【ISCO】手动与自动化 Flash 色谱法： 合成（2S-3S）-环氧香叶醇的纯化
2024-07-254401
摘要
Abstract
通过使用手性催化剂对烯丙醇香叶醇进行环氧化反应，可以通过夏普莱斯不对称合成法选择性地制备出（2S,3S）-环氧香叶醇。合成后的（2S,3S）-环氧香叶醇通过自动化 Flash 色谱法和手动玻璃柱色谱法进行了纯化。为了确定哪种纯化方法对化学家在专业和教学环境中更有益处，我们对每种纯化方法的成功率、效率、质量和经济性进行了分析和比较。结果发现，使用 Teledyne ISCO CombiFlash NextGen 300+ 系统的自动化色谱法在成功率、效率和成本效益方面均优于传统的手动玻璃柱色谱法。
02
背景
Background
Flash 色谱法通常作为本科生实验室实验的一部分而被广泛使用。在研究生研究中，由于需要对合成化合物进行纯化，它也是常规使用的技术。Flash 色谱法是一种简单、低成本的色谱技术入门方法，它在纯化化合物方面非常有效。
开放柱的优点 | 开放柱的缺点 |
尽管自动化 Flash 色谱系统的出现，开放柱在大学中仍然非常流行。它们的初始资金成本很低，因此可以同时使用多个。它们还提供了一种直观的感受，展示了 Flash 色谱是如何进行的。 | 开放柱由易碎的玻璃制成，一旦破损，需要清理尖锐的碎片和松散的硅胶。在实验结束时，需要对玻璃柱进行填充和拆卸，这会使学生们接触到硅胶粉尘、溶剂以及柱子上残留的任何化合物。开放柱只能使用等度或阶梯梯度。柱子运行需要更多时间，并且需要持续监控，管理溶剂和组分。由于缺乏任何检测器，需要大量的 TLC 板来识别感兴趣的组分。 |
自动化 Flash 柱的优点 | 自动化 Flash 柱的缺点 |
自动化 Flash 柱是自成一体的，因此在实验完成后，不会接触到硅胶或柱子上残留的任何产品或溶剂。这些柱子填充得当，提高了分辨率，减少了共洗脱峰的可能性。尽管这些柱子是用塑料包装的，但由于检测器可以显示哪些组分应该合并，而不是使用薄层色谱（TLC）板来观察化合物何时被洗脱，因此减少了固体废物。自动化系统允许对梯度进行实验（以梯度冲洗进行纯化测试），并且比开放柱更好地展示了梯度改变与分辨率之间的关系。由于无需填充或清洁柱子，而且纯化过程更快，所以在给定时间内可以处理更多样本，开放柱可同时运行的优势因此被抵消了。 | 自动化系统的主要缺点是 Flash 色谱设备的初始投资较高，因此与开放的玻璃柱相比，可用的色谱系统数量更少。此外，还需要持续投资预装填的柱子，以及与设备相关的任何维护成本。 |
03
结果与讨论
Results and discussion
测试编号 | 手动（管柱）纯化回收率或产率（%） | 自动（管柱）纯化回收率或产率（%） |
#4 | 29.04 | 52.85 |
#5 | 49.73 | 56.14 |
产率和时间分析
成功合成了(2S,3S)-环氧香叶醇，并通过手动与自动化 Flash 色谱法进行了纯化。为了评估两种方法的优劣，我们对比了它们的成功率、效率、产物质量和成本。
通过分析产率，我们发现自动化纯化的产率较高，实验显示分别为 52.85% 和 56.14%，而手动纯化产率仅为 29.04% 和 49.73%。自动化纯化使用预装填柱，紧实充填的硅胶提高了分离效率，减少了样品在柱中的停留时间，避免了环氧环的潜在不稳定。
从纯化质量来看，自动化纯化也表现更佳。NMR 谱图显示，自动化纯化的产物杂质和溶剂残留较少。尽管两种方法都去除了大部分杂质，但自动化技术在纯化效果上更为出色。
在时间效率方面，自动化纯化显著优于手动纯化。自动化过程仅需 26 分钟，而手动纯化需 135 分钟，大大节省了时间和劳力，并减少了操作错误的风险。自动化系统还提供用户友好的操作界面，减少了人为错误并提高了重现性。
经济效益分析表明，自动化纯化的总成本低于手动纯化，为教学实验室提供了一种经济有效的解决方案。此外，自动化纯化减少了对环境的负担，使用了更少的一次性材料，更易于处理废物，并且更安全，因为操作人员无需直接接触硅胶。
综上所述，自动化 Flash 色谱法不仅提高了纯化效率和产物质量，而且更加经济和环保，是化学家们在专业及教育环境中的理想选择。
04
经济分析
Economic Analysis
平均来说，每个手动玻璃柱纯化所需的材料如表 1-3 所示，用量一致。而自动 Flash 色谱纯化的溶剂用量则根据所选参数和柱子大小（在本例中为 12 克和 4 克柱子）而定。以下是每次纯化所用的材料和溶剂详情。需要注意的是，初始需要的可重复使用设备未包含在价格明细和比较中，如手动纯化用的玻璃器皿和自动纯化用的 Teledyne ISCO CombiFlash NextGen 300+，未包含在价格明细和比较中。
以下比较中使用的化学产品供应商是 Sigma Aldrich；因此，列出的所有价格都基于这家供应商。
表 1：一次手动玻璃柱纯化所用材料的价格细目
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 |
一次纯化的总材料成本：79.51￡
表 2：使用 4 克柱进行一次自动 Flash 纯化所用材料的价格细目
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 |
一次纯化的总材料成本：19.81￡
表3：使用12克柱进行一次自动 Flash 纯化所用材料的价格细目
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 |
一次纯化的总材料成本：44.70￡
05
实验步骤
Experimental
将粉末状分子筛（0.28克）和无水二氯甲烷（15毫升）一起加入并混合，同时冷却至 -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）和钛（IV）异丙醇盐（0.15毫升），随后再加入叔丁基氢氧化物的癸烷溶液（5.5 M，约3毫升）。混合物在 -10°C 下搅拌 10 分钟，然后冷却至 -20°C。将香叶醇（1.54克）溶解在无水二氯甲烷（1毫升）中，并确保温度不超过 -15°C 的情况下加入到混合物中。加入后，混合物在 -15 至 -20°C 下搅拌 60 分钟。然后将混合物升温至 0°C，并加入水（3毫升）。当溶液升温至室温时，加入饱和氯化钠的氢氧化钠溶液（30%，0.7毫升）。混合物搅拌 10 分钟。然后用二氯甲烷（2 × 10毫升）萃取水层。合并的有机层用 MgSO4 干燥，并在减压下浓缩以得到粗制的（2S,3S）-环氧香叶醇。
表4：实验 4（使用4克柱）的固定参数
项目 | 所用参数 | ||
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：实验 5（使用12克柱）的固定参数
Instrumentation | Teledyne ISCO CombiFlash NextGen 300+ | ||
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
结论
Conclusion
通过手动和自动 Flash 色谱法纯化了合成的（2S-3S）-环氧香叶醇。研究发现，与手动纯化相比，自动 Flash 纯化在纯化合成的粗产品方面更为成功，因为它能从产品中去除更多的杂质和残留溶剂峰。这一点通过分析获得的 NMR 光谱得以证实。此外，通过分析获得的产量比较了每种纯化技术的效率。结果表明，自动纯化的产量更高。此外，自动柱纯化比手动柱纯化耗时少得多，从而最大化了实验室的时间利用。这消除了采用手动玻璃柱纯化所需的劳动力投入，并避免了可能发生的高风险错误。与自动纯化相比，手动纯化成本更高、对环境更不友好，并且对用户的危险更大。因此，可以得出结论，自动纯化仪器（如Teledyne ISCO CombiFlash NextGen 300+）是一项值得投资的设备，因为它效率更高，能更成功地纯化合成产品，并且是一种更经济、对环境更有意识的投资。这一结论适用于专业环境中的化学家，如研究或工业领域，以及本科化学教学设施中的化学家。
07
补充信息
Supplemental Information
实验4
手动纯化使用的粗产品 = 1.000 g
获得的纯手动纯化产品 = 0.2933 g
产率 = 0.2933/1.000 × 100 = 29.33 %
自动纯化使用的粗产品 = 0.4 g
获得的纯自动纯化产品 = 0.2114 g
产率 = 0.2114/0.4 × 100 = 52.85 %
实验5
手动纯化使用的粗产品 = 1.0441 g
获得的纯手动纯化产品 = 0.2855 g
产率 = 0.2855/1.0441 × 100 = 49.73 %
自动纯化使用的粗产品 = 1.0 g
获得的纯自动纯化产品 = 0.5614 g
产率 = 0.5614/1.000 × 100 = 56.14 %
自动 Flash 管柱纯化结果：实验4（上图，4克柱）和实验5（下图，12克柱）
参考文献
Purification of Delicate Compounds with RediSep Gold Diol and Cyano Columns https://www.teledynelabs.com/en-us/resources/Documents/Application-Notes/Purification-of-Delicate-Compounds-with-RediSep-Gold-Diol-and-Cyano-Columns.pdf Retrieved 19 Nov 2021
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