אופטימיזציה של התגובה אוגי באמצעות סינתזה במקביל וטיפול נוזלי אוטומטי
11 בנובמבר 2008
התגובה אוגי הוכיחה להיות דרך נוחה במהירות ליצור ספריות מגוונת של תרכובות. היא כוללת את תגובת אמין, אלדהיד, חומצה carboxylic ו isonitrile בדרך כלל מתנול בטמפרטורת החדר. בסרטון הזה, אנו מנצלים 48-חריץ Mettler-טולדו MiniBlock מצויד צינורות סינון מטפל Mettler-טולדו MiniMapper נוזלי אוטומטי היה בשימוש, כדי לספק את ריאגנטים ממס. הפרמטרים של עניין היו ריכוז, הרכב הממס ואת עודף של כמה חומרים כימיים.
תגובת ה-UI כוללת ערבוב של ארבעה רכיבים: אלדהיד ואמין, חומצה קרבוקסילית ואיזו-ניטריל. זוהי תגובה נוחה ליצירת ספריות מגוונות, והיא שימשה בעבר לסינתזה של תרכובות אנטי-מלריה. תגובת ה-UGI הספציפית שתוצג כאן כוללת את התגובה של Ole Amin aldehyde, B glycine ו-T butyl iso nitrile.
תגובה זו מייצרת מוצר UI כמשקע כאשר היא מבוצעת בריכוז של 0.5 molar במתנול. שלום, אני ג'ין פלויד ברדלי. המעבדה שלי ממוקמת במחלקה לכימיה באוניברסיטת דרקסל.
שלום, אני חאבה מזה, סטודנט לתואר מתקדם במעבדתו של ד"ר בראדלי. היום נציג את האופטימיזציה של תגובת יוגי (Yugi) באמצעות הטכנולוגיות Mini Mapper ו-Mini Block של Mettler Toledo. ראשית, נתכנת את ה-Mini Mapper לביצוע טיפול בנוזלים.
שנית, נבצע את בידוד המוצר באמצעות סינון מקבילי. ולבסוף, נבצע את האפיון באמצעות טכניקות IR ו-NMR. אם כן, בואו נתחיל.
המיני-בלוק (mini block) הוא כלי המיוצר על ידי Metler Toledo המאפשר ביצוע תגובות במקביל. מיני-בלוק זה מורכב ממערך של שש כפול שמונה מבחנות עם מסנן בבסיסן. מבחנות אלו יכולות להכיל כ-3.5 milliliters של ממס.
שסתום בתחתית המיני-בלוק יישאר סגור במהלך הוספת הרעכיבים וייפתח מאוחר יותר. כאשר תהיו מוכנים לשלב הסינון, תשנו שלושה פרמטרים עבור תגובה זו ותבחנו את ההשפעה על ניצול המוצר המבודד. ראשית, עודף של רעכיב אחד או שניים ישתנה לאורך כל שורה.
לאחר מכן, הממס והריכוז ישתנו בין השורות. בעת תכנון ניסויים, מומלץ להשתמש בגיליון אלקטרוני משותף במקוון, כגון Google Docs, אותו ניתן להעתיק בנוחות לתוכנת ה-mini mapper. הגדרה זו מאפשרת מידה של crowdsourcing לתכנון הניסוי, כך שאנשים מרחבי העולם יוכלו לתכנן חלקים מהניסוי מבלי שיצטרכו לדעת כיצד להפעיל את מערכת הטיפול בנוזלים (liquid handler).
השלב הראשון כולל שקילת המבחנות הריקות בדיוק של 0.1 milligrams. לאחר מכן, הבלוק המיני נסגר, נאטם ומוצמד למשטח של מטפל הנוזלים. בניסוי זה נעשה שימוש בארבעה בקבוקי ריאגנטים ובארבעה בקבוקי ממסים.
מערכת העברת הנוזלים משתמשת בזרוע רובוטית המצוידת במזרק ויכולה להעביר כל מקור לכל יעד על גבי המעמד באמצעות משאבת המזרק. ההגדרה הנוכחית משתמשת במזרק של 10 milliliters שיכול להעביר במדויק כמות מינימלית של 100 microliters. כדי לחסוך בריאגנטים, הוסיפו 100 או 120 microliters מכל אחד מתמיסות הריאגנטים שהוכנו.
במתנול בריכוז של שני מולאר, התגובה מתבצעת בחמישה שלבים. ראשית, מוסיפים את הממס לכל מבחנה. כך תוכלו לשנות את הריכוז ואת הרכב הממס.
לאחר מכן מוסיפים את תמיסת האימונית לכל המבחנות, ולאחריה את האלדהיד, החומצה, ובסוף את ה-ISO nitrile. תהליך זה אורך כשעה. לאחר מכן מוציאים את המיני-בלוק מהמטפל בנוזלים (liquid handler).
ניתן לראות בבירור כי בכל מבחנה ישנם תמיסות צלולות. הדבר חשוב כדי להבטיח שכל הרכיבים ממיסים בכל הממסים. בדרך כלל חולפות כ-30 דקות עד להיווצרות המשקע הראשון.
את המיני-בלוק מרכיבים על שייקר ומשאירים לערבב במהלך הלילה. לאחר כ-16 שעות, מסירים את המיני-בלוק מהשייקר, וניתן לראות שבמרבית המבחנות נוצר משקע. כעת מרכיבים את המיני-בלוק על בסיס איסוף, ופותחים את השסתום עבור כל מבחנות המסננת בבת אחת.
מפעילים ואקום והמשקע נלכד במסנן של כל מבנה. לאחר מכן סוגרים את השסתום ומוסיפים מיליליטר אחד של methanol לכל מבנה. באמצעות מיקרו-פיפטה, מניחים את המיני-בלוק על השייקר למשך 15 דקות.
שלב שטיפה זה חוזר על עצמו פעם נוספת. לאחר השטיפה האחרונה, השואב נשאר פועל למשך 30 דקות. לאחר מכן, המבחנות מועברות למייבש (desiccator) תחת ואקום גבוה למשך שעה אחת.
לאחר שהמבחנות יבשות, הן נשקלות שוב, וכמות המשקע נקבעת על ידי חיסור משקל המבחנה הריקה. למרבה הצער, קיימת שונות מספיקה בין המבחנות כך שכל אחת מהן חייבת להישקל כשהיא ריקה. דגימה מכל מערכת ממסים מנותחת באמצעות NMR כדי לוודא שכל המוצרים טהורים. 700 µL של כלורופורם מופחת (derated chloroform) מתווספים למבחנה תגובה כדי להמיס את המשקע.
לאחר מכן מעבירים את התמיסה לתוך מבחנת NMR; נעשה שימוש במכשיר Varian Unity. Innova NMR בתדר 500 megahertz לקבלת ספקטרום proton NMR. לאחר ההתחברות למכשיר, מפעילים את תוכנת ה-NMR, מוציאים את התקן למספר (reference standard) מהמכשיר, ומניחים את הדגימה בתוך הספינר (spinner) ומכניסים אותה למכשיר.
לאחר מכן, הדגימה ננעלת, עוברת shim ומכוונת לפרמטרי סבב עבור פרוטון. נתוני NMR נטענים, ולאחר מכן מתקבל ספקטרום כקובץ J Camp DX, שניתן לצפייה מקוונת באמצעות דפדפן סטנדרטי. ניתן לאחסן את הספקטרה בשרת מקומי או להעלותן ל-ChemSpider, כך שחוקרים המחפשים מולקולה זו יוכלו להשתמש בנתונים באופן מיידי.
כדי לנתח את הדגימה באופן מעמיק יותר, בוצעו מדידות ספקטרוסקופיית IR באמצעות מכשיר PerkinElmer FTIR Spectrum 1000. התוכנה הופעלה. הפלטה העליונה של ה-ATR הוסרה, נגבהה וננקתה באמצעות מגבון ethanol soap kin.
מניחים זכוכית כיסוי נקייה על ה-A TR ומהדקים אותה באמצעות בורג, ומכוונים את מד הכוח לכ-90 יחידות. לאחר איסוף ספקטרום רקע, מושג ספקטרום הדגימה ומעבירים אותו תיקון A TR. ספקטרום ה-IR מושג גם כקובץ J Camp DX לצפייה מקוונת.
ההבדל המשמעותי בין הרצת תגובה בבקבוק עם תחתית עגולה לבין ביצועה במקביל הוא שהדבר מאפשר לכימאי האורגני לשאול שאלות חדשות ולבחון הנחות בצורה שיטתית. שילוב של טיפול אוטומטי בנוזלים במשוואה מפנה את הכימאי להקדיש זמן רב יותר לחשיבה על הפרויקט ברמה גבוהה ופחות על הפרטים של כל הרצה ניסיונית. אנו מקווים שסרטון זה יעניק לכם רעיונות עבור התגובות שלכם.
תודה לצפייה.
סקירה כללית
תגובת Ugi היא שיטה ורסטילית לסינתזה של ספריות תרכובות מגוונות באמצעות שילוב של אמין, אלדהיד, חומצה קרבוקסילית ואיסוניטריל. מחקר זה מדגים את האופטימיזציה של תגובת Ugi באמצעות טכנולוגיות אוטומטיות לטיפול בנוזלים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- כימיה
- סינתזה אורגנית
- טיפול אוטומטי בנוזלים
רקע
- תגובת Ugi מאפשרת יצירה מהירה של ספריות תרכובות.
- היא שימשה בעבר בסינתזה של תרכובות אנטי-מלריאליות.
- מחקר זה מתמקד באופטימיזציה של פרמטרי התגובה לשיפור הבצירה.
- מערכות אוטומטיות משפרות את היעילות ואת ההדירות בניסויים כימיים.
מטרת המחקר
- להבטיג את תגובת ה-Ugi באמצעות הטכנולוגיות MiniMapper ו-MiniBlock של Mettler-Toledo.
- להעריך את ההשפעות של ריכוזי ריאגנטים שונים והרכבי ממסים משתנים.
- להדגים את היתרונות של טיפול אוטומטי בנוזלים בסינתזה אורגנית.
השיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש ב-Mettler-Toledo MiniBlock בעל 48 תאים לביצוע תגובות מקביליות.
- טיפול אוטומטי בנוזלים באמצעות ה-Mettler-Toledo MiniMapper.
- סינון ובידוד של תוצרים באמצעות מערכת ואקום.
- אפיון של תוצרים באמצעות ספקטרוסקופיית NMR ו-IR.
תוצאות עיקריות
- סינתזה מוצלחת של תוצרי Ugi עם נבחרות משתנות בהתאם לעודף הריאגנטים.
- משקעים ברורים שנצפו לאחר השלמת התגובה.
- אפיון אישר את טוהר התרכובות שסונתזו.
- טיפול אוטומטי הפחית את העבודה הידנית והגביר את התפוקה הניסויית.
מסקנות
- המחקר מדגיש את היעילות של מערכות אוטומטיות באופטימיזציה של תגובות כימיות.
- שינוי של פרמטרי התגובה משפיע באופן משמעותי על ניצולת המוצר.
- טיפול אוטומטי בנוזלים מאפשר לכימיים להתמקד בתכנון פרויקטים ברמה גבוהה יותר.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
אופטימיזציה של תגובות רב-מרכיביות באמצעות סינתזה מקבילית וטיפול אוטומטי בנוזלים מאפשרת סקירה מהירה של המרחב הכימי לצורך זיהוי מובילים (leads). גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי בשלבי הגילוי המוקדמים על ידי הערכה שיטתית של יחסי ריאגנטים, השפעות ממסים ומשתני ריכוז. הנתונים המתקבלים תומכים בקבלת החלטות מושכלת של go/no-go ביצירת ספריות תרכובות ומפחיתים סיכונים במאמצי סינתזה המשכיים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של תנאי התגובה לצורך זיהוי התנאים האופטימליים לסנתזה של ספריות, ובכך תומך בבדיקת היפותזות בכימיה רפואית.
- ערך תפעולי: מקל על סריקה מהירה של עודפי ריאגנטים ושילובים של ממסים כדי למקסם את היבול ואת השחזוריות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר נתוני תפוקה כמותיים ב-48 תנאים מקבילים, מה שמאפשר ניתוח סטטיסטי של השפעות אינטראקציה עדינות.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של בידוד המוצר באמצעות סינון ושטיפה מקבילים, ובכך משפר את השחזוריות בין חזרות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאשר את טוהר המוצר ואת זהותו באמצעות אפיון NMR ו-IR, ובכך מבטיח חומר מהימן להערכות המשך.
- ערך תפעולי: מספק פלטפורמה ניתנת להרחבה ליצירת ספריות של תרכובות שניתן להשתמש בהן בסריקה פנוטיפית או בבדיקות מבוססות מטרה.
שילוב תהליכי עבודה ו-Pipeline
השיטה משתלבת בתהליכי עבודה של שלבי הגילוי המוקדמים על ידי מתן אפשרות לסינתזה מהירה וניתנת לשחזור של תרכובות מגוונות עבור קמפיינים של סריקה.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בזיהוי מולקולות מובילה (lead identification) על ידי יצירת ספריות כימיות מגוונות באמצעות תגובות רב-מרכיביות אופטימליות.
- סריקה: מספקת תרכובות מוכנות לבדיקה בעלות טוהר ויבול עקביים, המאפשרים מחקרי קשר מבנה-פעילות (SAR) מהימנים.
- אנליטיקה: מספקת מדידות כמותיות של יבול ונתונים ספקטרוסקופיים להשוואת תנאי תגובה והנחיית תהליכי אופטימיזציה.
- מחקר תרגומי: מבטיחה רצף משלב הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי ייצור תרכובות מאופיינות היטב המתאימות לבדיקות ביולוגיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה הניתנת לשימוש חוזר עבור סינתזה מקבילית, אותה ניתן להתאים לתגובות רב-מרכיביות אחרות בתוכניות של כימיה רפואית.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי באופטימיזציה של תגובות באמצעות שינוי שיטתי של פרמטרים ובדיקות חוזרות.
- ערך תפעולי: משפר את התפוקה ומפחית את העבודה הידנית באמצעות טיפול אוטומטי בנוזלים ועיבוד מקבילי.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות המשאבים על ידי מזעור צריכת ריאגנטים והאצה של זמני המחזור עבור סינתזה של ספריות.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף מונחה נתונים של נתיבים סינתטיים בהתבסס על ניצול, הדירות ויכולת הרחבה.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בסינתזה אורגנית ובמערכות אוטומטיות לטיפול בנוזלים.
- דורש מכשור המסוגל לדיספנסציה מדויקת של ריאגנטים ועיבוד מקבילי (למשל, רובוט לטיפול בנוזלים עם משאבת מזרק).
- מחייב סטנדרטיזציה של הפרוטוקולים בין הצוותים כדי להבטיח ביצוע עקבי של שלבי הוספת הריאגנטים, הערבוב, הסינון והשטיפה.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת הפרוטוקול למערכות ממסים או שילובי ריאגנטים שונים מאלו שנבחנו.
- כולל מגבלות מעשיות, כגון הצורך בשקילה של כל מבחנה בנפרד כדי להתחשב בשונות, והתלות בהיווצרות משקב לצורך בידוד.
