Оптимизация реакции Уги Использование параллельных Синтез и автоматизированной обработки жидких
11 ноября 2008 г.
Реакции Уги оказалось удобным способом для быстрого создания разнообразных библиотек соединений. Она включает в себя реакцию аминов, альдегидов, карбоновых кислот и isonitrile как правило, в метанол при комнатной температуре. В этом видео мы используем 48-слот Mettler-Toledo MiniBlock оснащен фильтрация труб и Mettler-Toledo MiniMapper автоматизированных обработчик жидкость используется для доставки реагентов и растворителя. Параметры интерес концентрации, состава растворителя и избыток некоторых реагентов.
Реакция UGI включает смешивание четырех компонентов: альдегида, амина, карбоновой кислоты и изонитрила. Эта реакция удобна для создания разнообразных библиотек соединений и ранее использовалась для синтеза противомалярийных препаратов. В данном примере будет продемонстрирована конкретная реакция UGI между Ole-аминоальдегидом, B-глицином и T-бутилизонитрилом.
Эта реакция приводит к выпадению продукта в осадок при проведении в метаноле с концентрацией 0,5 М. Здравствуйте, я Джин Флойд Брэдли. Моя лаборатория находится на химическом факультете Университета Дрексель.
Здравствуйте, я аспирант доктора Брэдли, Хаха Меза. Сегодня мы представим оптимизацию реакции Юги с использованием технологий MiniMapper и MiniBlock от Mettler Toledo. Сначала мы запрограммируем MiniMapper для работы с жидкими средами.
Во-вторых, мы проведем выделение продукта с помощью параллельной фильтрации. И, наконец, мы выполним характеризацию с использованием методов ИК- и ЯМР-спектроскопии. Итак, приступим.
Мини-блок — это инструмент производства Metler Toledo, который позволяет проводить реакции параллельно. Данный мини-блок представляет собой массив пробирок размером шесть на восемь с фильтром в основании. В эти пробирки можно поместить около 3.5 milliliters растворителя.
Клапан в нижней части мини-блока должен оставаться закрытым во время добавления реагентов и будет открыт позже. Когда вы будете готовы к этапу фильтрации, вы измените три параметра этой реакции и изучите их влияние на выход выделенного продукта. Во-первых, избыток одного или двух реагентов будет варьироваться в каждой строке.
Затем в разных строках будут варьироваться растворитель и концентрация. При планировании экспериментов удобно использовать общую онлайн-таблицу, например Google Docs, данные из которой затем можно легко скопировать в программное обеспечение mini mapper. Такая схема позволяет использовать краудсорсинг для разработки дизайна эксперимента, когда исследователи из разных стран могут планировать отдельные его части, не обладая навыками управления автоматическим дозатором жидкостей.
Первый этап включает взвешивание пустых пробирок с точностью до 0,1 миллиграмма. Затем мини-блок герметизируют, закрывают и устанавливают на рабочую поверхность автоматического дозатора. В данном эксперименте используются четыре флакона с реагентами и четыре флакона с растворителями.
Система автоматического дозирования жидкостей оснащена роботизированным манипулятором со шприцем, который с помощью шприцевого насоса может переносить любую пробу из источника в любое место назначения на штативе. В данной установке используется шприц объемом 10 milliliter, обеспечивающий точный дозинг объемов не менее 100 microliters. Для экономии реагентов добавляйте по 100 или 120 microliters каждого приготовленного раствора реагента.
Реакцию в метаноле с двухмолярной концентрацией проводят в пять этапов. Сначала в каждую пробирку добавляют растворитель. Таким образом изменяют концентрацию и состав растворителя.
Затем во все пробирки добавляют иммунный раствор, после чего последовательно добавляют альдегид, кислоту и, в последнюю очередь, изонитрил. Весь процесс занимает около одного часа. Затем мини-блок извлекают из жидкостного диспенсера.
Отчетливо видно, что в каждой пробирке находятся прозрачные растворы. Это важно, так как необходимо убедиться, что все реагенты растворимы во всех используемых растворителях. Обычно образование первого осадка занимает около 30 минут.
Мини-блок устанавливают на шейкер и оставляют для перемешивания на ночь. Примерно через 16 часов мини-блок снимают с шейкера; при этом видно, что в большинстве пробирок образовался осадок. Теперь мини-блок устанавливают на collecting base, и клапаны всех фильтрующих пробирок открывают одновременно.
Создают вакуум, чтобы осадок задержался на фильтре каждой пробирки. Затем клапан закрывают и в каждую пробирку добавляют 1 mL метанола. С помощью микропипетки мини-блок помещают на шейкер на 15 минут.
Данную стадию промывки повторяют еще раз. После последнего промывания вакуум оставляют включенным на 30 минут. Затем пробирки переносят в эксикатор под глубоким вакуумом на один час.
После высыхания пробирок их снова взвешивают, и количество осадка определяют путем вычитания массы пустой пробирки. К сожалению, разброс веса самих пробирок достаточно велик, поэтому каждую из них необходимо взвешивать пустой. Образец из каждой системы растворителей анализируют методом ЯМР для подтверждения чистоты всех продуктов; в реакционную пробирку добавляют 700 microliters дегазированного хлороформа для растворения осадка.
Затем раствор переносят в ЯМР-трубку; для получения протонного ЯМР-спектра используется прибор Varian Unity Innova с частотой 500 megahertz. После авторизации в системе запускается программное обеспечение для ЯМР, из прибора извлекается внешний стандарт, а образец помещается в ротор и вставляется в прибор.
Затем образец фиксируют, проводят шиммирование и устанавливают параметры вращения для протона. Данные ЯМР загружаются, после чего спектр сохраняется в формате файла J Camp DX, который можно просмотреть онлайн с помощью стандартного браузера. Спектры могут быть размещены на локальном сервере или загружены в ChemSpider, чтобы исследователи, ищущие данную молекулу, могли незамедлительно использовать эти данные.
Для дальнейшего анализа образца проводится ИК-спектроскопия с использованием прибора PerkinElmer FTIR Spectrum 1000. Выполняется вход в программное обеспечение. Верхняя пластина НПВО снимается, протирается и очищается салфеткой, смоченной в спиртовом мыльном растворе.
Чистое предметное стекло помещают на A TR и прикручивают, после чего датчик силы настраивают примерно на 90 единиц. После регистрации фонового спектра получают спектр образца и проводят обработку для коррекции A TR. ИК-спектр также сохраняют в формате файла J Camp DX для онлайн-просмотра.
Основное различие между проведением реакции в круглодонной колбе и её параллельным выполнением заключается в том, что последний подход позволяет химику-органику систематически ставить новые вопросы и проверять гипотезы. Использование автоматизированных систем дозирования жидкостей освобождает химика, позволяя уделять больше времени концептуальному планированию проекта и меньше — деталям каждого отдельного экспериментального прогона. Надеемся, что это видео даст вам идеи для проведения ваших собственных реакций.
Спасибо за просмотр.
Обзор
Реакция Уги представляет собой универсальный метод синтеза разнообразных библиотек соединений путем комбинирования амина, альдегида, карбоновой кислоты и изонитрила. В данном исследовании демонстрируется оптимизация реакции Уги с использованием технологий автоматизированной работы с жидкостями.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Химия
- Органический синтез
- Автоматизированная работа с жидкостями
Теоретическая часть
- Реакция Уги позволяет быстро создавать библиотеки соединений.
- Ранее она использовалась в синтезе противомалярийных соединений.
- Данное исследование сосредоточено на оптимизации параметров реакции для повышения выхода продукта.
- Автоматизированные системы повышают эффективность и воспроизводимость химических экспериментов.
Цель исследования
- Оптимизировать реакцию Уги с использованием технологий MiniMapper и MiniBlock от Mettler-Toledo.
- Оценить влияние различных концентраций реагентов и состава растворителей.
- Продемонстрировать преимущества автоматизированной работы с жидкостями в органическом синтезе.
Используемые методы
- Использование 48-луночного блока Mettler-Toledo MiniBlock для проведения параллельных реакций.
- Автоматизированная работа с жидкостями с помощью системы Mettler-Toledo MiniMapper.
- Фильтрация и выделение продуктов с использованием вакуумной системы.
- Характеристика продуктов методами ЯМР- и ИК-спектроскопии.
Основные результаты
- Успешный синтез продуктов реакции Уги с различным выходом в зависимости от избытка реагентов.
- Наблюдение четких осадков после завершения реакции.
- Характеристика подтвердила чистоту синтезированных соединений.
- Автоматизация процессов позволила сократить объем ручного труда и увеличить производительность экспериментов.
Выводы
- В исследовании подчеркивается эффективность автоматизированных систем в оптимизации химических реакций.
- Изменение параметров реакции существенно влияет на выход продукта.
- Автоматизированная работа с жидкостями позволяет химикам сосредоточиться на высокоуровневом планировании проектов.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Оптимизация многокомпонентных реакций с помощью параллельного синтеза и автоматизированной работы с жидкостями позволяет быстро исследовать химическое пространство для идентификации соединений-лидеров. Данный подход повышает достоверность прогнозов на ранних этапах поиска за счет систематической оценки соотношения реагентов, влияния растворителей и переменных концентрации. Полученные данные позволяют принимать обоснованные решения о целесообразности дальнейшей разработки при создании библиотек соединений и снижают риски при последующем синтезе.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать условия реакции для определения оптимальных параметров синтеза библиотек, что способствует проверке гипотез в медицинской химии.
- Практическая ценность: упрощает экспресс-скрининг избытка реагентов и комбинаций растворителей для максимизации выхода и воспроизводимости.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет получить количественные данные о выходе продукта для 48 параллельных условий, что делает возможным статистический анализ слабых эффектов взаимодействия.
- Практическая ценность: стандартизирует выделение продукта посредством параллельной фильтрации и промывки, повышая воспроизводимость результатов между повторностями.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Подтверждение чистоты и идентичности продукта с помощью ЯМР- и ИК-характеристик, что гарантирует получение надежного материала для последующего анализа.
- Практическая ценность: Создание масштабируемой платформы для генерации библиотек соединений, которые могут быть использованы в фенотипическом скрининге или в анализах на основе конкретных мишеней.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в рабочие процессы раннего поиска лекарственных средств, обеспечивая быстрый и воспроизводимый синтез разнообразных соединений для скрининговых кампаний.
- Поиск биологически активных соединений: способствует идентификации ведущих соединений путем создания разнообразных химических библиотек с помощью оптимизированных многокомпонентных реакций.
- Скрининг: обеспечивает получение готовых к анализу соединений со стабильной степенью чистоты и выходом, что позволяет проводить надежные исследования зависимости «структура — активность».
- Аналитика: предоставляет количественные измерения выхода и спектроскопические данные для сравнения условий реакции и проведения оптимизации.
- Трансляционные исследования: обеспечивает преемственность от этапа поиска до доклинических исследований путем получения хорошо охарактеризованных соединений, подходящих для биологического тестирования.
- Корпоративное повторное использование: создает многократно используемую платформу для параллельного синтеза, которая может быть адаптирована для других многокомпонентных реакций в программах медицинской химии.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов при оптимизации реакции за счет систематического варьирования параметров и проведения повторных испытаний.
- Операционная ценность: Увеличивает пропускную способность и снижает трудозатраты благодаря автоматизированному дозированию жидкостей и параллельной обработке.
- Стратегическая ценность: Повышает эффективность использования ресурсов за счет минимизации расхода реагентов и сокращения времени циклов синтеза библиотек.
- Влияние на портфель: Позволяет осуществлять приоритизацию путей синтеза на основе данных о выходе, воспроизводимости и масштабируемости.
Рекомендации по внедрению
- Требуются экспертные знания в области органического синтеза и систем автоматизированного дозирования жидкостей.
- Необходимо наличие оборудования, способного осуществлять точное дозирование реагентов и параллельную обработку (например, роботизированная станция для работы с жидкостями с помощью шприцевого насоса).
- Требуется стандартизация протоколов между группами исследователей для обеспечения единообразного выполнения этапов добавления реагентов, перемешивания, фильтрации и промывки.
- При переносе протокола на другие системы растворителей или комбинации реагентов, выходящие за рамки протестированных, необходимо учитывать особенности адаптации.
- Существуют практические ограничения, такие как необходимость индивидуального взвешивания пробирок для учета вариабельности и зависимость процесса выделения от образования осадка.
