手動與自動化Flash色譜法應用：合成（2S-3S）-環(huán)氧香葉醇的純化
通過使用手性催化劑對烯丙醇香葉醇進行環(huán)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(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行了純化。為了確定哪種純化方法對化學家在專業(yè)和教學環(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)濟性進行了分析和比較。結果發(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行純化，它也是常規(guī)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(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(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，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(tǒng)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(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
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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（%） |
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#4 |
29.04 |
52.85 |
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#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(jīng)濟有效的解決方案。此外，自動化純化減少了對環(huán)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(chǎn)物質(zhì)量，而且更加經(jīng)濟和環(huán)保，是化學家們在專業(yè)及教育環(huán)境中的理想選擇。
04 經(jīng)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(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(chǎn)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
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Materials Used |
Price per quantity used (£) |
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70% hexane/30% EtOAc (600 mL) |
49.59 |
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230-400 mesh Silica Gel (100 g) |
10.90 |
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Dust mask |
2.37 |
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Sand (5 g) |
0.39 |
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TLC plates (7 total) |
11.48 |
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Pipette tips (26 total) |
0.39 |
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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
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Materials Used |
Price per quantity used （£） |
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Hexane (100 mL) |
9.80 |
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EtOAc (100 mL) |
4.69 |
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4 g RediSep Gold silica column |
5.00 |
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Hexane chaser (1 mL) |
0.098 |
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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
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Materials Used |
Price per quantity used（£） |
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Hexane (300 mL) |
29.40 |
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EtOAc (200 mL) |
9.38 |
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12 g RediSep Gold silica column |
500 |
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Hexane chaser (3 mL) |
0.29 |
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1 mL Syringe (1 total) |
0.11 |
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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(huán)氧香葉醇。
表4：實驗 4（使用4克柱）的固定參數(shù)
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項目 |
所用參數(shù) |
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Wavelengths |
254 nm (red) 280 nm (purple) |
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Mobile phases |
Solvent A: Hexane Solvent B: Ethyl acetate |
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Flow Rate |
13 mL/min |
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Equilibration Volume |
7.0 CV |
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Gradient |
% Solvent B 0.0 0.0 100.0 100.0 100.0 |
Minute Initial 0.5 10.0 3.5 2.8 |
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Run Length |
11.4 min, not including equilibration time |
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Notes |
ELSD used |
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表5：實驗 5（使用12克柱）的固定參數(shù)
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項目 |
所用參數(shù) |
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Wavelengths |
254 nm (red) 280 nm (purple) |
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Mobile phases |
Solvent A: Hexane Solvent B: Ethyl acetate |
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Flow Rate |
30 mL/min |
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Equilibration Volume |
6.0 CV |
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Gradient |
% Solvent B 0.0 0.0 100.0 100.0 |
Minute Initial 0.5 10.0 3.5 |
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Run Length |
8.3 min, not including equilibration time |
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Notes |
ELSD used |
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06 結論
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的效率。結果表明，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(chǎn)品，并且是一種更經(jīng)濟、對環(huán)境更有意識的投資。這一結論適用于專業(yè)環(huán)境中的化學家，如研究或工業(yè)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(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 %
自動純化使用的粗產(chǎn)品 = 1.0 g
獲得的純自動純化產(chǎn)品 = 0.5614 g
產(chǎn)率 = 0.5614/1.000 × 100 = 56.14 %
自動 Flash 管柱純化結果：實驗4（上圖，4克柱）和實驗5（下圖，12克柱）
參考文獻
1. Purification of Delicate Compounds with RediSep Gold® Diol and Cyano Columns Retrieved 19 Nov 2021
