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様々な実験における反応解析

ホワイトペーパー

HPLCは研究室では有効なツールですが、実際にはサンプル間で何が起こっているのでしょうか?

研究者が必要とする十分な情報をHPLC単独では得られなかった5つの例をご紹介します。
全てのケースで、in-situ分析は、HPLC分析を補完し、プロセスの改善に役立ちます:
・反応メカニズムの理解 - カップリング試薬中の不安定な中間生成物の検出
・-78℃における反応解析 - リチオ化反応の最適化
・サンプリングする前に反応終点を予測 – 水素化反応の終点の見極め
・HPLCの結果を待たずに反応状況を確認 - 分解によるエピマー化
・データに基づく反応速度論解析 - 1回の実験で反応速度に関するパラメータの取得


実験データのより深い理解、解析にこのホワイトペーパーが役立ちます。オフライン分析の課題を明らかにし、複雑な条件下での反応解析について説明しています。

このカタログについて

ドキュメント名 様々な実験における反応解析
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
ファイルサイズ 2.7Mb
取り扱い企業 メトラー・トレド株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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このカタログの内容

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反応の全容を理解する 複雑化する化学反応と合成方法 反応メカニズムは? 反応速度は? 中間体の存在は? 収率は? 純度は? A + catalyst B °C, hr [C] D + Impurity 化学反応について理解するには、反応速度・反応メカニズム・反応条件が収率と不純物 濃度に及ぼす影響など、様々な情報の解析が必要です。化学反応に高い安全性やスケー ルアップ性が求められるようになるにつれ、合成方法は変化し、例えば連続フロー反応が 台頭してきています。複雑化する化学反応と新しい合成法に合わせて、反応を解析する ための分析機器も進歩を余儀なくされています。 HPLCは、有機合成とプロセス開発において汎用性の高い手法となっております。しかし 反応によってはサンプリングとオフライン分析という手法では対応できない場合があり ます。このホワイトペーパーでは、ReactIR™ 装置(in situ FTIR)によって、従来のオフライ ン分析だけでは難しかったり、不可能であったり、煩雑であったりする研究課題を解決し た、最近の論文を5つご紹介します。 Contents 1 反応メカニズムの解明 カップリング試薬の不安定中間体の検出 2 -78 °Cでの反応解析 リチオ化反応の最適化 3 反応終点予測での的確なサンプリング 水素化反応の終点を特定 4 HPLC測定より早く反応進行を把握 エピマー化する分解反応 5 データに基づく反応速度論解析 単一実験からの反応速度パラメータ採取 6 新機種 ReactIR 702L のご紹介 7 参考文献 White Paper
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1 反応メカニズムの解明 Beutner, G., Young, I., Davies, M., Hickey, M., Park, H., Stevens, J., Ye, Q., “TCFH−NMI: Direct Access to N‑Acyl Imidazoliums for Challenging Amide Bond Formations”, Org. Lett. (2018) 20, 4218−4222. アミド化合物合成におけるカップリング試薬TCFH-NMIの有効性を、ヒンダードカルボン酸と非求核性 アミンの、エピマー化を伴わない穏やかな条件の反応で研究した例です。このカップリング試薬の有効 性を様々な基質に対して検討する前に、中間体と反応メカニズムを入念に解析する必要がありました が、HPLC単独では難しいことがわかりました。 0.3 HPLC データ 目標化合物 0.2 反応中にサンプリングし、HPLC測定を行ったと ころ、最終生成物の濃度変化を測定できまし た。 0.1 中間体は測定できませんでした。 0.0 0 50 100 150 200 時間 (min) 0.2 ReactIR + HPLC データ 目標化合 ReactIR で最終化合物を測定すると、HPLCデータ と良好な相関性を示しました。 0.1 中間体 1 ReactIR は1回目のサンプリングより前に、重要な 中間体 2 中間体の濃度変化を捉えました。 0.0 0 50 100 150 200 時間 (min) これら中間体の検出と同定が寄与し、著者らは多くの基質分子から、様々なアミド化合物を合成すること に成功しました。ReactIR は反応メカニズムの理解を深め、確認するための決め手となりました。 ReactIR による反応解析 ReactIR は反応速度・反応メカニズム研究に非常に有用です。反応過程のデータを詳細に採取すること で、HPLCなどのオフライン測定法では検出の難しい中間生成物を検出・同定できます。ReactIR によっ て反応メカニズム・反応経路に関する情報を得ることが可能となります。 ReactIRによる反応解析の実例を動画でご覧になれます 2 White Paper METTLER TOLEDO White Paper 吸光度 (IR) 濃度 (HPLC)
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2 -78 °Cでの反応解析 Sheikh,N., Leonori,D., Barker,G., Firth,J., Campos,K., Meijer, A., O’Brien,P., Coldham,I., “An Experimental and in Situ IR Spectroscopic Study of the Lithiation–Substitution of N‑Boc‑2‑phenylpyrrolidine and ‑piperidine: Controlling the Formation of Quaternary Stereocenters” J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5300−5308. 低温での反応は、合成経路および反応速度の制御、さらに立体異性体の選択的合成の手段として重要で す。しかしこのような低温反応をオフラインでHPLC分析することは、特に中間体が関係する場合、極めて 困難です。この研究では in situ ReactIR を用いることで、四級立体中心化合物の制御、及びエナンチオマ ー過剰率の最適化を行いました。 HPLC データ オフラインでのHPLC分析では、低温リチオ化反応の中間体を測定できませんでした。 ReactIR データ ReactIR は低温反応における重要な中間体の濃度変化を測定し、反応メカニズムを明らかにしまし た。 -78 °Cでの反応 0 °Cでの反応 0.10 0.05 リチオ化 中間体 リチオ化中間体 N-Boc-2- 0.05 N-Boc-2フェニルピロリジン フェニルピロリジン 0.00 0.00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 4 6 8 10 12 14 16 18 時間 (min) 時間 (min) この手法により、リチオ化を通して四級立体中心を持つ複素環式化合物のエナンチオ選択的合成に成功し ました。ReactIR は合成条件の最適化に役立ったのに加え、回転異性体相互変換のリアルタイムモニタリン グを可能としました。著者らはこのリチオ化中間体の求電子クエンチングから、様々な化合物の合成に成 功しました。 ReactIR による反応解析 ReactIR は開発当初より、低温反応の反応速度・反応メカニズム・立体異性体などの研究に活用されてきま した。低温反応をオフラインのHPLC測定で解析することはほぼ不可能であり、特に不安定な中間体に着目 すると、ReactIRによる研究手法が最適です。 ReactIR による反応解析の実例を動画でご覧になれます。 White Paper METTLER TOLEDO 3 吸光度(IR) 吸光度 (IR)
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3 反応終点予測で的確なサンプリング Hamilton, P., Sanganee, M., Graham, J., Hartwig, T., Ironmonger, A., Priestley, C., Senior, L., Thompson, D., Webb, M., “Using PAT To Understand, Control, and Rapidly Scale Up the Production of a Hydrogenation Reaction and Isolation of Pharmaceutical Intermediate”, Org. Process Res. Dev. (2015) 19, 236−243. 中間体からN-ベンジル基除去するため、Pd/C触媒を用いた水素化反応を、HPLCと ReactIR で研究した 例です。ある中間体を介して最終化合物を合成する反応で、芳香環が還元されると、不純物として過還 元化合物が生じる可能性がありました。この研究では、反応終点を見極め、目的とする収率と不純物濃 度が得られる手法を開発することに着目しております。 100 10 HPLC データ 目標化合物 8 微量の不純物も含めて反応の進行と濃度を測定 6 できました。 50 中間体 4 HPLCの測定結果を待つ間に、不純物量が超過 低濃度不純物 2 し、バッチ間のばらつきも発生しました. 0 0 0 40 80 120 160 200 時間 (min) 1.1 ReactIR データ 0.9 目標化合物 0.7 ReactIR で中間体をモニタリングすることにより、 0.5 中間体 不純物測定のためのHPLCによるサンプリングのタ イミングを計ることができました。 0.3 0.1 出発物質 ReactIR では微量の過還元化合物を検出すること -0.1 はできませんでし。 0 30 60 90 120 150 時間 (min) 反応を解析するには、しばしば複数の分析法が必要となりますが、これはその好例です。ReactIRとHPLC のそれぞれの長所、すなわち ReactIR はデータ量が豊富であり、精度良く反応終点の見極めができ る、HPLCは感度が高いため、微量の不純物を正確に測定できる、これらを融合し最高の結果を得たので す。 ReactIR による反応解析 ReactIR を中間体のリアルタイム測定に用い、オフラインのHPLC測定による不純物濃度と照合しまし た。その結果をもとにアルゴリズムを構築し、iC IRソフトウェアに導入、反応進行と終点の検出をリア ルタイムで自動的に行えるようになりました。ReactIR はスケールアップ後の収率と不純物濃度の目標 達成にも役立ちました。 ReactIR による反応解析の実例を動画でご覧になれます。 4 White Paper METTLER TOLEDO White Paper 吸光度 % a/a % a/a 過還元物
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4 HPLC測定より早く反応進行を把握 Chanda, A., Daly, A., Foley, D., LaPack, M., Mukherjee, S., Orr, J., Reid, G., Thompson, D., Ward, H., “Industry Perspectives on Process Analytical Technology: Tools and Applications in API Development”, Org. Process Res. Dev. (2015) 19, 63−83. 多段階反応のバッチプロセスでしばしば重要となるのが、中間体の合成後に分解が進行しないよう、ホー ルドせずに次の工程へ移すことです。この例では鏡像異性体の試薬から鏡像異性体を合成しています。最 終化合物の立体中心は不安定で、エピマー化する可能性がありました。著者らの目的は、注意深く反応を 制御することで鏡像異性体の不純物を抑制し、目的の化合物を得ることでした。 100 5 4 75 I不m純pu物rity 出St発ar物tin質g Material 3 50 増加した不純物 2 25 超過時間 1 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 経過T時im間e ((hhr)rs) 4 二回目のHPLC結果入手。 1 反応サンプル採取 反応が終わっていたと判明。 3 一回目のHPLC結果入手。 2 反応終了 反応が未完了であったため 二回目の反応サンプル採取 オフライン HPLC ReactIR データ 各鏡像異性体(不純物、目的物)の濃度 ReactIR は出発物質から目的物への変換 を測定できました。 をモニターしました。 HPLCの測定結果を待つためのホールド ReactIR によって反応が完結した正確な 時間中に、不純物が増加する可能性があ 時間が判明し、HPLCによる不純物測定 ります。反応終点が正確にわからず、不純 のサンプリングをタイミング良く行えまし 物の問題を解決できませんでした。 た。 ReactIR による反応解析 HPLC測定結果を待つためのホールド時間が4時間あり、鏡像異性体(目的成分)が不純物へ分解し続けて いました。ReactIR は出発物質から目標化合物への変換をモニターし、反応完了が実際には9時間後であ り、目標の収率および不純物量となる終点を明らかにしました。さらにホールド時間を省くことで、処理時 間を短縮できました。 ReactIR による反応解析の実例を動画でご覧になれます White Paper METTLER TOLEDO 5 Start出in発g 物M質at(e%ria)l (%) Impu不ri純ty物 (% (生 o成f P物ro中d%uc)t)
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5 ReactIRによる反応速度の決定 Rehbein, M., Husmann, S., Lechner, C., Kunick, C., Scholl, S., “Fast and calibration free determination of first order reaction kinetics in API synthesis using in‑situ ATR‑FTIR”, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 126 (2018) 95–100. 反応速度を求める従来の手法では、複数の等温反応を行い、サンプリングによるHPLC測定で濃度の時間 変化を調べます。手間と時間と大量の試薬を要する方法です。 この研究では ReactIR を用い、1回の測定(等温測定無し)で、アレニウスパラメータも含む一次反応速度 が迅速に求められることを検証しました。 HPLC データ 正確な反応速度情報を得ることができました。 4回の等温保持測定が必要でした(多くの手間と時間と試薬が必要) ReactIR データ 昇温条件下での反応から得られた反応速度データは、HPLCの結果と良く一致しました。 1回の実験(等温測定なし)から反応速度が得られたことで、手間と時間と試薬を省くことができま した。 1.4 160 0.0 1.2 °C 150 120 °C 1.0 140 -0.1 0.8 130 130 °C 0.6 120 0.4 110 -0.2 k(T) 120 0.2 130140 2 Area 100 147.5 °C 140 °C147.5 0.0 90 -0.3 0 60 120 180 240 0 200 400 600 800 1000 時間 (min) 時間 (sec) この研究では、ReactIRと共に自動合成機EasyMax™を使い、反応温度と時間を精密に制御しました。まず EasyMax で反応温度を110℃に設定し、正確な時間間隔で147.5℃まで段階的に昇温しました。ReactIR に より各温度における出発物質の変換率をモニターしました。このデータにより反応速度定数を算出するこ とができました。 ReactIR による反応解析 ReactIR から得られる情報は非常に多く、また各温度で有用ななデータが得られるので、たった1回の 実験から、各温度での反応速度定数を求めることができます。ReactIR を EasyMax に装着して反応( 等温保持無し)を行い、反応速度を求める手法は、オフラインのHPLCによ る従来の手法に比べ、手間 や時間や試薬を圧倒的に節約できます。 ReactIR による反応解析の実例を動画でご覧になれます 6 White Paper METTLER TOLEDO White Paper A1257(t) (A.U. cm -1) 温度 (°C) In(A1257(t) / A1257(t=)) [-]
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新 機種 ReactIR 702L ご紹介 反応解析をシンプルに ReactIR 702L は、リアルタイム in situ FTIR に、簡単操作を融合した初めてのシステムです。 分析のエキスパートにも、分析は不慣れな方にも、反応解析を身近なものにします。 www.mt.com/ReactIR 液体窒素不要だから あらゆる反応条件に対応 昼夜運転が可能 プローブやフローセルの豊 危険な液体窒素の準備と再 富なオプションで、反応性の 充填が無くなり、簡便かつ 高い試薬を用いた実験を含 長時間のモニタリングが可 め、幅広い条件の反応に適 能となりました。 用可能です。 小型・持ち運べる・フレ 立ち上げ時間不要 キシブル 検出器が常に動作してい 非常にコンパクトな本体 ますので、暖機運転は不要 はドラフト内の少フット で、すぐに測定を開始でき プリントに効果的で、実 ます。 験室のどこででもフレキ シブルにお使いいただ けます。 One Click Analytics™ トレンドの自動生成機能により、反応速度と 反応メカニズムに関する情報をすぐに取得で きます。先進的、且つ直感的に使えるソフトウ ェアは、不安定な中間体や重要な反応種を特 定し、リアルタイムでモニターします。 ReactIRは準備完了です。ではあなたは? 必要としていますか?: 重要な反応種(試薬・中間体・生成物・副生成物)の 従来の反応速度解析やRPKA法(Reaction Progress 濃度変化曲線をリアルタイムに採取 Kinetics Analysis)に使用するための実験データの サンプリングが出来ない不安定な中間体の検出と同 蓄積 定 連続フロー反応の中間点または終点での反応種のモ 反応メカニズムと反応経路の詳細な情報 ニタリング 反応開始・誘導時間・試薬の堆積・化学変換・終点 オフライン分析結果待ちでバッチを停止している間 など、反応段階の把握。反応の失速と暴走の検出 に中間体が分解する可能性の排除 収率と純度に対する反応条件の効果を迅速に見極 め、プロセス開発とスケールアップ作業を支援 サンプリングとオフライン分析が困難・不可能・不適 切な反応(低温・昇温・高圧・高粘度・毒物・高エネ ルギー反応・禁水系・不安定な中間体)の観測 一つでもチェックが入れば、ReactIR が問題を解決します。 新機種 ReactIR 702Lの詳細はこちらから White Paper METTLER TOLEDO 7
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Q&A: ReactIR 702L は何が新しいのでしょうか? お客様からよくいただくご質問&回答集です: RectIR は大きくてドラフト 10年前の ReactIR に比べて使 を占拠しますよね? いやすくなりましたか? いいえ。ReactIR 702L は設置面積がラップ トップより小さくなりました。本体重量5㎏ はい。ReactIR 702L の開発で最も重視した 以下で移動も楽です。ドラフトの上の小さな のは、既存の性能を残したまま簡便で使い スペースに置いて使っている方もいらっしゃ やすくすることでした。小型化に始まり、液体 います。 窒素の排除、ソフトウェアの自動的な反応曲 線生成まで、あらゆる面の最適化を行い、反 応解析用 ReactIR 702L は著しい進歩を遂 げました。特に初期の ReactIR をお使いの方 ならその違いに驚かれるでしょう。 測定には液体窒素が必要でしたよね? いいえ。ReactIR 702L は電子冷却MCTを採 用し、夜間測定中に液体窒素が切れるなどの 分光分析の専門家では デュワーに関する心配が無くなりました。光 ないのですが、ReactIR を使 学系を高速化し、光路を短縮することで、こ いこなせるでしょうか? の便利な検出器による高品質な測定を実現 しました。 はい。ReactIR 702L は、日々、実験対象が変 わるようなお客様でも、いつも傍らに置いて 分光分析をしていただける装置となっており ます。それを実現したのがユーザーの皆様が いろいろな反応実験を行うのです 必要と判断した7つの解析ステップを完全自 が、ReactIRは対応できるでしょうか? 動化した新ソフトウェア One Click Analytic- sTM です。赤外分光の専門知識が無くとも、 有用な反応曲線とスペクトル情報を得ること ができます。 はい。ReactIR には30年の歴史があり、ほぼ 全てと言えるほどの反応実験において実績が あります。ありとあらゆる反応条件での様々 な反応物質の、有用な中赤外スペクトルを採 バッチ反応とフロー反応の両方を 取すべく、多くのプローブを開発してまいりま 行っているのですが ReactIR で対応 した。この経験こそが ReactIR の他に真似で できますか? きない技術の中核であり、お客様の反応も大 丈夫、と自信を持って言える理由です。 はい。両者に対応しています。バッチ反応 用には幅広い条件に合わせたプローブを取 り揃えております。フロー反応では、企業の 先進的研究者と協力しインラインフローセル 頻繁に新しい反応に挑戦しています。ReactIR を開発しました。取り付けは簡単で、バッチ は難しい反応にも使えますか? 反応用にもフロー反応用にも、瞬時に切り替えることができます。 ReactIRをEasyMaxと同 はい。ReactIR は高難易度の反応に対応でき 期できますか? ます。ReactIR を利用した莫大な数の論文が あります。例えば、低温反応(リチオ化反応な ど)、昇温反応/高圧反応(水素化や金属触 媒反応など)、固体粒子存在下での反応(グ はい。ReactIR は EasyMax と簡単に統合で リニャール反応など)、高粘度での反応(重 き、反応条件の精密な制御とin situ 分析を 合反応など)、反応性の高い試薬を用いた反 備えたパワフルなワークステーションを構築 応(フッ素化反応など)があげられます。 できます。両装置に統合のためのインターフ ェイスがあり、iCソフトウェアの自動化された 操作で同時制御できます。 8 White Paper METTLER TOLEDO White Paper
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References 1. Beutner, G., Young, I., Davies, M., Hickey, M., Park, H., Stevens, J., Ye, Q., “TCFH−NMI: Direct Access to N‑Acyl Imidazoliums for Challenging Amide Bond Formations”, Org. Lett. (2018) 20, 4218−4222. 2. Sheikh,N., Leonori,D., Barker,G., Firth,J., Campos,K., Meijer, A., O’Brien,P., Coldham,I., “An Experimental and in Situ IR Spectroscopic Study of the Lithiation−Substitution of N‑Boc‑2‑phenylpyrrolidine and ‑piperidine: Controlling the Formation of Quaternary Stereocenters” J. Am. Chem. Soc.( 2012) 134, 5300−5308. 3. Hamilton, P., Sanganee, M., Graham, J., Hartwig, T., Ironmonger, A., Priestley, C., Senior, L., Thompson, D., Webb, M., “Using PAT To Understand, Control, and Rapidly Scale Up the Production of a Hydrogenation Re‑ action and Isolation of Pharmaceutical Intermediate”, Org. Process Res. Dev. (2015) 19, 236−243. 4. Chanda, A., Daly, A., Foley, D., LaPack, M., Mukherjee, S., Orr, J., Reid, G., Thompson, D., Ward, H., “In‑ dustry Perspectives on Process Analytical Technology: Tools and Applications in API Development”, Org. Process Res. Dev. (2015) 19, 63−83. 5. Rehbein, M., Husmann, S., Lechner, C., Kunick, C., Scholl, S., “Fast and calibration free determination of first order reaction kinetics in API synthesis using in‑situ ATR‑FTIR”, European Journal of Pharmaceutics and Bio‑ pharmaceutics 126 (2018) 95–100. www.mt.com/ReactIR For more information METTLER TOLEDO Group Automated Reactors and In Situ Analysis Local contact: www.mt.com/contacts Subject to technical changes © 09/2018 METTLER TOLEDO. All rights reserved White Paper