利用紅外顯微光譜技術直接監測組合化學反應

2025/04/21

介紹

何謂組合化學？組合化學正迅速成為藥物合成和生物技術領域中的一種非常受歡迎的技術。基本上，組合化學方法讓人們以非常快速和高效的方式獲得成千上萬的化合物衍生物。該方法開始於將一個感興趣的分子附著到樹脂珠上。一旦分子附著後，就可以在這些珠子上進行多種反應。這些珠子可以被分成幾個子集，並在每個子集上進行不同的反應。由於珠子是屬於固相，在反應完成後，從液層中可以非常容易地將珠子分離出來。
第一組反應完成後，子集可以混合在一起，重新分成第二組子集。現在，每個子集包含了附著在珠子上的分子經過多種不同反應後的產物。透過在這些子集上進行不同的反應，可以獲得更多的反應產物。如果重複這個過程，就會明顯看出，如何能夠在短時間內合成出單一分子的成千上萬種不同衍生物的過程。
如何檢測和表徵反應產物？目前，有多種方法正在研究用於分析最終反應產物。一些團隊在反應後將分子從珠子上切下，然後用傳統方法檢測。本應用文章介紹可以利用紅外顯微光譜技術，直接在單個珠子上檢測和表徵分子的反應產物，而不需要將分子從珠子上切下來。這種直接取樣量測的能力，將讓我們方便觀察組合化學的整個過程。
在本應用文章中，我們展示了三種不同珠子樣本的結果：一個未反應的珠子，可見圖1和兩個已反應的珠子。我們將展示可以獲得高品質的單個珠子的紅外光譜，且反應產物可以輕鬆地被紅外顯微光譜技術檢測與表徵。

圖1. 單個未反應組合珠子的圖像捕捉

實驗

未反應的珠子是以聚苯乙烯為基礎的，並在聚苯乙烯基礎上添加了聚乙二醇基團。附著在聚乙二醇基團上的是一個活性胺基團。這個胺基團是添加核心分子的反應位點。反應詳情如下。
將4.86毫克的珠子與1毫升的二氯甲烷（CH₂Cl₂）混合，加入50微升的吡啶（分子量79.10）和50微升的乙酸酐（分子量102.19）。該混合物在25°C室溫下攪拌24小時。將混合物過濾，使用Whatman定性濾紙，用二氯甲烷清洗五次。將珠子和濾紙置於真空下以去除揮發物。將2.0毫升的吡啶（分子量79.10）和100微升的三氯乙基氯甲酸酯（分子量211.86）加入4.00毫克的珠子中。該混合物在25°C室溫下攪拌24小時。過濾混合物，並用二氯甲烷清洗五次。將珠子和濾紙置於真空下以去除揮發物。
從三組珠子中分別取出單個珠子，並放置在玻璃載片上。這些玻璃載片上附有直徑40微米、間隔500微米的粘性點。將單個珠子放置在粘性點上，使其固定在玻片上。
所有樣本均使用Nicolet RaptIR顯微鏡進行分析，該顯微鏡配有帶有Ge全反射元件的ATR物鏡。所有光譜均以8 cm⁻¹的光譜解析度獲取，使用Happ-Genzel消波處理，每個光譜進行128次掃描。背景光譜使用空氣作為背景，樣品尺寸為直徑42微米的圓形。

結果與討論

Scheme 1
反應產物可以從紅外光譜中進行表徵，從圖2中的中間光譜觀察。珠子基質的光譜帶，位於圖2中的最上層光譜中可以看到，但在反應產物的光譜中出現了新的特徵。在1668 cm⁻¹處出現的帶表示醯胺I伸展。在1536 cm⁻¹處的帶代表醯胺II振動。此外，1463 cm⁻¹和1357 cm⁻¹處帶的增長表明CH₃的存在正在增加。

Scheme 2
反應產物的光譜是圖2中顯示的最下層光譜。同樣地，可以看到來自珠子基質的光譜帶，但也有新的吸收帶出現。在1738 cm⁻¹處明顯的羰基伸展表明是碳酸酯產物。此外，在1536 cm⁻¹處出現的帶是由於CNH基團。

圖2. 紅外ATR光譜如下：
最上層-未反應珠子
中間-Scheme 1 反應後的珠子
最下層-Scheme 2 反應後的珠子

結論

利用紅外顯微光譜技術來檢測和表徵樹脂珠子基質上的反應產物。選擇ATR顯微光譜技術是因為，它只需要一個珠子就可以進行分析，且對樣品無損傷。將珠子簡單地放在玻片上，珠子與ATR晶體接觸，然後獲取光譜。顯然，紅外顯微光譜學能讓組合化學的研究者在合成的每一步監控他們的反應。由於不需要樣品前置準備，整個過程提高了這種新型有機合成技術的總體效率。

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Nicolet RaptIR

紅外顯微光譜儀

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