 0.05 mmol, 0.1 equiv) בבת אחת לתוך בקבוקון הזכוכית שכותרתו "מגיב".
  4. לאחר ערבוב ביסודיות, P1 מתג מ" ממס "ל" מגיב ". הגדר את זרם יציאה ל" לאסוף".
  5. כאשר כל החומר טעון, P1 מתג מ" מגיב "בחזרה ל" ממס." לגמרי המשך זורם ממס דרך סליל הכור למשך 30 דקות נוספות. ברגע שזה זמן שחלף, לכבות את החימום.
  6. תור משאבות P1 ו- P2 כבוי כאשר טמפרטורת סליל הכור התקררה אל מתחת ל -50 מעלות צלזיוס.

7. לנתח את הנתונים

  1. לייצא את נתוני ספקטרומטר ראמאן לעצמת ראמאן גיליון אלקטרוני ועלילה ב1,608 סנטימטר -1 לעומת זְמַן.
  2. כדי לייעל את התנאים, לבצע את התגובה פני מספר ספיקות וטמפרטורות כור באופן חוזר ונשנה.
  3. חלקות כיסוי של עוצמת ראמאן ב1,608 סנטימטר -1 לעומת זְמַן.
    הערה: עוצמה גבוהה יותר ראמאן בקורלציה עם המרת מוצר גבוהה יותר.

8. הפעל את התגובה באמצעות תנאים אופטימליים

  1. יש תנאים שונים הוקרנו (ספיקות משתנות / כור טמפרטורות), להפעיל את התגובה באמצעות התנאים מותאמים להרשות לעצמם את המרת המוצר הגבוהה ביותר.

9. לבודד את המוצר

  1. קח את תכולת בקבוק המוצר ולשפוך אותו לתוך כוס המכילה 100 מיליליטר של קרח ו -20 מיליליטר של 2 M HCl.
  2. יש לשטוף את בקבוק המוצר עם כמות מינימאלית של אתיל אצטט (2 מיליליטר) ולהעביר לכוס.
  3. מערבבים את התערובת הקפואהעד שכל הקרח נמס לחלוטין.
  4. הגדר את מערכת סינון עם משפך הירש, בקבוק בצד זרוע, צווארון גומי ואורך של צינורות ואקום גומי.
  5. סנן את המשקע וכתוצאה מכך תחת ואקום, לשטוף עם אתר קר diethyl (10 מיליליטר) ולאפשר לו להתייבש תחת מנורת חום (2-3 שעות) או O היבש / N תחת ואקום.
  6. לאשר את זהותו של המוצר על ידי 1 ספקטרוסקופיה H תהודה מגנטית גרעינית (NMR) באמצעות CDCl 3 כממס. לספקטרומטר תמ"ג 500 MHz, 1 נתוני H NMR של 3-acetylcoumarin הוא כדלקמן: δ = 2.73 (ים, 3 H) 7.31-7.40 (מ ', 2 H) 7.65 (DDD, J = 7.53, 4.37, 2.60 הרץ , 2 H) 8.51 (ים, H 1) לדקה, 13 נתונים C NMR: δ = 30.84 (CH 3) 117.00 (CH) 118.56 (C) 124.86 (CH) 125.27 (CH) 130.51 (134.68 (C CH)) 147.74 155.64 (C) 159.52 (C) 195.77 עמודים לדקה (ג) (CH).

תוצאות

הזרימה רציפה הכנת 3-acetylcoumarin נבחרה כתגובת נציג לניטור באונליין. בתצוו, התגובה ממשיכה גם בעת שימוש באתיל אצטט כממס. עם זאת, המוצר (1) הוא לא לגמרי מסיס בRT. כדי למנוע סתימת פוטנציאל של הרגולטור חזרה בלחץ, כמו גם להקטין את הסיכון שיש חלקיקים מוצקים בתא הזרימה שהיה ל?...

Discussion

הקלות שבה ניתן ממשק ספקטרומטר ראמאן עם זרם היחידה עושה את הטכניקה חשובה לניטור תגובה זו מוטבעת. מספר משתני תגובה יכול להיות נחקר באופן מזורז, המאפשר למשתמש להגיע בתנאי תגובה מותאמים מהר יותר מאשר בעת שימוש בשיטות לא מקוונות. יישום של הטכניקות מתוארות במסמך זה גם מאפש...

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Financial support provided by National Science Foundation (CAREER award CHE-0847262. We thank Vapourtec Ltd and Enwave Optronics for equipment support, and Daniel Daleb of the University of Connecticut for his assistance in construction of the flow cell apparatus.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
SalicylaldehydeSigma-AldrichS356Reagent Grade, 98%
Ethyl acetoacetateAcros Organics11797001099%
PiperidineSigma-Aldrich104094Reagent Plus, 99%
Hydrochloric acidSigma-Aldrich320331ACS Reagent, 37%
Ethyl acetateSigma-Aldrich34858CHROMASOLV, for HPLC, >99.7%
AcetoneSigma-Aldrich650501CHROMASOLV, for HPLC, >99.9%
Flow cellStarna Cells583.65.65-Q-5/Z20
Flow unitVapourtecE-series system
Raman spectrometerEnwave Optronics IncModel EZRaman-L

References

  1. Wiles, C., Watts, P. . Micro Reaction Technology in Organic Synthesis. , (2011).
  2. 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).
  3. Baxendale, I. R. The integration of flow reactors into synthetic organic chemistry. J. Chem. Technol. Biotechnol. 88 (4), 519-552 (2013).
  4. Malet-Sanz, L., Susanne, F. Continuous Flow Synthesis. A Pharma Perspective J. Med. Chem. 55 (9), 4062-4098 (2012).
  5. 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).
  6. 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).
  7. McMullen, J. P., Jensen, K. F. Integrated microreactors for reaction automation: New approaches to reaction development. Annu. Rev. Anal. Chem. 3, 19-42 (2010).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Browne, D. L., et al. Continuous flow reaction monitoring using an on-line miniature mass spectrometer. Rapid Comm. Mass. Spectrosc. 26 (17), (1999).
  17. Koster, S., Verpoorte, E. A decade of microfluidic analysis coupled with electrospray mass spectrometry: An overview. Lab Chip. 7 (11), 1394-1412 (2007).
  18. Leadbeater, N. E., Schmink, J. R., Hamlin, T. A., de la Hoz, A., Loupy, A. Tools for Monitoring Reactions Performed Using Microwave Heating. Microwaves in Organic Synthesis. 1, 327-376 (2012).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

105coumarinspreparative

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved