研究论文介绍

低于1mg的固体试剂怎么快速精确称量?

本文作者 芃洋雪

低于1mg的固体试剂怎么快速精确称量?别着急,化学玻璃珠了解一下。

高通量筛选反应条件是优化反应的一大法宝,特别是在开发新的反应方法学或者合成天然产物等复杂结构的化合物时,可以从众多的反应条件中筛选出最优的组合。高通量筛选能够同时平行筛选条件,以更快的速率和更高的效率摸索反应条件,而且可以最小化反应规模,以减少高值中间体的消耗,但这存在一个问题,就是当反应规模小至纳摩尔级别时,试剂的量通常低于1毫克,精确且高效的称量固体试剂成为最大的实际问题。

来自艾伯维Abbvie化学与技术发现部的Ying Wang等,在开发化学机器人平台时,在自动分配多种不同的固体化学试剂(<1mg)时就遇到了困难,只能依靠繁琐的人工称量。微量化学品的精密称量非常繁琐,用过精密天平都有过这种经历,准确称量1mg样品时太耗时间了,单纯等天平保持数值平衡就需要等待,缩小到了纳摩尔级别,更是难以完成的任务。因此,纳摩尔规模的反应基本上依靠试剂在反应溶剂中的母液来称量,但在理想的反应条件筛选中,应该包括溶解度好和不溶的试剂,以做到公正不偏心。为解决这个问题,作者不走寻常路,创造性的开发了化学玻璃珠。论文发表在德国应化杂志上

High‐Throughput Reaction Screening with Nanomoles of Solid Reagents Coated on Glass Bead

Noah P. Tu, Amanda W. Dombrowski, Gashaw M. Goshu, Anil Vasudevan, Stevan W. Djuric, and Ying Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7987-7991. DOI:10.1002/anie.201900536.

作者的创新性来源于制药工业中用到的干粉包衣技术。少量的客体颗粒与大得多的主体颗粒混合,客体通过范德华力附着在主体颗粒表面,而且干粉包衣操作仅需一步,如图1a,b所示。

图1:a)干法包衣过程 b)各种类型的化学玻璃珠。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

在选择主体材料时,作者最终选择了玻璃珠,因为它具有高度流动性、化学惰性,以及光滑圆整的表面,并用Resodyn Acoustic Mixer(RAM)干法包衣机,可以混合1-20%质量比的固体试剂。负载前后的化学玻璃珠的外貌图可以通过扫描电子显微镜观察,图1c。

图1c)化学玻璃珠(SEM图,左155倍放大,中800倍放大,右5%Pd((dppf)Cl2)的1800倍放大。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

为确认化学玻璃珠上的试剂量,精密测量后所有案例后,这项技术所投料误差在±10%以内,大部分在5%误差,对筛选反应而言这个变量误差可以忽略。更重要的是这个包衣涂层不会受到自动分配和手工操作的影响,而且非常稳定,放置18个月后没有明显变化。

化学玻璃珠的物理性质更接近于玻璃这个主体材料,化学性质取决于包衣涂层,包括催化剂、配体、无机盐、反应物等,即使对空气和湿气敏感的试剂也能包衣。与高分子材料不同,化学玻璃珠不需要像共价键那样的化学修饰,仅需一步在溶剂中从玻璃表面释放,与原始试剂相比无差异。这样,通过玻璃珠放大试剂的体积和重量,利于日常称量操作。

为方便使用,考虑到化学玻璃珠的密度不会因涂层而改变,很贴心的设计了称量勺,通过计算机软件设计和3D打印,用量范围为5-200mg。5mg的称量足以精确投料0.05mg的试剂(1%载药量),用于微量反应。

图2. 化学玻璃珠称量勺. 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

为检验化学玻璃珠的使用价值,作者选取了偶联反应测试。在制药工业中,Suzuki- Miyaura和C-N偶联反应被广泛应用,但在药物合成的最后几步反应中,C-N反应的成功率仅有45%。而奇怪的是,这两类反应也是被广泛研究的,有无数文献报道,反应条件千变万化,包括多种催化剂、配体、碱等因素,因此从中优选反应条件是个巨大的工作量。高通量反应筛选正好可以解决这个问题,如采用矩阵筛选法,包含了更多的反应条件组合,通过少量的反应就能找到关键因素,但之前由于缺乏微量固体试剂的筛选,实际反应成功率较低。

作者选用的Suzuki-Miyaura反应条件有55个,用Chemspeed设置完毕。条件筛选只考虑收率,其他如反应溶剂、试剂的物理性质如溶解度等统统不考虑。以化合物5-溴-吲哚-2-酮(化合物1)为例,这在许多Suzuki-Miyaura反应条件中曾难以驯服,如图3所示。辉瑞的化学家在基于流动化学筛选平台选出了最优的条件,分离收率81%,而通过作者的筛选体系,最好的收率达到82%和89%。这说明,有效的条件筛选才能可能确定最有效的反应条件,相比而只拼数量并不明智。

图3. Suzuki-Miyaura反应. 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

另外一个案例是二酮4和哌嗪的C-N偶联反应,如图4所示,作者设置了68种反应条件,但只有2个有产物,它们的共同点是实用了LiHMDS这个碱,说明碱的作用非常重要,为更快筛选反应条件,作者使用了流动化学技术,并将原来68种条件的碱全部更换为LiHMDS,其中>80%得到了产物,优化后的反应条件为TB43,反应规模放大到50mg后,分离产率为67%,这再次说明了,将反应条件扩展到所有常见的反应试剂后,才能提高找到合适反应条件的成功率。

图4. C-N偶联反应. 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 化学玻璃珠不仅负载一种试剂,还能混合包衣负载,如在合成0.5ug的化合物9时,玻璃珠就负载了3种试剂,如图5所示,反应规模放大10万倍达到50mg时,9的分离产率为65%。

图5. 多种试剂混合化学玻璃珠. 图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 总结:

作者通过干法包衣技术,将化学试剂负载到惰性的玻璃珠上,创造了化学玻璃珠试剂,解决了难以精确投放微量固体试剂的问题,可以方便快速的进行纳摩尔级别的化学反应,从而节约了宝贵的中间体和化学试剂。在反应筛选时,不用再考虑反应试剂的溶解度问题。这项技术即适用于自动化的反应平台,配备了定量的称量勺后,也方便手动操作,具有广阔的实用前景。

 

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