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【ISCO】手動與自動化 Flash 色譜法： 合成（2S-3S）-環(huán)氧香葉醇的純化
檢測樣品：（2S 3S）-環(huán)氧香葉醇
檢測項(xiàng)目：純化
方案概述：合成后的（2S,3S）-環(huán)氧香葉醇通過自動化Flash色譜法和手動玻璃柱色譜法進(jìn)行了純化。為了確定哪種純化方法對化學(xué)家在專業(yè)和教學(xué)環(huán)境中更有益處，本文中我們對每種純化方法的成功率、效率、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析和比較。
通過使用手性催化劑對烯丙醇香葉醇進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)，可以通過夏普萊斯不對稱合成法選擇性地制備出（2S,3S）-環(huán)氧香葉醇。合成后的（2S,3S）-環(huán)氧香葉醇通過自動化 Flash 色譜法和手動玻璃柱色譜法進(jìn)行了純化。為了確定哪種純化方法對化學(xué)家在專業(yè)和教學(xué)環(huán)境中更有益處，我們對每種純化方法的成功率、效率、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析和比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用 Teledyne ISCO CombiFlash® NextGen 300+ 系統(tǒng)的自動化色譜法在成功率、效率和成本效益方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的手動玻璃柱色譜法。
02 背景
Flash 色譜法通常作為本科生實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的一部分而被廣泛使用。在研究生研究中，由于需要對合成化合物進(jìn)行純化，它也是常規(guī)使用的技術(shù)。Flash 色譜法是一種簡單、低成本的色譜技術(shù)入門方法，它在純化化合物方面非常有效。
| 開放柱的優(yōu)點(diǎn) | 開放柱的缺點(diǎn) |
| 盡管自動化 Flash 色譜系統(tǒng)的出現(xiàn)，開放柱在大學(xué)中仍然非常流行。它們的初始資金成本很低，因此可以同時(shí)使用多個(gè)。它們還提供了一種直觀的感受，展示了 Flash 色譜是如何進(jìn)行的。 | 開放柱由易碎的玻璃制成，一旦破損，需要清理尖銳的碎片和松散的硅膠。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，需要對玻璃柱進(jìn)行填充和拆卸，這會使學(xué)生們接觸到硅膠粉塵、溶劑以及柱子上殘留的任何化合物。開放柱只能使用等度或階梯梯度。柱子運(yùn)行需要更多時(shí)間，并且需要持續(xù)監(jiān)控，管理溶劑和組分。由于缺乏任何檢測器，需要大量的 TLC 板來識別感興趣的組分。 |
| 自動化 Flash 柱的優(yōu)點(diǎn) | 自動化 Flash 柱的缺點(diǎn) |
| 自動化 Flash 柱是自成一體的，因此在實(shí)驗(yàn)完成后，不會接觸到硅膠或柱子上殘留的任何產(chǎn)品或溶劑。這些柱子填充得當(dāng)，提高了分辨率，減少了共洗脫峰的可能性。盡管這些柱子是用塑料包裝的，但由于檢測器可以顯示哪些組分應(yīng)該合并，而不是使用薄層色譜（TLC）板來觀察化合物何時(shí)被洗脫，因此減少了固體廢物。自動化系統(tǒng)允許對梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（以梯度沖洗進(jìn)行純化測試），并且比開放柱更好地展示了梯度改變與分辨率之間的關(guān)系。由于無需填充或清潔柱子，而且純化過程更快，所以在給定時(shí)間內(nèi)可以處理更多樣本，開放柱可同時(shí)運(yùn)行的優(yōu)勢因此被抵消了。 | 自動化系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是 Flash 色譜設(shè)備的初始投資較高，因此與開放的玻璃柱相比，可用的色譜系統(tǒng)數(shù)量更少。此外，還需要持續(xù)投資預(yù)裝填的柱子，以及與設(shè)備相關(guān)的任何維護(hù)成本。 |
03 結(jié)果與討論
測試編號 | 手動（管柱）純化回收率或產(chǎn)率（%） | 自動（管柱）純化回收率或產(chǎn)率（%） |
#4 | 29.04 | 52.85 |
#5 | 49.73 | 56.14 |
產(chǎn)率和時(shí)間分析
成功合成了(2S,3S)-環(huán)氧香葉醇，并通過手動與自動化 Flash 色譜法進(jìn)行了純化。為了評估兩種方法的優(yōu)劣，我們對比了它們的成功率、效率、產(chǎn)物質(zhì)量和成本。
通過分析產(chǎn)率，我們發(fā)現(xiàn)自動化純化的產(chǎn)率較高，實(shí)驗(yàn)顯示分別為 52.85% 和 56.14%，而手動純化產(chǎn)率僅為 29.04% 和 49.73%。自動化純化使用預(yù)裝填柱，緊實(shí)充填的硅膠提高了分離效率，減少了樣品在柱中的停留時(shí)間，避免了環(huán)氧環(huán)的潛在不穩(wěn)定。
從純化質(zhì)量來看，自動化純化也表現(xiàn)更佳。NMR 譜圖顯示，自動化純化的產(chǎn)物雜質(zhì)和溶劑殘留較少。盡管兩種方法都去除了大部分雜質(zhì)，但自動化技術(shù)在純化效果上更為出色。
在時(shí)間效率方面，自動化純化顯著優(yōu)于手動純化。自動化過程僅需 26 分鐘，而手動純化需 135 分鐘，大大節(jié)省了時(shí)間和勞力，并減少了操作錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。自動化系統(tǒng)還提供用戶友好的操作界面，減少了人為錯(cuò)誤并提高了重現(xiàn)性。
經(jīng)濟(jì)效益分析表明，自動化純化的總成本低于手動純化，為教學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。此外，自動化純化減少了對環(huán)境的負(fù)擔(dān)，使用了更少的一次性材料，更易于處理廢物，并且更安全，因?yàn)椴僮魅藛T無需直接接觸硅膠。
綜上所述，自動化 Flash 色譜法不僅提高了純化效率和產(chǎn)物質(zhì)量，而且更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，是化學(xué)家們在專業(yè)及教育環(huán)境中的理想選擇。
04 經(jīng)濟(jì)分析
平均來說，每個(gè)手動玻璃柱純化所需的材料如表 1-3 所示，用量一致。而自動 Flash 色譜純化的溶劑用量則根據(jù)所選參數(shù)和柱子大小（在本例中為 12 克和 4 克柱子）而定。以下是每次純化所用的材料和溶劑詳情。需要注意的是，初始需要的可重復(fù)使用設(shè)備未包含在價(jià)格明細(xì)和比較中，如手動純化用的玻璃器皿和自動純化用的 Teledyne ISCO CombiFlash NextGen 300+，未包含在價(jià)格明細(xì)和比較中。
以下比較中使用的化學(xué)產(chǎn)品供應(yīng)商是 Sigma Aldrich；因此，列出的所有價(jià)格都基于這家供應(yīng)商。
表 1：一次手動玻璃柱純化所用材料的價(jià)格細(xì)目
Materials Used | Price per quantity used (£) |
70% hexane/30% EtOAc (600 mL) | 49.59 |
230-400 mesh Silica Gel (100 g) | 10.90 |
Dust mask | 2.37 |
Sand (5 g) | 0.39 |
TLC plates (7 total) | 11.48 |
Pipette tips (26 total) | 0.39 |
KMnO4 (100 mL) (TLC plate detection) | 4.39 |
一次純化的總材料成本：79.51£
表 2：使用 4 克柱進(jìn)行一次自動 Flash 純化所用材料的價(jià)格細(xì)目
Materials Used | Price per quantity used （£） |
Hexane (100 mL) | 9.80 |
EtOAc (100 mL) | 4.69 |
4 g RediSep Gold silica column | 5.00 |
Hexane chaser (1 mL) | 0.098 |
1 mL Syringe (2 total) | 0.22 |
一次純化的總材料成本：19.81£
表3：使用12克柱進(jìn)行一次自動 Flash 純化所用材料的價(jià)格細(xì)目
Materials Used | Price per quantity used（£） |
Hexane (300 mL) | 29.40 |
EtOAc (200 mL) | 9.38 |
12 g RediSep Gold silica column | 500 |
Hexane chaser (3 mL) | 0.29 |
1 mL Syringe (1 total) | 0.11 |
10 mL Syringe (1 total) | 0.52 |
一次純化的總材料成本：44.70£
05 實(shí)驗(yàn)步驟
將粉末狀分子篩（0.28克）和無水二氯甲烷（15毫升）一起加入并混合，同時(shí)冷卻至 -10°C。然后在前述混合物中加入 L-(+)-二乙基酒石酸酯（0.13毫升）和鈦（IV）異丙醇鹽（0.15毫升），隨后再加入叔丁基氫氧化物的癸烷溶液（5.5 M，約3毫升）。混合物在 -10°C 下攪拌 10 分鐘，然后冷卻至 -20°C。將香葉醇（1.54克）溶解在無水二氯甲烷（1毫升）中，并確保溫度不超過 -15°C 的情況下加入到混合物中。加入后，混合物在 -15 至 -20°C 下攪拌 60 分鐘。然后將混合物升溫至 0°C，并加入水（3毫升）。當(dāng)溶液升溫至室溫時(shí)，加入飽和氯化鈉的氫氧化鈉溶液（30%，0.7毫升）。混合物攪拌 10 分鐘。然后用二氯甲烷（2 × 10毫升）萃取水層。合并的有機(jī)層用 MgSO4 干燥，并在減壓下濃縮以得到粗制的（2S,3S）-環(huán)氧香葉醇。
表4：實(shí)驗(yàn) 4（使用4克柱）的固定參數(shù)
項(xiàng)目 | 所用參數(shù) | |
Wavelengths | 254 nm (red) 280 nm (purple) | |
Mobile phases | Solvent A: Hexane Solvent B: Ethyl acetate | |
Flow Rate | 13 mL/min | |
Equilibration Volume | 7.0 CV | |
Gradient | % Solvent B 0.0 0.0 100.0 100.0 100.0 | Minute Initial 0.5 10.0 3.5 2.8 |
Run Length | 11.4 min, not including equilibration time | |
Notes | ELSD used | |
表5：實(shí)驗(yàn) 5（使用12克柱）的固定參數(shù)
項(xiàng)目 | 所用參數(shù) | |
Wavelengths | 254 nm (red) 280 nm (purple) | |
Mobile phases | Solvent A: Hexane Solvent B: Ethyl acetate | |
Flow Rate | 30 mL/min | |
Equilibration Volume | 6.0 CV | |
Gradient | % Solvent B 0.0 0.0 100.0 100.0 | Minute Initial 0.5 10.0 3.5 |
Run Length | 8.3 min, not including equilibration time | |
Notes | ELSD used | |
06 結(jié)論
通過手動和自動 Flash 色譜法純化了合成的（2S-3S）-環(huán)氧香葉醇。研究發(fā)現(xiàn)，與手動純化相比，自動 Flash 純化在純化合成的粗產(chǎn)品方面更為成功，因?yàn)樗軓漠a(chǎn)品中去除更多的雜質(zhì)和殘留溶劑峰。這一點(diǎn)通過分析獲得的 NMR 光譜得以證實(shí)。此外，通過分析獲得的產(chǎn)量比較了每種純化技術(shù)的效率。結(jié)果表明，自動純化的產(chǎn)量更高。此外，自動柱純化比手動柱純化耗時(shí)少得多，從而蕞大化了實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間利用。這消除了采用手動玻璃柱純化所需的勞動力投入，并避免了可能發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤。與自動純化相比，手動純化成本更高、對環(huán)境更不友好，并且對用戶的危險(xiǎn)更大。因此，可以得出結(jié)論，自動純化儀器（如Teledyne ISCO CombiFlash NextGen 300+）是一項(xiàng)值得投資的設(shè)備，因?yàn)樗矢撸芨晒Φ丶兓铣僧a(chǎn)品，并且是一種更經(jīng)濟(jì)、對環(huán)境更有意識的投資。這一結(jié)論適用于專業(yè)環(huán)境中的化學(xué)家，如研究或工業(yè)領(lǐng)域，以及本科化學(xué)教學(xué)設(shè)施中的化學(xué)家。
07 補(bǔ)充信息
實(shí)驗(yàn)4
手動純化使用的粗產(chǎn)品 = 1.000 g
獲得的純手動純化產(chǎn)品 = 0.2933 g
產(chǎn)率 = 0.2933/1.000 × 100 = 29.33 %
自動純化使用的粗產(chǎn)品 = 0.4 g
獲得的純自動純化產(chǎn)品 = 0.2114 g
產(chǎn)率 = 0.2114/0.4 × 100 = 52.85 %
實(shí)驗(yàn)5
手動純化使用的粗產(chǎn)品 = 1.0441 g
獲得的純手動純化產(chǎn)品 = 0.2855 g
產(chǎn)率 = 0.2855/1.0441 × 100 = 49.73 %
自動純化使用的粗產(chǎn)品 = 1.0 g
獲得的純自動純化產(chǎn)品 = 0.5614 g
產(chǎn)率 = 0.5614/1.000 × 100 = 56.14 %
參考文獻(xiàn)
1. Purification of Delicate Compounds with RediSep Gold® Diol and Cyano Columns Retrieved 19 Nov 2021
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