手動與自動化Flash色譜法應(yīng)用：合成（2S-3S）-環(huán)氧香葉醇的純化

瀏覽次數(shù)：920　發(fā)布日期：2024-7-25　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

01 摘要

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驗室實驗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

開放柱的缺點

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，因此可以同時使用多個。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。在實驗結(jié)束時，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。柱子運行需要更多時間，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

自動化 Flash 柱的缺點

自動化 Flash 柱是自成一體的，因此在實驗完成后，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)行實驗（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，所以在給定時間內(nèi)可以處理更多樣本，開放柱可同時運行的優(yōu)勢因此被抵消了。

自動化系統(tǒng)的主要缺點是 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，實驗顯示分別為 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，緊實充填的硅膠提高了分離效率，減少了樣品在柱中的停留時間，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)省了時間和勞力，并減少了操作錯誤的風(fēng)險。自動化系統(tǒng)還提供用戶友好的操作界面，減少了人為錯誤并提高了重現(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)實驗室提供了一種經(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，因為操作人員無需直接接觸硅膠。

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 實驗步驟

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，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：實驗 4（使用4克柱）的固定參數(shù)

項目	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：實驗 5（使用12克柱）的固定參數(shù)

項目	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，因為它能從產(chǎn)品中去除更多的雜質(zhì)和殘留溶劑峰。這一點通過分析獲得的 NMR 光譜得以證實。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少得多，從而蕞大化了實驗室的時間利用。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)險錯誤。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+）是一項值得投資的設(shè)備，因為它效率更高，能更成功地純化合成產(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

實驗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 %

實驗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 %