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CEM Discover 2.0:微波自動(dòng)進(jìn)樣器在有機(jī)化學(xué)優(yōu)化中的應(yīng)用

來(lái)源:培安有限公司   2024年06月03日 13:56  

01 引言


在化學(xué)轉(zhuǎn)化的新發(fā)現(xiàn)之后,隨之而來(lái)的是反應(yīng)優(yōu)化這一既費(fèi)時(shí)又繁瑣的過(guò)程,緊接著還需要進(jìn)行底物篩選。盡管利用加熱塊可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)微量反應(yīng),但這種模式難以調(diào)整某些反應(yīng)參數(shù),導(dǎo)致手動(dòng)執(zhí)行的連續(xù)反應(yīng)耗費(fèi)了寶貴的時(shí)間。然而,與 CEM Discover® 2.0 微波反應(yīng)器聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 Autosampler 12 和 48 為研究人員提供了一種更加高效的方式來(lái)優(yōu)化和篩選化學(xué)反應(yīng)


方案 1:Hantzsch 二氫吡啶合成法


為了展示 Autosampler 所提供的改進(jìn)簡(jiǎn)便性與效率,我們優(yōu)化了通用的微波輔助 Hantzsch 二氫吡啶合成(方案1),隨后將其應(yīng)用于小型化學(xué)庫(kù)的合成中。在 Hantzsch 二氫吡啶合成中,氨、醛以及(最常見(jiàn))β-酮酯會(huì)經(jīng)過(guò)一系列的縮合反應(yīng),最終生成1,4-二氫吡啶化合物。盡管這種二氫吡啶化合物通常被分離出來(lái),但它可以自發(fā)地氧化成相應(yīng)的取代吡啶。



02 材料與方法


試劑


4-茴香醛、氫氧化銨(28%)、苯甲醛、5,5-二甲基-1,3-環(huán)己酮、乙醇、乙酸乙酯、乙酰乙酸乙酯、2-糠醛、己烷,以及吡啶-2-甲醛來(lái)自 Sigma Aldrich 公司(密蘇里州圣路易斯市)。


程序


反應(yīng)設(shè)置

在一個(gè)裝有攪拌子的10-mL容器中,加入醛(8.0 mmol,1.0當(dāng)量)、28%氨水溶液(1.0 mL,8.0 mmol,1.0當(dāng)量)以及β-酮酯(16.0 mmol,2.0當(dāng)量)。隨后,使用特氟隆內(nèi)襯的硅膠蓋將小瓶密封,并將其放置在自動(dòng)進(jìn)樣器的隊(duì)列架上。在啟動(dòng)一系列合成之前,每個(gè)實(shí)驗(yàn)都重復(fù)這一步驟。


方法編程

為了優(yōu)化和研究 Hantzsch 二氫吡啶合成的范圍,我們編程了一步動(dòng)態(tài)方法。反應(yīng)混合物被加熱到特定溫度并保持一定時(shí)間。(附加的動(dòng)態(tài)方法參數(shù)包括:最大壓力=300 psi,最大功率=300 W,PowerMax=關(guān)閉,以及攪拌=高)在啟動(dòng)一系列合成之前,我們?yōu)槊總€(gè)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建了一個(gè)動(dòng)態(tài)方法,并將其分配給每個(gè)預(yù)先組裝的反應(yīng)容器位置。


產(chǎn)品分析

冷卻后,通過(guò)薄層色譜法(己烷中含 30% 乙酸乙酯)對(duì)反應(yīng)溶液進(jìn)行分析。粗產(chǎn)品的純度通過(guò) GC-MS 測(cè)定。


03 結(jié)果


首先,我們使用乙酰乙酸乙酯和苯甲醛,測(cè)試了文獻(xiàn)中確立的微波輔助 Hantzsch 二氫吡啶合成的一般條件。這些“固定功率”條件產(chǎn)生了不穩(wěn)定的結(jié)果,包括不一致的加熱曲線、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率差以及內(nèi)部容器壓力升高(215-260 psi)(表1,條目1和2)。從這一點(diǎn)開(kāi)始,我們采用了“動(dòng)態(tài)”方法,為每次運(yùn)行保持恒定的加熱曲線和反應(yīng)溫度。


為了降低內(nèi)部容器壓力,我們考察了較低的反應(yīng)溫度(表1,條目3-5)。在 170°C 下保持 5 分鐘后,觀察到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率為 68%,盡管產(chǎn)生了高水平的未鑒定副產(chǎn)物(表1,條目3)。將反應(yīng)溫度降低到 150°C,產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了 83%,并且副產(chǎn)物的形成最少(表1,條目4)。進(jìn)一步將反應(yīng)溫度降低到 130°C,產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率急劇下降(表1,條目5)。從這一點(diǎn)出發(fā),認(rèn)為 150°C 的反應(yīng)溫度最為合適。


將反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到 150°C 下的 10 分鐘對(duì)反應(yīng)結(jié)果沒(méi)有影響(表1,條目6);在 5 分鐘和 10 分鐘的反應(yīng)時(shí)間后,觀察到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率均為 83%,并且副產(chǎn)物的形成極少。正如預(yù)期的那樣,隨著反應(yīng)時(shí)間的減少,產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率也有所下降(表1,條目7)。因此,我們認(rèn)為 5 分鐘的反應(yīng)時(shí)間最為合適。


表 1. 微波輔助 Hantzsch 二氫吡啶合成中反應(yīng)溫度和時(shí)間的優(yōu)化

條目

溫度(℃)

時(shí)間(分鐘:秒)

轉(zhuǎn)換率(%)

1a

198

1:40

-

2a

188

1:40

-

3

170

5:00

68

4

150

5:00

83

5

130

5:00

53

6

150

10:00

83

7

150

3:00

70

8b

150

5:00

73

9c

150

5:00

59

a 我們編程了一個(gè)一步固定功率方法,以模擬文獻(xiàn)中的先例。方法參數(shù)包括:功率=45 W,最高溫度=250 °C,最高壓力=300 psi,PowerMax=關(guān)閉,以及攪拌=高。

b 乙醇(2.0 mL)在反應(yīng)設(shè)置期間加入。

c 額外的氨水溶液(1.0 mL)在反應(yīng)設(shè)置期間加入。

表 2. 微波輔助 Hantzsch 二氫吡啶合成的底物范圍

條目

β-酮酯

轉(zhuǎn)換率(%)

1

乙酰乙酸乙酯

苯甲醛

83

2a

乙酰乙酸乙酯

4-甲氧基苯甲醛

68

3

乙酰乙酸乙酯

2-糖醛

86

4

乙酰乙酸乙酯

2-吡啶甲醛

60

5

5,5-二甲基-1,3-環(huán)己二酮

苯甲醛

99

a 反應(yīng)時(shí)間=10分鐘


在試圖進(jìn)一步提高產(chǎn)物產(chǎn)率的過(guò)程中,我們考察了乙醇作為溶劑的效果;然而,產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率卻下降了10%(表1,條目8)。此外,我們還測(cè)試了額外添加一當(dāng)量氨水溶液的效果,但也遭遇了產(chǎn)物產(chǎn)率的顯著降低(表1,條目9)。在這些研究結(jié)束時(shí),我們認(rèn)為在 150°C 下進(jìn)行 5 分鐘的純反應(yīng)蕞適合庫(kù)合成。這 9 個(gè)條件篩選反應(yīng)在不到 2 小時(shí)內(nèi)就順利完成了。


在確定了最佳反應(yīng)條件后,我們使用了一系列電子和立體結(jié)構(gòu)不同的底物進(jìn)行 Hantzsch 二氫吡啶合成。4-甲氧基苯甲醛、2-糠醛2-吡啶甲醛(與乙酰乙酸乙酯一起)分別成功轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物,產(chǎn)率分別為 68%、86% 和 60%(表2,條目2-4)。值得注意的是,當(dāng)將β-酮酯換成5,5-二甲基-1,3-環(huán)己二酮時(shí),轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了定量的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化(表2,條目5)。這 4 個(gè)底物篩選反應(yīng)在不到 1 小時(shí)內(nèi)就順利完成了。


04 結(jié)論


Autosampler 12 和 48 使得反應(yīng)優(yōu)化和底物范圍研究的方法變得簡(jiǎn)單高效。在本研究中,我們對(duì)通用的微波輔助 Hantzsch 二氫吡啶合成進(jìn)行了優(yōu)化,并將其應(yīng)用于不同的底物。首先,我們運(yùn)行了 9 個(gè)優(yōu)化反應(yīng)的隊(duì)列,發(fā)現(xiàn)在 150°C 下加熱 5 分鐘產(chǎn)生了最佳的合成結(jié)果。接著,我們將 4 個(gè)不同的β-酮酯和醛組合置于這些最佳條件下,成功地獲得了產(chǎn)物二氫吡啶。


參考文獻(xiàn)  References

1) Torchy, S.; Cordonnier, G.; Barbry, D.; Vanden Eynde, J. J.“Hydrogen Transfer from Hantzsch 1,4-Dihydropyridines to Carbon-Carbon Double Bonds under Microwave Irradiation.”Molecules. 2002, 7, 528–533.

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