Optimierung der Ugi-Reaktion mit Parallel Synthese und Automated Liquid Handling
11. November 2008
Die Ugi-Reaktion hat sich als eine bequeme Möglichkeit, um schnell diverse Bibliotheken von Verbindungen sein. Es geht um die Reaktion eines Amins mit einem Aldehyd, einer Carbonsäure und ein Isonitril in der Regel in Methanol bei Raumtemperatur. In diesem Video, verwenden wir ein 48-Slot Mettler-Toledo MiniBlock mit Filtration Rohren und einem Mettler-Toledo MiniMapper automatisierten Liquid Handler verwendet wurde, um die Reagenzien und Lösungsmittel liefern ausgestattet. Die Parameter des Interesses standen die Konzentration, der Zusammensetzung des Lösungsmittels und der Überschuss von einigen der Reagenzien.
Die UG-I-Reaktion umfasst das Mischen von vier Komponenten: einem Aldehyd und Amin, einer Carbonsäure sowie einem ISO-Nitril. Es handelt sich um eine praktische Reaktion zur Erzeugung vielfältiger Bibliotheken und wurde in der Vergangenheit bereits zur Synthese von Antimalariamitteln verwendet. Die hier demonstrierte spezielle UGI-Reaktion beinhaltet die Umsetzung von Ole-Amin-Aldehyd, B-Glycin und T-Butyl-ISO-Nitril.
Diese Reaktion erzeugt ein UI-Produkt als Niederschlag, wenn sie in Methanol bei einer Konzentration von 0,5 molaren durchgeführt wird. Hallo, ich bin Jean Floyd Bradley. Mein Labor befindet sich in der Chemieabteilung der Drexel University.
Hallo, ich bin Meza, Doktorand von Dr. Bradley. Heute stellen wir die Optimierung einer Yugi-Reaktion unter Verwendung der Mini Mapper- und Mini Block-Technologien von Mettler Toledo vor. Zunächst werden wir das Mini Mapper-Programm für die Flüssigkeitsdosierung einrichten.
Zweitens führen wir die Isolierung des Produkts mit paralleler Filtration durch. Und schließlich charakterisieren wir es mittels IR- und NMR-Methoden. Beginnen wir also.
Der Mini-Block ist ein von Metler Toledo hergestelltes Werkzeug, das es ermöglicht, Reaktionen parallel durchzuführen. Dieser Mini-Block besteht aus einem sechs mal acht Felder umfassenden Röhrchenarray mit einem Filter an der Basis. Diese Röhrchen können etwa 3,5 Milliliter Lösungsmittel aufnehmen.
Ein Ventil am Boden des Mini-Blocks bleibt während der Zugabe der Reagenzien geschlossen und wird später geöffnet. Wenn Sie bereit sind, den Filtrationsschritt durchzuführen, werden Sie drei Parameter für diese Reaktion variieren und den Einfluss auf die Ausbeute des isolierten Produkts untersuchen. Erstens wird der Überschuss eines oder zweier Reagenzien über jede Reihe variiert.
Danach werden der Lösungsmitteltyp und die Konzentration zwischen den Reihen variiert. Bei der Planung von Experimenten ist es hilfreich, eine gemeinsame Online-Tabelle wie Google Docs zu verwenden, die anschließend bequem in die Mini-Mapper-Software übertragen werden kann. Diese Konfiguration ermöglicht eine gewisse Form des Crowdsourcings beim experimentellen Design, bei dem Personen aus der ganzen Welt Teile des Experiments planen können, ohne die Bedienung des Flüssigkeitshandlers kennen zu müssen.
Der erste Schritt besteht darin, die leeren Röhrchen mit einer Genauigkeit von 0,1 Milligramm zu wiegen. Anschließend wird der Mini-Block verschlossen und auf der Plattform des Flüssigkeithandlers befestigt. In diesem Experiment werden vier Reagenzflaschen und vier Lösungsmittelflaschen verwendet.
Der Flüssigkeitshandler verwendet einen Roboterarm, der mit einer Spritze ausgestattet ist und mithilfe der Spritzenpumpe jede Quelle mit jedem Ziel im Rack verbinden kann. Der derzeitige Aufbau nutzt eine 10-Milliliter-Spritze, die genau ein Minimum von 100 Mikrolitern abgeben kann. Um Reagenzien zu sparen, fügen Sie entweder 100 oder 120 Mikroliter jeder hergestellten Reagenzlösung hinzu.
Bei einer Konzentration von zwei Molaren in Methanol wird die Reaktion in fünf Schritten durchgeführt. Zuerst wird das Lösungsmittel zu jedem Reaktionsgefäß hinzugegeben. Auf diese Weise variieren Sie die Konzentration und die Zusammensetzung des Lösungsmittels.
Dann wird die Immunlösung allen Reagenzröhrchen hinzugefügt, gefolgt vom Aldehyd, der Säure und zuletzt vom ISO-Nitril. Dieser Vorgang dauert etwa eine Stunde. Anschließend wird der Mini-Block vom Flüssigkeitshandler entfernt.
Sie können deutlich erkennen, dass sich in jedem Reagenzglas klare Lösungen befinden. Dies ist wichtig, da sichergestellt werden muss, dass alle Reagenzien in allen Lösungsmitteln löslich sind. Normalerweise vergehen etwa 30 Minuten, bis sich der erste Niederschlag bildet.
Der Mini-Block wird auf einen Schüttler montiert und über Nacht gemischt. Nach etwa 16 Stunden wird der Mini-Block vom Schüttler entfernt, und man kann sehen, dass die meisten der Röhrchen ein Präzipitat aufweisen. Der Mini-Block wird nun auf eine Sammelbasis montiert, und das Ventil für alle Filterröhrchen wird gleichzeitig geöffnet.
Es wird Vakuum angelegt und der Niederschlag auf dem Filter jedes Röhrchens gesammelt. Anschließend wird das Ventil geschlossen und je ein Milliliter Methanol zu jedem Röhrchen gegeben. Mithilfe einer Mikropipette wird der Mini-Block 15 Minuten lang auf den Schüttler gestellt.
Dieser Waschschritt wird nochmals einmal wiederholt. Nach der letzten Wäsche bleibt das Vakuum 30 Minuten lang eingeschaltet. Anschließend werden die Röhrchen unter Hochvakuum zur Trocknung über eine Stunde in einen Exsikkator überführt.
Nachdem die Röhrchen trocken sind, werden sie erneut gewogen, und die Menge des Niederschlags wird bestimmt, indem das Leergewicht subtrahiert wird. Leider gibt es genügend Variabilität zwischen den Röhrchen, sodass jedes einzeln leer gewogen werden muss. Eine Probe jedes Lösungsmittelsystems wird per NMR analysiert, um sicherzustellen, dass alle Produkte rein sind. 700 Mikroliter verdünntes Chloroform werden einem Reaktionsröhrchen hinzugefügt, um den Niederschlag aufzulösen.
Die Lösung wird anschließend in eine NMR-Röhre überführt, eine 500-Megahertz-Varian-Unity-Inova-NMR-Gerät wird verwendet, um ein Protonen-NMR-Spektrum aufzunehmen. Sobald das Gerät freigegeben wurde, wird die NMR-Software gestartet, der Referenzstandard im Gerät ausgefahren, und die Probe wird in den Spinner gegeben und in das Gerät eingesetzt.
Die Probe wird anschließend verriegelt, abgeglichen und auf die Spindaten für ein Proton eingestellt. Die NMR-Aufnahmen werden geladen, und anschließend wird ein Spektrum als J Camp DX-Datei erhalten, das online mit einem Standardbrowser angesehen werden kann. Die Spektren können auf einem lokalen Server gehostet oder auf ChemSpider hochgeladen werden, sodass Forscher, die nach diesem Molekül suchen, die Daten sofort nutzen können.
Zur weiteren Analyse der Probe wird eine IR-Spektroskopie mit einem PerkinElmer FTIR Spectrum 1000-Gerät durchgeführt. Die Software wird gestartet. Die obere Platte des ATR wird entfernt, abgewischt und mit einem Lappen aus Ethanol-Seifenlösung gereinigt.
Eine saubere Glasplatte wird auf die ATR gesetzt und festgeschraubt, und die Kraftanzeige wird auf etwa 90 Einheiten eingestellt. Nach der Aufnahme eines Hintergrundspektrums wird das Proben-Spektrum aufgenommen und zur ATR-Korrektur verarbeitet. Das IR-Spektrum wird außerdem als JCAMP-DX-Datei für die Online-Anzeige erhalten.
Der große Unterschied zwischen der Durchführung einer Reaktion in einem Rundkolben und der parallelen Durchführung liegt darin, dass der organische Chemiker auf systematische Weise neue Fragen stellen und Annahmen überprüfen kann. Die Einbindung einer automatisierten Flüssigkeitsdosierung ermöglicht es dem Chemiker, mehr Zeit damit zu verbringen, auf höherer Ebene über das Projekt nachzudenken, und weniger Zeit mit den Details jedes einzelnen Experimentes. Wir hoffen, dass Ihnen dieses Video einige Anregungen für Ihre eigenen Reaktionen gibt.
Vielen Dank fürs Zuschauen.
Übersicht
Die Ugi-Reaktion ist eine vielseitige Methode zur Synthese diversifizierter Verbindungsbibliotheken durch Kombination eines Amins, Aldehyds, Carbonsäure und Isonitrils. Diese Studie demonstriert die Optimierung der Ugi-Reaktion unter Verwendung automatisierter Flüssigkeits-Handling-Technologien.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Chemie
- Organische Synthese
- Automatisierte Flüssigkeitsdosierung
Hintergrund
- Die Ugi-Reaktion ermöglicht die schnelle Erzeugung von Verbindungsbibliotheken.
- Sie wurde bereits früher bei der Synthese von antimalarischen Verbindungen eingesetzt.
- Diese Studie konzentriert sich auf die Optimierung der Reaktionsparameter zur Verbesserung der Ausbeuten.
- Automatisierte Systeme erhöhen die Effizienz und Reproduzierbarkeit chemischer Experimente.
Zweck der Studie
- Optimierung der Ugi-Reaktion unter Verwendung der MiniMapper- und MiniBlock-Technologien von Mettler-Toledo.
- Untersuchung der Auswirkungen variierender Reagenzkonzentrationen und Lösungsmittelzusammensetzungen.
- Aufzeigen der Vorteile automatisierter Flüssigkeitshandhabung in der organischen Synthese.
Verwendete Methoden
- Nutzung eines 48-Plätze-Mettler-Toledo-MiniBlock für parallele Reaktionen.
- Automatisierte Flüssigkeitshandhabung mit dem Mettler-Toledo-MiniMapper.
- Filtration und Isolierung der Produkte mittels Vakuumsystem.
- Charakterisierung der Produkte durch NMR- und IR-Spektroskopie.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Synthese von Ugi-Produkten mit variierenden Ausbeuten in Abhängigkeit vom Reagenzüberschuss.
- Nach Abschluss der Reaktion wurden klare Präzipitate beobachtet.
- Die Charakterisierung bestätigte die Reinheit der synthetisierten Verbindungen.
- Die automatisierte Handhabung verringerte den manuellen Arbeitsaufwand und erhöhte die experimentelle Durchsatzleistung.
Schlussfolgerungen
- Die Studie unterstreicht die Effizienz automatisierter Systeme bei der Optimierung chemischer Reaktionen.
- Die Variation von Reaktionsparametern beeinflusst die Produktausbeute erheblich.
- Die automatisierte Flüssigkeitsdosierung ermöglicht es Chemikern, sich auf die Planung komplexerer Projekte zu konzentrieren.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die Optimierung mehrkomponentiger Reaktionen durch parallele Synthese und automatisierte Flüssigkeitshandhabung ermöglicht eine schnelle Erkundung des chemischen Raums zur Identifizierung von Leitverbindungen. Dieser Ansatz erhöht die Vorhersagesicherheit in der frühen Entdeckungsphase, indem er systematisch Reagenzienverhältnisse, Lösungsmittelwirkungen und Konzentrationsvariablen bewertet. Die resultierenden Daten unterstützen fundierte Go/No-Go-Entscheidungen bei der Erstellung von Verbindungsbibliotheken und verringern Risiken bei nachfolgenden Syntheseaktivitäten.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung von Reaktionsbedingungen, um optimale Bedingungen für die Bibliothekssynthese zu identifizieren und unterstützt die Hypothesenprüfung in der medizinischen Chemie.
- Operativer Wert: Erleichtert die schnelle Untersuchung von Reagenzüberschüssen und Lösungsmittelkombinationen, um Ausbeute und Reproduzierbarkeit zu maximieren.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative Ausbeutedaten über 48 parallele Bedingungen hinweg und ermöglicht so die statistische Analyse subtiler Wechselwirkungseffekte.
- Operativer Wert: Standardisiert die Produktisolierung durch parallele Filtration und Waschung und verbessert dadurch die Reproduzierbarkeit zwischen Wiederholungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Bestätigt die Produktreinheit und -identität durch NMR- und IR-Charakterisierung und gewährleistet zuverlässiges Material für nachgeschaltete Untersuchungen.
- Operativer Wert: Bietet eine skalierbare Plattform zur Erzeugung von Substanzbibliotheken, die in phänotypischen Screenings oder zielgerichteten Assays eingesetzt werden können.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in frühe Entdeckungsworkflows, indem sie die schnelle, reproduzierbare Synthese vielfältiger Verbindungen für Screening-Kampagnen ermöglicht.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Leitstruktur-Identifizierung durch Erzeugung vielfältiger chemischer Bibliotheken mittels optimierter Mehrkomponentenreaktionen.
- Screening: Stellt testbereite Verbindungen mit konsistenter Reinheit und Ausbeute bereit, um zuverlässige Struktur-Wirkungs-Beziehungen zu ermöglichen.
- Analytik: Bietet quantitative Ausbeutemessungen und spektroskopische Daten zum Vergleich von Reaktionsbedingungen und zur Steuerung der Optimierung.
- Translationale Forschung: Gewährleistet Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Phase, indem gut charakterisierte Verbindungen bereitgestellt werden, die für biologische Tests geeignet sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattform für die parallele Synthese, die an andere Mehrkomponentenreaktionen in Programmen der medizinischen Chemie angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Reaktionsoptimierung durch systematische Variation von Parametern und wiederholte Tests.
- Operationaler Wert: Steigert die Durchsatzleistung und verringert den manuellen Arbeitsaufwand durch automatisierte Flüssigkeitshandhabung und parallele Verarbeitung.
- Strategischer Wert: Verbessert die Ressourceneffizienz, indem der Reagenzverbrauch minimiert und die Durchlaufzeiten für die Bibliothekssynthese verkürzt werden.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine datengestützte Priorisierung synthetischer Synthesewege basierend auf Ausbeute, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in organischer Synthese und automatisierten Flüssigkeitsmanagementsystemen.
- Benötigt Instrumente, die eine präzise Reagenzienzudosierung und parallele Verarbeitung ermöglichen (z. B. robotischer Flüssigkeitsmanipulator mit Spritzenpumpe).
- Setzt eine Standardisierung der Protokolle über verschiedene Arbeitsgruppen hinweg voraus, um eine konsistente Durchführung der Schritte zur Reagenzienzugabe, zum Mischen, Filtrieren und Waschen sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen beim Übertragen des Protokolls auf andere Lösungsmittelsysteme oder Reagenzienkombinationen, die über die getesteten hinausgehen.
- Umfasst praktische Einschränkungen, wie beispielsweise die Notwendigkeit individueller Probengefäßwägung zur Berücksichtigung von Variabilität sowie die Abhängigkeit von der Fällung zur Isolierung.
