Utnyttjande av Stop-flöde Micro-slangar reaktorer för utveckling av organiska transformationer
Summary
Ett protokoll för organiska reaktion screening med stop-flow mikro-slangar (SFMT) reaktorer anställa gasformiga reaktanterna och/eller synligt ljus medierade reaktioner presenteras.
Abstract
En ny reaktion screening teknik för organisk syntes demonstrerades nyligen genom att kombinera element från både kontinuerlig mikro-flöde och konventionella batch reaktorer, myntade stop-flow mikro-slangar (SFMT) reaktorer. I SFMT, kan kemiska reaktioner som kräver högt tryck undersökas parallellt genom ett säkrare och bekvämt sätt. Korskontaminering, vilket är ett vanligt problem i reaktion screening för kontinuerligt flöde reaktorer, undviks i SFMT. Övrigt kan kommersiellt tillgängliga ljus-permeable mikro-slangen införlivas i SFMT, som fungerar som ett utmärkt val för ljus-medierade reaktioner på grund av en mer effektiv enhetliga ljusexponering, jämfört med batch reaktorer. Sammantaget är SFMT reaktor systemet liknar kontinuerligt flöde reaktorer och mer överlägsen än batch reaktorer för reaktioner som införliva gas reagenser eller kräva ljus-belysning, vilket möjliggör en enkel men mycket effektiv reaktion screening system. Dessutom kan någon framgångsrikt utvecklade reaktion i SFMT reaktor systemet översättas bekvämt till kontinuerlig flöde syntes för storskalig produktion.
Introduction
Flöde kemi är väl rustat mot förflyttning av gröna och hållbara processer1,2. I motsats till batch reaktorer besitter kontinuerligt flöde reaktorer betydande fördelar, såsom förbättrad termisk hantering, förbättrad blandning kontroll och inre tryckreglering. Dessa fördelar minska kraftigt bildandet av biprodukter i systemet kontinuerligt flöde. Dessutom förbättrar kontinuerligt-flöde bifasisk vätske-reaktionerna inom mikro-slangen på grund av den utmärkta gränsskiktspänning yta av reagenserna i olika stater. Kontinuerligt flöde reaktorer ger också en bra plattform för fotosyntesen på grund av den förbättra och enhetlig ljus belysningen över mikro-slangar3.
Trots framgång i kontinuerlig-flow teknik finns det fortfarande begränsningar i reaktion screening för parametrar som involverar katalysatorer, lösningsmedel och reagenser2. Ändringar i trycket i flödessystem påverkar drastiskt flöde equilibriumen. Dessutom är en klassisk kontinuerligt flödessystem generellt begränsad till en reaktion screening i taget, vilket gör det tidskrävande för effektiv parallell reaktion screening. Reaktionstiden i kontinuerligt flöde syntes begränsas också av dess mikro-slangar reaktorn storlek. Dessutom är kontinuerligt flöde screening benägna att korskontaminering vid högre temperatur, även om datamediet är anställd mellan olika reaktioner4.
Därför för att lösa svårigheten att screening diskreta parametrar i kontinuerlig-flödessystem, utvecklat vi en stop-flow mikro-(SFMT) reaktorn rörsystem för reaktion screening som innebär gasformiga reagenser eller foto-medierade reaktioner2. SFMT reaktorer omfattar delar av både batch reaktorer och kontinuerligt flöde reaktorer. Införandet av avstängningsventiler lurar reagenser inom mikro-slangen, ett koncept som liknar en batch reaktorn, och när systemet är trycksatt, SFMT fungerar som en miniatyr högtrycks reaktor. SFMT kan sedan vara nedsänkt i ett vatten eller olja bad, införa värme till reaktorn systemet. Synligt ljus kan också vara lyste på mikro-slangen under perioden reaktion att underlätta foto-medierade reaktioner.
I SFMT, kan brännbara eller giftiga gaser, såsom eten, acetylen och kolmonoxid, användas för att generera värdefulla kemikalier på ett säkrare sätt jämfört med batch reaktorer1,2,4. Det är en tillgång att använda sådana reaktiva gaser som de lätt kan avlägsnas efter reaktioner är slutförda och billig kemiska råvaror, som ger en renare procedur2. Tvärtom tenderar de flesta reaktion utveckling utförs i batch reaktorer att utesluta användning av reaktiva gaser på grund av sina besvär och risk för explosion vid förhöjt tryck och temperatur. Om gasformiga reagenser är anställda, införs de oftast i batch reaktorer via bubblande eller ballonger. Detta gav generellt lägre reproducerbarhet eller reaktivitet på grund av låga blandande effektivitet på gränssnittet. Även högtrycks fartyg används vanligen för att förbättra reaktivitet och lösligheten av gaser, är de mödosam med risk för explosion, särskilt med brandfarliga gaser. Dessutom vanligaste ogenomskinlig yta de högtrycks reaktorer gjorde det olämpliga för foto-medierade reaktioner. Därför reaktioner som består av gasformiga reagenser och foto-medierade reaktioner är vanligen kvar outforskade. I detta sammanhang ger SFMT reaktorer en idealisk plattform eftersom de gasformiga Reagenserna kan utnyttjas inom mikro-slangen med hjälp av en tillbaka tryckregulator (BPR) att reglera det inre trycket i ett säkert och bekvämt sätt2. Frånsett reaktioner som involverar gasformiga reagenser, visar synligt ljus främjas syntes också stora löften för organisk syntes5,6. En av största undergången av synligt ljus medierade reaktioner är dock skalbarhet i konventionella batch reaktorer beroende dämpning av fotonen transport i stora fartyg7. Om high-power ljuskällor används, kan över bestrålning resultera i biprodukt bildas. Dessutom har gasformiga reagenser sällan tillämpats i foto-kemiska reaktioner främst på grund av systemets komplexa apparater när du använder gas-fas reaktanterna på högtryck2. Genom införandet av en smal kanal, som SFMT, kan en högtrycks gas miljö uppnås enkelt under ljus bestrålning.
Därför, denna detaljerade video syftar till att hjälpa fler forskare förstå fördelarna och förfarandet med att använda SFMT för villkoret screening av gas-inblandade transformationer och ljus-medierade reaktioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den nyutvecklade SFMT-reaktorn är en modifiering av systemet kontinuerligt-flöde genom att lägga till avstängningsventilerna till mikro-slang2. I detta system, kan flödet klassar av en önskad volym av reagenser stoppas vid kommer, simulerar en batch reactor men mikro-slang2,10,11. Dessa ventiler stöd i fångst av önskad mängd reagens i HPFA eller rostfritt slangen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma för det finansiella stödet från National University of Singapore (R-143-000-645-112, R-143-000-665-114) och GSK-EDB (R-143-000-687-592).
Materials
| Acetylene Cylinder | Chem Gas PTE LTD (Singapore) | ||
| Logato 200 series Syringe pumps | KD Scientific Inc | 788200 | |
| Blue LED Strips | Inwares Pte Ltd (Singapore) | 3528 FlexiGlow LED Strips | |
| PFA Tubing High Purity 1/16" OD x .030" ID x 50ft | IDEX Health&Science | 1632-L | Depending on diameter of tubings needed |
| KDS Stainless Steel Syringe | KD Scientific Inc | 780802 | |
| Shut-Off Valve Tefzel (ETFE) with 1/16" Fittings | IDEX Health&Science | P-782 | |
| BPR Assembly 20 psi | IDEX Health&Science | P-791 | |
| Luer Adapter Female Luer – Female Union | IDEX Health&Science | P-628 | Known as syringe connector in this paper |
| 1/4-28 Female to Male Luer Assy | IDEX Health&Science | P-675 | Known as needle connector in this paper |
| Union Body PEEK .020 thru hole, for 1/16" OD" | IDEX Health&Science | P-702-01 | |
| Super Flangeless Ferrule w/SST Ring, 1/4-28 Flat-Bottom, for 1/16" OD | IDEX Health&Science | P-250X | |
| PEEK Low Pressure Tee Assembly 1/16" PEEK .020 thru hole | IDEX Health&Science | P-712 | Known as T-connector in this paper |
| Super Flangeless Nut PEEK 1/4-28 Flat-Bottom, for 1/16" & 1/32" OD | IDEX Health&Science | P-255X | |
| Micro Metering Valve Assembly, 1/4-28 Flat-Bottom, for 1/16" OD | IDEX Health&Science | P-445NF | Known as Needle valve in this paper |
| Shut Off Valve Assembly PEEK .020 | IDEX Health&Science | P-732 | |
| Terumo Syringe without needle | Terumo medical | 1 mL and 3 mL depending on the volume needed | |
| Terumo needle | Terumo medical | 22G X 1½” (0.70 X 38 mm) |
|
| Sterican needle | B | Braun Sharing Enterprise | 21G X 4¾” (0.80 X 120 mm) |
|
| Bruker ACF300 (300 MHz) | For 300 MHz NMR scanning | ||
| AV-III400 (400 MHZ) | For 400 MHz NMR scanning | ||
| AMX500 (500 MHz) | For 500 MHz NMR scanning | ||
| Merck 60 (0.040-0.063 mm) mesh silica gel | Merck | ||
| 4-Iodoanisole | Sigma Aldrich | I7608-100G | |
| 412740 ALDRICH Bis(triphenylphosphine) palladium(II) dichloride ≥99% trace metals basis |
Sigma Aldrich | 412740-5G | |
| Copper(I) iodide purum, ≥99.5% |
Sigma Aldrich | 03140-100G | |
| N,N-Diisopropylethylamine | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd | D1599 | |
| 1, 3, 5-trimethoxybenzene | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd | P0250 | |
| 2,3-Dimethyl-2-butene ≥99% |
Sigma Aldrich | 220159-25ML | |
| Bromopentafluorobenzene 99% |
Sigma Aldrich | B75158-10G | |
| TEMPO Green Alternative 98% |
Sigma Aldrich | 214000-25G | |
| Acetonitrile | Sigma Aldrich | 271004-1L | |
| Diethylether | Sigma Aldrich | 346136-1L | |
| Dimethyl sulfoxide | VWR chemical | 23500.322- 25L | |
| 1,2-Dichloroethane | Sigma Aldrich | 284505-1L | |
| 9-mesityl-10-methylacridinium perchlorate | Refer to Ref. 8 for synthesis | ||
| Ir(ppy)2(dtbbpy)PF6 | Refer to Ref. 9 for synthesis |
References
- Mallia, C. J., Baxendale, I. R. The Use of Gases in Flow Synthesis. Organic Process Research & Development. 20 (2), 327-360 (2016).
- Xue, F., Deng, H., Xue, C., Mohamed, D. K. B., Tang, K. Y., Wu, J. Reaction discovery using acetylene gas as the chemical feedstock accelerated by the "stop-flow" micro-tubing reactor system. Chemical Science. 8 (5), 3623-3627 (2017).
- McTeague, T. A., Jamison, T. F. Photoredox Activation of SF6 for Fluorination. Angewandte Chemie International Edition. 55 (48), 15072-15075 (2016).
- Mohamed, D. K. B., Yu, X., Li, J., Wu, J. Reaction screening in continuous flow reactors. Tetrahedron Letters. 57 (36), 3965-3977 (2016).
- Zhou, R., Liu, H., Tao, H., Yu, X., Wu, J. Metal-free direct alkylation of unfunctionalized allylic/benzylic sp3 C-H bonds via photoredox induced radical cation deprotonation. Chemical Science. 8 (6), 4654-4659 (2017).
- Prier, C. K., Rankic, D. A., MacMillan, D. W. C. Visible Light Photoredox Catalysis with Transition Metal Complexes: Applications in Organic Synthesis. Chemical Reviews. 113 (7), 5322-5363 (2013).
- Cambié, D., Bottecchia, C., Straathof, N. J. W., Hessel, V., Noël, T. Applications of Continuous-Flow Photochemistry in Organic Synthesis, Material Science, and Water Treatment. Chemical Reviews. 116 (17), 10276-10341 (2016).
- Straathof, N. J. W., Su, Y., Hessel, V., Noel, T. Accelerated gas-liquid visible light photoredox catalysis with continuous-flow photochemical microreactors. Nat. Protocols. 11 (1), 10-21 (2016).
- Robards, K., Haddad, P. R., Jackson, P. E. High-performance Liquid Chromatography—Instrumentation and Techniques. Principles and Practice of Modern Chromatographic Methods. 5, 227-303 (1994).
- Linder, V., Sia, S. K., Whitesides, G. M. Reagent-Loaded Cartridges for Valveless and Automated Fluid Delivery in Microfluidic Devices. Analytical Chemistry. 77 (1), 64-71 (2005).
- Terao, K., Nishiyama, Y., Tanimoto, H., Morimoto, T., Oelgemöller, M., Morimoto, T. Diastereoselective [2+2] Photocycloaddition of a Chiral Cyclohexenone with Ethylene in a Continuous Flow Microcapillary Reactor. Journal of Flow Chemistry. 2 (3), 73-76 (2012).
- Qian, D., Lawal, A. Numerical study on gas and liquid slugs for Taylor flow in a T-junction microchannel. Chemical Engineering Science. 61 (23), 7609-7625 (2006).
- Hamilton, D. S., Nicewicz, D. A. Direct Catalytic Anti-Markovnikov Hydroetherification of Alkenols. Journal of the American Chemical Society. 134 (45), 18577-18580 (2012).
- Singh, A., Teegardin, K., Kelly, M., Prasad, K. S., Krishnan, S., Weaver, J. D. Facile synthesis and complete characterization of homoleptic and heteroleptic cyclometalated Iridium(III) complexes for photocatalysis. Journal of Organometallic Chemistry. 776, 51-59 (2015).
