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

通過(guò)使用手性催化劑對(duì)烯丙醇香葉醇進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)，可以通過(guò)夏普萊斯不對(duì)稱(chēng)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(guò)自動(dòng)化 Flash 色譜法和手動(dòng)玻璃柱色譜法進(jìn)行了純化。為了確定哪種純化方法對(duì)化學(xué)家在專(zhuān)業(yè)和教學(xué)環(huán)境中更有益處，我們對(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(jiǎn)單、低成本的色譜技術(shù)入門(mén)方法，它在純化化合物方面非常有效。

開(kāi)放柱的優(yōu)點(diǎn)	開(kāi)放柱的缺點(diǎn)
盡管自動(dòng)化 Flash 色譜系統(tǒng)的出現(xiàn)，開(kāi)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(kāi)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(duì)玻璃柱進(jìn)行填充和拆卸，這會(huì)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(kāi)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(cè)器，需要大量的 TLC 板來(lái)識(shí)別感興趣的組分。

 

自動(dòng)化 Flash 柱的優(yōu)點(diǎn)

自動(dòng)化 Flash 柱的缺點(diǎn)

自動(dòng)化 Flash 柱是自成一體的，因此在實(shí)驗(yàn)完成后，不會(huì)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(cè)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(lái)觀察化合物何時(shí)被洗脫，因此減少了固體廢物。自動(dòng)化系統(tǒng)允許對(duì)梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（以梯度沖洗進(jìn)行純化測(cè)試），并且比開(kāi)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(wú)需填充或清潔柱子，而且純化過(guò)程更快，所以在給定時(shí)間內(nèi)可以處理更多樣本，開(kāi)放柱可同時(shí)運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)因此被抵消了。

自動(dòng)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(kāi)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

 

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(guò)手動(dòng)與自動(dòng)化 Flash 色譜法進(jìn)行了純化。為了評(píng)估兩種方法的優(yōu)劣，我們對(duì)比了它們的成功率、效率、產(chǎn)物質(zhì)量和成本。

通過(guò)分析產(chǎn)率，我們發(fā)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)純化產(chǎn)率僅為 29.04% 和 49.73%。自動(dòng)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(lái)看，自動(dòng)化純化也表現(xiàn)更佳。NMR 譜圖顯示，自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)在純化效果上更為出色。

在時(shí)間效率方面，自動(dòng)化純化顯著優(yōu)于手動(dòng)純化。自動(dòng)化過(guò)程僅需 26 分鐘，而手動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)還提供用戶(hù)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(dòng)化純化的總成本低于手動(dòng)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(dòng)化純化減少了對(duì)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(wú)需直接接觸硅膠。 

綜上所述，自動(dòng)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?cè)趯?zhuān)業(yè)及教育環(huán)境中的理想選擇。

04 經(jīng)濟(jì)分析  

平均來(lái)說(shuō)，每個(gè)手動(dòng)玻璃柱純化所需的材料如表 1-3 所示，用量一致。而自動(dòng) Flash 色譜純化的溶劑用量則根據(jù)所選參數(shù)和柱子大�。ㄔ诒纠�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(dòng)純化用的玻璃器皿和自動(dòng)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(dòng)玻璃柱純化所用材料的價(jià)格細(xì)目

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(dòng) Flash 純化所用材料的價(jià)格細(xì)目

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(dòng) Flash 純化所用材料的價(jià)格細(xì)目

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(wú)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）�；旌衔镌� -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(wú)水二氯甲烷（1毫升）中，并確保溫度不超過(guò) -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)

 

表5：實(shí)驗(yàn) 5（使用12克柱）的固定參數(shù)

       

06 結(jié)論       

通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng) 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(dòng)純化相比，自動(dòng) Flash 純化在純化合成的粗產(chǎn)品方面更為成功，因?yàn)樗�能從產(chǎn)品中去除更多的雜質(zhì)和殘留溶劑峰。這一點(diǎn)通過(guò)分析獲得的 NMR 光譜得以證實(shí)。此外，通過(guò)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(dòng)純化的產(chǎn)量更高。此外，自動(dòng)柱純化比手動(dòng)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(dòng)玻璃柱純化所需的勞動(dòng)力投入，并避免了可能發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)錯(cuò)誤。與自動(dòng)純化相比，手動(dòng)純化成本更高、對(duì)環(huán)境更不友好，并且對(duì)用戶(hù)的危險(xiǎn)更大。因此，可以得出結(jié)論，自動(dòng)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�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(duì)環(huán)境更有意識(shí)的投資。這一結(jié)論適用于專(zhuān)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(dòng)純化使用的粗產(chǎn)品 = 1.000 g

獲得的純手動(dòng)純化產(chǎn)品 = 0.2933 g

產(chǎn)率 = 0.2933/1.000 × 100 = 29.33 %

自動(dòng)純化使用的粗產(chǎn)品 = 0.4 g

獲得的純自動(dòng)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(dòng)純化使用的粗產(chǎn)品 = 1.0441 g

獲得的純手動(dòng)純化產(chǎn)品 = 0.2855 g

產(chǎn)率 = 0.2855/1.0441 × 100 = 49.73 %

自動(dòng)純化使用的粗產(chǎn)品 = 1.0 g

獲得的純自動(dòng)純化產(chǎn)品 = 0.5614 g

產(chǎn)率 = 0.5614/1.000 × 100 = 56.14 %

自動(dòng) Flash 管柱純化結(jié)果：實(shí)驗(yàn)4（上圖，4克柱）和實(shí)驗(yàn)5（下圖，12克柱）

參考文獻(xiàn)

1. Purification of Delicate Compounds with RediSep Gold^® Diol and Cyano Columns Retrieved 19 Nov 2021