Optimalisatie van de Ugi reactie met behulp van parallelle synthese en geautomatiseerde Liquid Handling
11 november 2008
De Ugi reactie is gebleken dat een handige manier om snel diverse bibliotheken van verbindingen. Het gaat om de reactie van een amine, een aldehyde, een carbonzuur en een isonitril doorgaans in methanol bij kamertemperatuur. In deze video maken we gebruik van een 48-slot Mettler-Toledo MiniBlock uitgerust met filtratie buizen en een Mettler-Toledo MiniMapper geautomatiseerde vloeibare handler werd gebruikt om de reagentia en oplosmiddelen te leveren. De parameters die van belang waren de concentratie, het oplosmiddel samenstelling en het overschot van een aantal van de reagentia.
De Ugi-reactie omvat het mengen van vier componenten: een aldehyde en een amine, een carbonzuur en een isonitril. Het is een handige reactie voor het genereren van diverse bibliotheken en is in het verleden gebruikt voor de synthese van anti-malariaverbindingen. De specifieke Ugi-reactie die hier gedemonstreerd zal worden, omvat de reactie van Ole Amin-aldehyde, B-glycine en T-butyl-isonitril.
Deze reactie produceert een UI-product als neerslag wanneer deze wordt uitgevoerd bij een concentratie van 0,5 molair in methanol. Hallo, ik ben Jean Floyd Bradley. Mijn laboratorium bevindt zich bij de afdeling scheikunde van Drexel University.
Hallo, ik ben Meza, promovendus van Dr. Bradley. Vandaag presenteren we de optimalisatie van een Yu-reaction met behulp van de MiniMapper- en MiniBlock-technologieën van Mettler Toledo. Eerst programmeren we de MiniMapper voor de vloeistofhandelingen.
Ten tweede zullen we de isolatie van het product uitvoeren met parallelle filtratie. Ten slotte zullen we de karakterisering doen met behulp van IR- en NMR-technieken. Laten we beginnen.
Het miniblock is een instrument van Mettler Toledo waarmee reacties parallel kunnen worden uitgevoerd. Dit miniblock bestaat uit een array van zes bij acht buisjes met een filter aan de basis. Deze buisjes kunnen ongeveer 3,5 milliliters oplosmiddel bevatten.
Een klep aan de onderzijde van het miniblock blijft gesloten tijdens de toevoeging van reagentia en wordt later geopend. Wanneer u klaar bent voor de filtratiestap, varieert u drie parameters voor deze reactie om het effect op het rendement van het geïsoleerde product te bepalen. Ten eerste wordt het overschot van één of twee reagentia per rij gevarieerd.
Vervolgens worden het oplosmiddel en de concentratie per rij gevarieerd. Bij het plannen van experimenten is het nuttig om gebruik te maken van een gedeeld online spreadsheet, zoals Google Docs, die vervolgens eenvoudig kan worden gekopieerd naar de mini mapper-software. Deze opzet maakt crowdsourcing van het experimentele ontwerp mogelijk, waarbij mensen van over de hele wereld delen van het experiment kunnen plannen zonder te weten hoe de liquid handler moet worden bediend.
De eerste stap omvat het wegen van de lege buisjes met een nauwkeurigheid van 0,1 milligram. Het miniblok wordt vervolgens afgesloten, dichtgedaan en op het deck van de vloeistofhandler gemonteerd. In dit experiment worden vier reagensflessen en vier oplosmiddelflessen gebruikt.
De vloeistofhandler maakt gebruik van een robotarm die is uitgerust met een spuit en kan elke bron naar elke bestemming op het rek overbrengen met behulp van de spuitpomp. De huidige opstelling maakt gebruik van een spuit van 10 milliliter die nauwkeurig een minimum van 100 microliters kan afleveren. Om reagentia te besparen, voegt u 100 of 120 microliters van elke bereide reagensoplossing toe.
In methanol met een molaire concentratie van twee mol, wordt de reactie in vijf stappen uitgevoerd. Eerst wordt het oplosmiddel aan elke buis toegevoegd. Op deze manier varieert u de concentratie en de samenstelling van het oplosmiddel.
Vervolgens wordt de immuunoplossing aan alle buizen toegevoegd, gevolgd door het aldehyde, het zuur en als laatste het isonitril. Dit proces duurt ongeveer één uur. Het miniblock wordt daarna uit de vloeistofhandler verwijderd.
U kunt duidelijk zien dat er heldere oplossingen in elke buis zitten. Dit is belangrijk omdat u er zeker van wilt zijn dat alle reagentia oplosbaar zijn in alle oplosmiddelen. Meestal duurt het ongeveer 30 minuten voordat het eerste neerslag zich vormt.
Het miniblok wordt op een schudmachine geplaatst en gedurende de nacht gemengd. Na ongeveer 16 uur wordt het miniblok van de schudmachine gehaald, waarbij te zien is dat de meeste buisjes neerslag bevatten. Het miniblok wordt nu op een opvangbasis geplaatst en het ventiel wordt voor alle filterbuisjes tegelijk geopend.
Er wordt vacuüm aangelegd en het neerslag wordt opgevangen op het filter van elke buis. Vervolgens wordt het ventiel gesloten en wordt één milliliter methanol aan elke buis toegevoegd. Met behulp van een micropipet wordt het mini-blok gedurende 15 minuten op de shaker geplaatst.
Deze wasstap wordt nogmaals herhaald. Na de laatste wasbeurt wordt het vacuüm gedurende 30 minuten gehandhaafd. Vervolgens worden de buizen gedurende één uur overgeplaatst naar een desiccator onder hoog vacuüm.
Nadat de buizen droog zijn, worden ze opnieuw gewogen en wordt de hoeveelheid neerslag bepaald door het gewicht van de lege buis eraf te trekken. Helaas is er voldoende variabiliteit tussen de buizen dat elke buis afzonderlijk leeg gewogen moet worden. Een monster van elk oplosmiddelsysteem wordt geanalyseerd via NMR om te bevestigen dat alle producten zuiver zijn. Er worden 700 microliters gedestilleerd chloroform aan een reactiebuis toegevoegd om het neerslag op te lossen.
De oplossing wordt vervolgens overgebracht naar een NMR-buis; een 500 megahertz Varian Unity. Innova NMR-instrument wordt gebruikt om een proton-NMR-spectrum te verkrijgen. Nadat er is ingelogd op het instrument, wordt de NMR-software gestart, wordt de referentiestandaard uit het instrument verwijderd en wordt het monster in de spinner geplaatst en in het instrument ingebracht.
Het monster wordt vervolgens gelockt, geshimmed en ingesteld op de spinparameters voor een proton. NMR-spectra worden geladen en er wordt een spectrum verkregen als een JCampDX-bestand, dat online met een standaardbrowser kan worden bekeken. De spectra kunnen op een lokale server worden gehost of worden geüpload naar ChemSpider, zodat onderzoekers die naar dit molecuul zoeken de gegevens direct kunnen gebruiken.
Om het monster verder te analyseren, wordt IR-spectroscopie uitgevoerd met een PerkinElmer FTIR Spectrum 1000-instrument. Er wordt ingelogd in de software. De bovenplaat van de ATR wordt verwijderd, afgeveegd en gereinigd met een ethanol-zeepdoekje.
Een schoon glazen objectglas wordt op de A TR geplaatst en vastgeschroefd, waarna de krachtmeter wordt ingesteld op ongeveer 90 eenheden. Nadat een achtergrondspectrum is verzameld, wordt het monsterspectrum verkregen en verwerkt voor een A TR-correctie. Het IR-spectrum wordt daarnaast verkregen als een J Camp DX-bestand voor online weergave.
Het grote verschil tussen het uitvoeren van een reactie in een rondbodemkolf en het parallel uitvoeren ervan is dat het de organisch chemicus in staat stelt om op een systematische manier nieuwe vragen te stellen en aannames te toetsen. Het toevoegen van geautomatiseerde vloeistofbehandeling aan de vergelijking geeft de chemicus de ruimte om meer tijd te besteden aan het nadenken over het project op een hoger niveau en minder aan de details van elke experimentele run. Hopelijk geeft deze video u enkele ideeën voor uw eigen reacties.
Bedankt voor het kijken.
Overzicht
De Ugi-reactie is een veelzijdige methode voor de synthese van diverse verbindingenbibliotheken door een amine, aldehyde, carbonzuur en isonitrile te combineren. Deze studie demonstreert de optimalisatie van de Ugi-reactie met behulp van geautomatiseerde vloeistofbehandelingstechnologieën.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Scheikunde
- Organische Synthese
- Geautomatiseerde Vloeistofafhandeling
Achtergrond
- De Ugi-reactie maakt de snelle generatie van verbindingenbibliotheken mogelijk.
- Het is eerder toegepast in de synthese van antimalariagecompounds.
- Deze studie richt zich op het optimaliseren van de reactieparameters voor verbeterde opbrengsten.
- Geautomatiseerde systemen verhogen de efficiëntie en reproduceerbaarheid in chemische experimenten.
Doel van de studie
- Om de Ugi-reactie te optimaliseren met behulp van de MiniMapper- en MiniBlock-technologieën van Mettler-Toledo.
- Om de effecten van variërende reagensconcentraties en oplosmiddelsamenstellingen te evalueren.
- Om de voordelen van geautomatiseerde vloeistofbehandeling in de organische synthese aan te tonen.
Gebruikte methoden
- Gebruik van een 48-slot Mettler-Toledo MiniBlock voor parallelle reacties.
- Geautomatiseerde vloeistofbehandeling met de Mettler-Toledo MiniMapper.
- Filtratie en isolatie van producten met behulp van een vacuümsysteem.
- Karakterisering van producten via NMR- en IR-spectroscopie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle synthese van Ugi-producten met variërende opbrengsten afhankelijk van het reagentenoverschot.
- Duidelijke neerslagen waargenomen na voltooiing van de reactie.
- Karakterisering bevestigde de zuiverheid van de gesynthetiseerde verbindingen.
- Geautomatiseerde verwerking verminderde de handmatige arbeid en verhoogde de experimentele doorvoer.
Conclusies
- De studie benadrukt de efficiëntie van geautomatiseerde systemen bij het optimaliseren van chemische reacties.
- Het variëren van reactieparameters heeft een significante invloed op de productopbrengst.
- Geautomatiseerde vloeistofbehandeling stelt chemici in staat zich te concentreren op projectplanning van een hoger niveau.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Executives
Het optimaliseren van multi-componentreacties via parallelsynthese en geautomatiseerde vloeistofbehandeling maakt een snelle exploratie van de chemische ruimte mogelijk voor de identificatie van lead-verbindingen. Deze aanpak vergroot de voorspellende betrouwbaarheid in de vroege fase van discovery door systematisch reagentverhoudingen, solventeffecten en concentratievariabelen te evalueren. De resulterende gegevens ondersteunen gefundeerde go/no-go-beslissingen bij het genereren van verbindingenbibliotheken en verminderen de risico's bij daaropvolgende synthese-inspanningen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om reactieomstandigheden te onderzoeken om de optimale condities voor bibliotheeksynthese te identificeren, wat hypothesetoetsing in de medicinale chemie ondersteunt.
- Operationele waarde: Faciliteert snelle screening van reagentenoverschotten en oplosmiddelcombinaties om de opbrengst en reproduceerbaarheid te maximaliseren.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve opbrengstgegevens over 48 parallelle condities, wat statistische analyse van subtiele interactie-effecten mogelijk maakt.
- Operationele waarde: Standaardiseert de productisolatie via parallelle filtratie en wassing, waardoor de reproduceerbaarheid tussen replicates wordt verbeterd.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Bevestigt de zuiverheid en identiteit van het product via NMR- en IR-karakterisering, waardoor betrouwbaar materiaal voor verdere evaluatie wordt gegarandeerd.
- Operationele waarde: Biedt een schaalbaar platform voor het genereren van verbindingenbibliotheken die kunnen worden gebruikt in fenotypische screening of target-gebaseerde assays.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode integreert in vroege discovery-workflows door snelle, reproduceerbare synthese van diverse verbindingen voor screeningscampagnes mogelijk te maken.
- Discovery Biology: Ondersteunt de identificatie van lead-verbindingen door diverse chemische bibliotheken te genereren via geoptimaliseerde multi-componentreacties.
- Screening: Levert assay-klare verbindingen met een consistente zuiverheid en opbrengst, wat betrouwbare structure-activity relationship-studies mogelijk maakt.
- Analytica: Biedt kwantitatieve opbrengstmetingen en spectroscopische gegevens om reactiecondities te vergelijken en optimalisatie te sturen.
- Translationeel Onderzoek: Garandeert continuïteit van discovery naar preklinische fase door goed gekarakteriseerde verbindingen te produceren die geschikt zijn voor biologische testen.
- Hergebruik binnen de onderneming: Vestigt een herbruikbaar platform voor parallelle synthese dat kan worden aangepast aan andere multi-componentreacties in medicinale chemieprogramma's.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen bij reactie-optimalisatie door systematische variatie van parameters en herhaalde testen.
- Operationele waarde: Verhoogt de doorvoer en vermindert handmatige arbeid via geautomatiseerde vloeistofbehandeling en parallelle verwerking.
- Strategische waarde: Verbetert de efficiëntie van middelen door het minimaliseren van reagentiaverbruik en het versnellen van cyclustijden voor bibliotheeksynthese.
- Impact op portfolio: Maakt datagestuurde prioritering van synthetische routes mogelijk op basis van opbrengst, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in organische synthese en geautomatiseerde vloeistofverwerkingssystemen.
- Vereist instrumentatie die in staat is tot nauwkeurige dosering van reagentia en parallelle verwerking (bijv. een robotische vloeistofhandler met spuitenpomp).
- Vraagt om standaardisatie van protocollen tussen teams om een consistente uitvoering van het toevoegen van reagentia, mengen, filtreren en wassen te garanderen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het overdragen van het protocol naar andere oplosmiddelsystemen of combinaties van reagentia dan die zijn getest.
- Bevat praktische beperkingen, zoals de noodzaak om buisjes individueel te wegen om rekening te houden met variabiliteit en de afhankelijkheid van precipitaatvorming voor isolatie.
