手動與自動化Flash色譜法應用：合成（2S-3S）-環氧香葉醇的純化

瀏覽次數：1324　發布日期：2024-7-25　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

01 摘要

通過使用手性催化劑對烯丙醇香葉醇進行環氧化反應，可以通過夏普萊斯不對稱合成法選擇性地制備出（2S,3S）-環氧香葉醇。合成后的（2S,3S）-環氧香葉醇通過自動化 Flash 色譜法和手動玻璃柱色譜法進行了純化。為了確定哪種純化方法對化學家在專業和教學環境中更有益處，我們對每種純化方法的成功率、效率、質量和經濟性進行了分析和比較。結果發現，使用 Teledyne ISCO CombiFlash^® NextGen 300+ 系統的自動化色譜法在成功率、效率和成本效益方面均優于傳統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行純化，它也是常規使用的技術。Flash 色譜法是一種簡單、低成本的色譜技術入門方法，它在純化化合物方面非常有效。

開放柱的優點

開放柱的缺點

盡管自動化 Flash 色譜系統的出現，開放柱在大學中仍然非常流行。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。在實驗結束時，需要對玻璃柱進行填充和拆卸，這會使學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，并且需要持續監控，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品或溶劑。這些柱子填充得當，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。自動化系統允許對梯度進行實驗（以梯度沖洗進行純化測試），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，所以在給定時間內可以處理更多樣本，開放柱可同時運行的優勢因此被抵消了。

自動化系統的主要缺點是 Flash 色譜設備的初始投資較高，因此與開放的玻璃柱相比，可用的色譜系統數量更少。此外，還需要持續投資預裝填的柱子，以及與設備相關的任何維護成本。

03 結果與討論

測試編號	手動（管柱）純化回收率或產率（%）	自動（管柱）純化回收率或產率（%）
#4	29.04	52.85
#5	49.73	56.14

產率和時間分析

成功合成了(2S,3S)-環氧香葉醇，并通過手動與自動化 Flash 色譜法進行了純化。為了評估兩種方法的優劣，我們對比了它們的成功率、效率、產物質量和成本。

通過分析產率，我們發現自動化純化的產率較高，實驗顯示分別為 52.85% 和 56.14%，而手動純化產率僅為 29.04% 和 49.73%。自動化純化使用預裝填柱，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，避免了環氧環的潛在不穩定。

從純化質量來看，自動化純化也表現更佳。NMR 譜圖顯示，自動化純化的產物雜質和溶劑殘留較少。盡管兩種方法都去除了大部分雜質，但自動化技術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，大大節省了時間和勞力，并減少了操作錯誤的風險。自動化系統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性。

經濟效益分析表明，自動化純化的總成本低于手動純化，為教學實驗室提供了一種經濟有效的解決方案。此外，自動化純化減少了對環境的負擔，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物質量，而且更加經濟和環保，是化學家們在專業及教育環境中的理想選擇。

04 經濟分析

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所選參數和柱子大�。ㄔ诒纠袨� 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，初始需要的可重復使用設備未包含在價格明細和比較中，如手動純化用的玻璃器皿和自動純化用的 Teledyne ISCO CombiFlash NextGen 300+，未包含在價格明細和比較中。

以下比較中使用的化學產品供應商是 Sigma Aldrich；因此，列出的所有價格都基于這家供應商。

表 1：一次手動玻璃柱純化所用材料的價格細目

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 克柱進行一次自動 Flash 純化所用材料的價格細目

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克柱進行一次自動 Flash 純化所用材料的價格細目

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）�；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）�；旌衔飻嚢� 10 分鐘。然后用二氯甲烷（2 × 10毫升）萃取水層。合并的有機層用 MgSO₄ 干燥，并在減壓下濃縮以得到粗制的（2S,3S）-環氧香葉醇。

表4：實驗 4（使用4克柱）的固定參數

項目	所用參數
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

項目	所用參數
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 結論

通過手動和自動 Flash 色譜法純化了合成的（2S-3S）-環氧香葉醇。研究發現，與手動純化相比，自動 Flash 純化在純化合成的粗產品方面更為成功，因為它能從產品中去除更多的雜質和殘留溶劑峰。這一點通過分析獲得的 NMR 光譜得以證實。此外，通過分析獲得的產量比較了每種純化技術的效率。結果表明，自動純化的產量更高。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，并避免了可能發生的高風險錯誤。與自動純化相比，手動純化成本更高、對環境更不友好，并且對用戶的危險更大。因此，可以得出結論，自動純化儀器（如Teledyne ISCO CombiFlash NextGen 300+）是一項值得投資的設備，因為它效率更高，能更成功地純化合成產品，并且是一種更經濟、對環境更有意識的投資。這一結論適用于專業環境中的化學家，如研究或工業領域，以及本科化學教學設施中的化學家。

07 補充信息

實驗4

手動純化使用的粗產品 = 1.000 g

獲得的純手動純化產品 = 0.2933 g

產率 = 0.2933/1.000 × 100 = 29.33 %

自動純化使用的粗產品 = 0.4 g

獲得的純自動純化產品 = 0.2114 g

產率 = 0.2114/0.4 × 100 = 52.85 %

實驗5

手動純化使用的粗產品 = 1.0441 g

獲得的純手動純化產品 = 0.2855 g

產率 = 0.2855/1.0441 × 100 = 49.73 %