Органокаталитични реакции, насърчавани от соникацията

В органичната химия органокатализата е форма на катализа, при която скоростта на химическа реакция се увеличава от органичен катализатор. Този “органокатализатор” се състои от въглерод, водород, сяра и други неметални елементи, открити в органичните съединения. Прилагането на ултразвук с висока мощност върху химични системи е известно като сонохимия и добре установена техника за увеличаване на добивите, подобряване на скоростта на реакцията и ускоряване на скоростта на реакцията. При ултразвука често става възможно да се сменят химическите пътища, като се избягват нежелани странични продукти. Сонохимията може да насърчи органокаталитичните реакции, което ги прави по-ефективни и екологични.

Асиметрична органокатализа – Подобрено чрез Уникиране

Сонохимията, прилагането на високоефективен ултразвук в химични системи, може значително да подобри органокаталитичните реакции. Асиметричната органокатализа, съчетана с ултразвук, често позволява да се трансформира органокатализата в по-екологичен път, като по този начин попада в терминологията на зелената химия. Соникацията ускорява (асиметричната) органокатлитична реакция и води до по-високи добиви, по-бързи скорости на преобразуване, по-лесно изолиране/пречистване на продукта и подобрена селективност и реактивност. Освен че допринася за подобряване на кинетиката и добива на реакцията, ултразвукът често може да се комбинира с устойчиви реакционни разтворители, като йонни течности, дълбоки евтектични разтворители, меки, нетоксични разтворители и вода. По този начин сонохимията не само подобрява самата (асиметрична) органокатлитична реакция, но също така подпомага устойчивостта на органокаталитичните реакции.

Изследванията показват многобройни примери за сонохимично засилени орагнокаталитични реакции. Например, двуверижни ДНК молекули като хирално скеле се използват за сглобяване на хибридни катализатори метал-биомакромолекула за асиметрични реакции на синтез. G-quadruplex ДНК-базирани катализатори са приложени в асиметрични реакции на добавяне на Майкъл, Дийлс-Алдер и Фридел-Крафтс. (срв. Zhao и Shen, 2018)
За реакцията, насърчавана от инидий, ултразвукът показва благоприятни ефекти, тъй като сонохично задвижваната реакция протича при по-меки условия, като по този начин се запазват високи нива на диастероскопия. С помощта на сонохимичния път са постигнати добри резултати по органокаталитичния синтез на β-лактамни въглехидрати, β-аминокиселини и спиродикетопиперазини от захарни лактони, както и реакции на алилиране и реформация върху оксимни етери.

Ултразвуково насърчаван органокаталитичен синтез на лекарства

Rogozińska-Szymczak и Mlynarski (2014) съобщават за асиметрично добавяне на 4-хидроксикумарин на Майкъл към α,β-ненаситени кетони върху вода без органични съразтворители – катализирани от органични първични амини и ултразвук. Прилагането на енантиомерно чист (S,S)-дифенилетилендиамин осигурява серия от важни фармацевтично активни съединения с добри до отлични добиви (73–98%) и с добра енантиоселективност (до 76% ee) чрез реакции, ускорени чрез ултразвук. Изследователите представят ефективен сонохимичен протокол за образуването на "твърди вещества върху вода" на антикоагуланта варфарин и в двете енантиомерни форми. Тази екологично чиста органокаталитична реакция е не само мащабируема, но също така дава молекулата на целевото лекарство в енантиомерно чиста форма.

Сонохимична епоксидация на терпени

Charbonneau et al. (2018) демонстрира успешната епоксидация на терпени при ултразвук. Конвенционалната епоксидация изисква използването на катализатор, но при ултразвука епоксидацията протича като реакция без катализатор.
Лимонен-диоксидът е ключова междинна молекула за разработването на поликарбонати на биологична основа или неизоцианатни полиуретани. Сонирането позволява епоксидация на терпените без катализатор в рамките на много кратко време за реакция – в същото време дава много добри добиви. За да демонстрира ефективността на ултразвуковата епоксидация, изследователският екип сравнява епоксидацията на лимонен с лимонен диоксид, използвайки генериран на място диметилдиоксиран като окислител както при конвенционално разбъркване, така и при ултразвуково разбъркване. За всички изпитания на ултразвука Лабораторен ултразвуков уред Hielscher UP50H (50W, 30kHz) беше използван.

Времето, необходимо за пълно превръщане на лимонен в лимонен диоксид със 100% добив при ултразвук, е само 4,5 минути при стайна температура. За сравнение, когато се използва конвенционално разбъркване с помощта на магнитна бъркалка, необходимото време за достигане на 97% добив на лимонен диоксид е 1,5 часа. Епоксидацията на α-пинен също е изследвана с помощта на двете техники на разбъркване. Епоксидацията на α-пинен до α-пинен оксид при ултразвук изисква само 4 минути с получен добив от 100%, докато в сравнение с конвенционалния метод времето за реакция е 60 минути. Що се отнася до другите терпени, β-пиненът се превръща в β-пинен оксид само за 4 минути, докато фарнезолът дава 100% от триепоксида за 8 минути. Карвеолът, производно на лимонен, е превърнат в карвеол диоксид с добив от 98%. При реакцията на епоксидация на карвон с помощта на диметилдиоксиран превръщането е 100% за 5 минути, като се получава 7,8-карвонов оксид.
Основните предимства на сонохимичната терпенова епоксидация са екологичният характер на окислителя (зелена химия), както и значително намаленото време на реакция, извършващо това окисление при ултразвуково разбъркване. Този метод на епоксидация позволява да се постигне 100% превръщане на лимонен със 100% добив на лимонен диоксид само за 4,5 минути в сравнение с 90 минути, когато се използва традиционно разбъркване. Освен това в реакционната среда не са открити продукти на окисление на лимонен, като карвон, карвеол и перилилов алкохол. Епоксидацията на α-пинен под ултразвук изисква само 4 минути, като се получава 100% α-пинен оксид без окисляване на пръстена. Други терпени като β-пинен, фарнезол и карвеол също са окислени, което води до много високи добиви на епоксид.

Сонохимични ефекти

Като алтернатива на класическите методи, базирани на сонохимикали протоколи са използвани за увеличаване на скоростта на голямо разнообразие от реакции, което води до продукти, генерирани при по-меки условия със значително намаляване на времето за реакция. Тези методи са описани като по-екологични и устойчиви и са свързани с по-голяма селективност и по-ниска консумация на енергия за желаните трансформации. Механизмът на такива методи се основава на явлението акустична кавитация, която предизвиква уникални условия на налягане и температура чрез образуване, растеж и адиабатен колапс на мехурчета в течната среда. Този ефект подобрява преноса на маса и увеличава турбулентния поток в течността, улеснявайки химичните трансформации. В нашите проучвания използването на ултразвук е довело до производството на съединения с намалено време за реакция с високи добиви и чистота. Такива характеристики са увеличили броя на съединенията, оценени във фармакологичните модели, допринасяйки за ускоряване на процеса на оптимизация на удара към олово.
Този високоенергиен вход не само може да засили механичните ефекти в хетерогенни процеси, но също така е известно, че индуцира нови реактивности, водещи до образуването на неочаквани химически видове. Това, което прави сонохимията уникална, е забележителният феномен на кавитацията, който генерира в локално затворено пространство на микромехурчестата среда изключителни ефекти поради редуващи се цикли на високо / ниско налягане, много високи температурни диференциали, силите на срязване и потока на течности.

Предимствата на сонохимично насърчаваните органокаталитични реакции

Сонификацията все по-често се използва в органичния синтез и катализа, тъй като сонохимичните ефекти показват значително интензифициране на химичните реакции. Особено в сравнение с традиционните методи (напр. нагряване, разбъркване), сонохимията е по-ефективна, удобна и прецизно контролируема. Соникацията и сонохимията предлагат няколко основни предимства като по-високи добиви, повишена чистота на съединенията и селективност, по-кратко време за реакция, по-ниски разходи, както и простота при работа и работа с сонохимичната процедура. Тези полезни фактори правят ултразвуковите химични реакции не само по-ефективни и спестяващи, но и по-щадящи околната среда.
Доказано е, че многобройни органични реакции дават по-високи добиви при по-кратко време на реакция и / или при по-меки условия, когато се извършват с помощта на ултразвук.

Ултразвукът позволява прости реакции в едно гърне

Соникацията позволява да се инициират многокомпонентни реакции като еднокомпонентни реакции, които осигуряват синтеза на структурно разнообразни съединения. Такива реакции в едно гърне се ценят за висока обща ефективност и тяхната простота, тъй като не се изисква изолиране и пречистване на междинни продукти.

Ефектите на ултразвуковите вълни върху асиметричните органокаталитични реакции са успешно приложени в различни видове реакции, включително фазови трансферни катализи, реакции на Хек, хидрогениране, реакции на Манних, реакции на Барбие и подобни на Барбие, реакции на Дийлс-Алдер, реакция на свързване на Сузуки и добавяне на Майкъл.

Намерете идеалния ултразвуков уред за вашата органокаталитична реакция!

Hielscher Ultrasonics е вашият доверен партньор, когато става въпрос за високопроизводително, висококачествено ултразвуково оборудване. Hielscher проектира, произвежда и разпространява най-съвременни ултразвукови сонди, реактори и тръби за сонохимични приложения. Цялото оборудване е произведено по ISO сертифицирани процедури и с немска прецизност за превъзходно качество в централата ни в Телтов (близо до Берлин), Германия.
Портфолиото от ултразвукови уреди на Hielscher варира от компактни лабораторни ултразвукови реактори до напълно промишлени ултразвукови реактори за широкомащабно химическо производство. Сондите (известни също като сонотроди, ултразвукови клаксони или накрайници), бустерни клаксони и реактори са лесно достъпни в множество размери и геометрии. Персонализирани версии също могат да бъдат произведени за вашите изисквания.
От Hielscher Ultrasonics’ Ултразвуковите процесори се предлагат във всякакъв размер от малки лабораторни устройства до големи индустриални процесори за приложения за химия на партиди и потока, високопроизводителната ултразвук може лесно да се внедри във всяка реакционна настройка. Прецизно регулиране на ултразвуковата амплитуда – Най-важният параметър за сонохимични приложения – позволява да се работят ултразвукови апарати на Hielscher при ниски до много високи амплитуди и да се прецизира амплитудата точно към необходимите ултразвукови условия на специфичната система за химическа реакция.
Ултразвуковият генератор на Hielscher разполага с интелигентен софтуер с автоматично протоколиране на данни. Всички важни параметри на обработката като ултразвукова енергия, температура, налягане и време се съхраняват автоматично на вградената SD-карта веднага след включване на устройството.
Мониторингът на процеса и записването на данни са важни за непрекъснатата стандартизация на процеса и качеството на продукта. Чрез достъп до автоматично записаните данни за процеса можете да преразгледате предишни пускания на ултразвук и да оцените резултата.
Друга удобна за потребителя функция е дистанционното управление на браузъра на нашите цифрови ултразвукови системи. Чрез дистанционно управление на браузъра можете да стартирате, спирате, настройвате и наблюдавате вашия ултразвуков процесор дистанционно отвсякъде.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за нашите високоефективни ултразвукови хомогенизатори, които могат да подобрят вашата реакция на орагнокаталитичен синтез!

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: