병렬 합성 및 자동 액체 처리를 사용하여 Ugi 반응의 최적화

UGI 반응은 알데하이드와 아민, 카복실산, 그리고 이소니트릴이라는 네 가지 성분의 혼합으로 이루어집니다. 이는 다양한 라이브러리를 생성하는 데 편리한 반응이며, 과거에 항말라리아 화합물을 합성하는 데 사용되었습니다. 본 과정에서 시연할 특정 UGI 반응은 Ole 아민 알데하이드, B 글리신, 그리고 T-부틸 이소니트릴의 반응을 포함합니다.

이 반응을 메탄올 내 0.5 M 농도로 진행하면 UI 생성물이 침전물로 형성됩니다. 안녕하세요, 저는 Jean Floyd Bradley입니다. 제 연구실은 Drexel University 화학과에 위치하고 있습니다.

안녕하세요, 저는 Bradley 박사님의 대학원생인 Meza입니다. 오늘은 Mettler Toledo의 Mini Mapper 및 Mini Block 기술을 이용한 유기 반응 최적화 방법을 소개해 드리겠습니다. 먼저, 액체 핸들링을 위해 Mini Mapper를 프로그래밍하겠습니다.

둘째로, 병렬 여과법을 이용해 생성물을 분리하겠습니다. 마지막으로, IR 및 NMR 기술을 사용하여 특성 분석을 수행하겠습니다. 그럼 시작하겠습니다.

미니 블록은 병렬 반응을 수행할 수 있도록 Mettler Toledo에서 제작한 도구입니다. 이 미니 블록은 하단에 필터가 있는 6x8 배열의 튜브로 구성되어 있습니다. 이 튜브들은 약 3.5 milliliters의 용매를 수용할 수 있습니다.

시약 첨가 과정 동안 미니 블록 바닥의 밸브는 닫힌 상태로 유지하며, 이후에 개방합니다. 여과 단계를 진행할 준비가 되면, 본 반응의 세 가지 파라미터를 변경하여 분리된 생성물의 수율에 미치는 영향을 확인합니다. 먼저, 각 행마다 하나 또는 두 가지 시약의 과량을 변경합니다.

그 다음으로 행 사이에 용매와 농도에 변화를 줍니다. 실험을 계획할 때 Google Docs와 같은 공유 온라인 스프레드시트를 사용하는 것이 유용하며, 이후 이를 mini mapper 소프트웨어로 편리하게 복사할 수 있습니다. 이러한 설정은 전 세계의 사람들이 액체 핸들러 작동법을 알지 못하더라도 실험의 일부를 계획할 수 있게 하여 실험 설계의 크라우드소싱을 가능하게 합니다.

첫 번째 단계는 빈 튜브의 무게를 0.1 mg 정밀도로 측정하는 것입니다. 그 다음 미니 블록을 밀봉하고 닫아 액체 핸들러 데크에 장착합니다. 본 실험에는 4개의 시약 병과 4개의 용매 병이 사용됩니다.

액체 핸들러는 시린지가 장착된 로봇 팔을 사용하며, 시린지 펌프를 이용해 랙 위의 모든 소스를 모든 목적지로 전달할 수 있습니다. 현재 설정에서는 최소 100 µL를 정확하게 분주할 수 있는 10 mL 시린지를 사용합니다. 시약을 절약하기 위해, 준비된 각 시약 솔루션을 100 µL 또는 120 µL씩 첨가하십시오.

2 M 농도의 메탄올에서 반응은 5단계로 진행됩니다. 먼저, 각 튜브에 용매를 첨가합니다. 이러한 방식으로 농도와 용매 조성을 달리할 수 있습니다.

그 다음, 모든 튜브에 면역 용액을 추가하고, 이어서 알데하이드, 산, 그리고 마지막으로 ISO 니트릴을 추가합니다. 이 과정은 완료하는 데 약 1시간이 소요됩니다. 이후 액체 핸들러에서 미니 블록을 제거합니다.

각 튜브에 투명한 용액이 들어 있는 것을 분명하게 확인할 수 있습니다. 모든 시약이 모든 용매에 용해되었는지 확인하는 것이 중요하기 때문입니다. 첫 번째 침전물이 형성되기까지는 보통 약 30분이 소요됩니다.

미니 블록을 쉐이커에 장착하고 하룻밤 동안 혼합합니다. 약 16시간 후, 미니 블록을 쉐이커에서 제거하면 대부분의 튜브에 침전물이 형성된 것을 확인할 수 있습니다. 이제 미니 블록을 수집 베이스에 장착하고, 모든 필터 튜브의 밸브를 동시에 엽니다.

진공을 가하여 각 튜브의 필터에 침전물을 포집합니다. 그 후 밸브를 닫고 모든 튜브에 메탄올 1 mL를 첨가합니다. 마이크로 피펫을 사용하여 미니 블록을 쉐이커에 올리고 15분 동안 작동시킵니다.

이 세척 단계를 한 번 더 반복합니다. 마지막 세척 후, 진공 상태를 30분 동안 유지합니다. 그런 다음 튜브를 고진공 데시케이터로 옮겨 1시간 동안 보관합니다.

튜브가 마르면 다시 무게를 측정하고, 빈 튜브의 무게를 빼서 침전물 양을 결정합니다. 안타깝게도 튜브 간의 변동성이 크기 때문에 각 튜브의 빈 무게를 각각 측정해야 합니다. 모든 생성물이 순수한지 확인하기 위해 각 용매 시스템의 샘플을 NMR로 분석합니다. 침전물을 용해시키기 위해 700 µL의 중수소화 클로로포름을 반응 튜브에 첨가합니다.

그 후 용액을 NMR 튜브로 옮깁니다. 양성자 NMR 스펙트럼을 얻기 위해 500 megahertz Varian Unity Innova NMR 기기를 사용합니다. 기기에 로그인한 후 NMR 소프트웨어를 실행하고, 기기 내의 참조 표준 물질을 꺼낸 뒤 시료를 스피너에 넣어 기기에 삽입합니다.

그 후 샘플을 락(lock)하고 심(shim) 조절을 거쳐 양성자(proton) 회전 파라미터를 설정합니다. NMR 데이터를 로드하고 스펙트럼을 J Camp DX 파일로 얻으며, 이 파일은 표준 브라우저를 통해 온라인으로 확인할 수 있습니다. 스펙트럼은 로컬 서버에 호스팅하거나 ChemSpider에 업로드하여, 해당 분자를 연구하는 연구자들이 데이터를 즉시 사용할 수 있도록 할 수 있습니다.

시료를 추가로 분석하기 위해 PerkinElmer FTIR Spectrum 1000 장비를 사용하여 IR 분광법을 수행합니다. 소프트웨어에 로그인합니다. ATR의 상단 플레이트를 제거하고 에탄올 솝킨 와이프로 닦아 세척합니다.

깨끗한 유리 슬라이드를 ATR 장치 위에 놓고 나사로 고정한 뒤, 포스 게이지(force gauge)를 약 90 unit으로 조정합니다. 배경 스펙트럼을 수집한 후, 시료 스펙트럼을 얻어 ATR 보정을 처리합니다. IR 스펙트럼은 온라인 뷰어로 확인할 수 있도록 J Camp DX 파일 형식으로 저장합니다.

반응을 둥근 바닥 플라스크 하나에서 진행하는 것과 병렬로 수행하는 것의 가장 큰 차이점은, 유기 화학자가 새로운 질문을 던지고 가설을 체계적인 방식으로 검증할 수 있다는 점입니다. 여기에 자동화된 액체 핸들링 시스템을 도입하면 화학자는 매 실험 과정의 세부 사항에 쏟는 시간을 줄이고, 프로젝트의 전반적인 방향을 구상하는 데 더 많은 시간을 할애할 수 있습니다. 이 영상이 여러분의 반응 연구에 유용한 아이디어를 제공할 수 있기를 바랍니다.

시청해 주셔서 감사합니다.