Органокаталитични реакции, стимулирани чрез ултразвукова обработка

В органичната химия органокатализата е форма на катализа, при която скоростта на химична реакция се увеличава чрез органичен катализатор. Този „органокатализатор“ се състои от въглерод, водород, сяра и други неметални елементи, срещащи се в органичните съединения. Прилагането на ултразвук с висока мощност към химични системи е известно като сонохимия и представлява утвърдена техника за повишаване на добивите, подобряване на скоростите на реакциите и ускоряване на реакциите. При ултразвукова обработка често става възможно да се променят реакционните пътища, като се избягват нежелани странични продукти. Сонохимията може да стимулира органокаталитичните реакции, като ги прави по-ефективни и по-щадящи околната среда.

Асиметрична органокатализа – подобрена чрез ултразвукова обработка

Сонохимията, прилагането на високоефективен ултразвук към химични системи, може значително да подобри органокаталитичните реакции. Асиметричната органокатализа, комбинирана с ултразвукова обработка, често позволява органокатализата да се превърне в по-щадящ околната среда синтетичен път и по този начин да попадне в обхвата на зелената химия. Ултразвуковата обработка ускорява (асиметричната) органокаталитична реакция и води до по-високи добиви, по-високи скорости на превръщане, по-лесно изолиране/пречистване на продукта и подобрена селективност и реактивност. Освен че допринася за подобряване на реакционната кинетика и добива, ултразвуковата обработка 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) органокаталитична реакция, но и подпомага устойчивостта на органокаталитичните реакции.

Изследванията показват множество примери за сонохимично интензифицирани органокаталитични реакции. Например двуверижни молекули на ДНК се използват като хирална структурна основа за изграждане на хибридни катализатори метал–биомакромолекула за реакции на асиметричен синтез. Катализатори на основата на G-квадруплексна ДНК са прилагани при асиметрично присъединяване по Michael, реакции на Diels-Alder и Friedel-Crafts. (вж. Zhao и Shen, 2018)
При реакция, стимулирана от inidium, ултразвуковата обработка показва благоприятни ефекти, тъй като сонохимично задвижваната реакция протича при по-меки условия, като по този начин запазва високи нива на диастереоселективност. При използване на сонохимичния път са постигнати добри резултати при органокаталитичния синтез на β-лактамни въглехидрати, β-аминокиселина и спиродикетопиперазини от захарни лактони, както и при алилиране и реакции на Reformatsky с оксимови етери.

Органокаталитичен синтез на лекарства, стимулиран чрез ултразвук

Rogozińska-Szymczak и Mlynarski (2014) съобщават за асиметрично присъединяване по Michael на 4-hydroxycoumarin към α,β-ненаситени кетони върху вода без органични съразтворители – катализирано от органични първични амини и ултразвукова обработка. Прилагането на енантиомерно чист (S,S)-дифенилетилендиамин дава серия от важни фармацевтично активни съединения с добри до отлични добиви (73–98%) и с добра енантиоселективност (до 76% ee) чрез реакции, ускорени с ултразвук. Изследователите представят ефективен сонохимичен протокол за образуване на антикоагуланта варфарин в двете енантиомерни форми чрез „твърди вещества върху вода“. Тази щадяща околната среда органокаталитична реакция не само подлежи на мащабиране, но и дава целевата лекарствена молекула в енантиомерно чиста форма.

Сонохимично епоксидиране на терпени

Charbonneau и съавт. (2018) демонстрират успешно епоксидиране на терпени при ултразвукова обработка. Конвенционалното епоксидиране изисква използването на катализатор, но при ултразвукова обработка епоксидирането протича като реакция без катализатор.
Лимоненовият диоксид е ключова междинна молекула за разработването на поликарбонати на биологична основа или неизоцианатни полиуретани. Ултразвуковата обработка позволява епоксидиране на терпени без катализатор за много кратко реакционно време – като същевременно дава много добри добиви. За да демонстрира ефективността на ултразвуковото епоксидиране, изследователският екип сравнява епоксидирането на лимонен до лимоненов диоксид с използване на генериран in situ диметилдиоксиран като окислител както при конвенционално разбъркване, така и при ултразвукова обработка. При всички изпитвания с ултразвукова обработка лабораторният ултразвуков апарат Hielscher UP50H (50W, 30kHz) беше използван.

Времето, необходимо за пълното превръщане на лимонен в лимоненов диоксид със 100% добив при ултразвукова обработка, е само 4,5 min при стайна температура. За сравнение, при конвенционално разбъркване с магнитна бъркалка времето, необходимо за достигане на 97% добив на лимоненов диоксид, е 1,5 h. Епоксидирането на α-пинен също е изследвано с двете техники на разбъркване. Епоксидирането на α-пинен до α-пиненов оксид при ултразвукова обработка изисква само 4 min с получен добив от 100%, докато при конвенционалния метод реакционното време е 60 min. Що се отнася до други терпени, β-пиненът е превърнат в β-пиненов оксид само за 4 min, докато фарнезолът дава 100% добив на триепоксида за 8 min. Карвеолът, производно на лимонена, е превърнат в карвеолов диоксид с добив от 98%. При реакцията на епоксидиране на карвон с диметилдиоксиран превръщането е 100% за 5 min, като се получава 7,8-carvone oxide.
Основните предимства на сонохимичното епоксидиране на терпени са щадящият околната среда характер на окислителя (зелена химия), както и значително намаленото реакционно време при извършване на това окисление с ултразвуково разбъркване. Този метод на епоксидиране позволява да се достигне 100% превръщане на лимонена със 100% добив на лимоненов диоксид само за 4,5 min в сравнение с 90 min при традиционно разбъркване. Освен това в реакционната среда не са открити продукти от окислението на лимонен, като карвон, карвеол и алкохол perrilyl. Епоксидирането на α-пинен с ултразвук изисква само 4 min, като дава 100% добив на α-пиненов оксид без окисление на пръстена. Други терпени, като β-пинен, фарнезол и карвеол, също са окислени, което води до много високи добиви на епоксиди.

Сонохимични ефекти

Като алтернатива на класическите методи са използвани протоколи на основата на сонохимията за увеличаване на скоростите на голямо разнообразие от реакции, което води до получаване на продукти при по-меки условия със значително съкращаване на реакционното време. Тези методи са описвани като по-щадящи околната среда и по-устойчиви и се свързват с по-висока селективност и по-ниско потребление на енергия за желаните превръщания. Механизмът на такива методи се основава на явлението акустична кавитация, което създава уникални условия на налягане и температура чрез образуването, нарастването и адиабатния колапс на мехурчета в течната среда. Този ефект подобрява масопреноса и усилва турбулентното течение в течността, като улеснява химичните превръщания. В нашите изследвания използването на ултразвук доведе до получаване на съединения за по-кратко реакционно време с високи добиви и чистота. Тези характеристики увеличиха броя на съединенията, оценявани във фармакологични модели, като допринесоха за ускоряване на процеса на оптимизация от първоначално активно съединение до водещо съединение.
Това подаване на голямо количество енергия може не само да усили механичните ефекти при хетерогенни процеси, но е известно и с това, че предизвиква нова реактивност, водеща до образуване на неочаквани химични видове. Това, което прави сонохимията уникална, е забележителното явление кавитация, което създава в локално ограниченото пространство около микромехурчетата необичайни ефекти вследствие на редуващи се цикли на високо / ниско налягане, много големи температурни разлики, големи сили на срязване и движение на течността.

Предимствата на сонохимично стимулираните органокаталитични реакции

Ултразвуковата обработка се използва все по-често в органичния синтез и катализата, тъй като сонохимичните ефекти показват значително интензифициране на химичните реакции. Особено в сравнение с традиционните методи (напр. нагряване, разбъркване), сонохимията е по-ефективна, по-удобна и подлежи на прецизен контрол. Ултразвуковата обработка и сонохимията предлагат няколко основни предимства, като по-високи добиви, повишена чистота на съединенията и селективност, по-кратки реакционни времена, по-ниски разходи, както и лесно изпълнение и управление на сонохимичната процедура. Тези благоприятни фактори правят химичните реакции, подпомагани с ултразвук, не само по-ефикасни и по-безопасни, но и по-щадящи околната среда.
Доказано е, че множество органични реакции дават по-високи добиви за по-кратко реакционно време и / или при по-меки условия, когато се извършват с ултразвукова обработка.

Ултразвуковата обработка позволява прости реакции в един съд

Ултразвуковата обработка позволява инициирането на многокомпонентни реакции като реакции в един съд, които осигуряват синтеза на структурно разнообразни съединения. Такива реакции в един съд се ценят заради високата им обща ефективност и простота, тъй като не се изискват изолиране и пречистване на междинните продукти.

Ефектите на ултразвуковите вълни върху асиметричните органокаталитични реакции са успешно прилагани при различни типове реакции, включително междуфазова катализа, реакции на Heck, хидрогениране, реакции на Mannich, реакции на Barbier и подобни на Barbier реакции, реакции на Diels-Alder, реакция на свързване по Suzuki и присъединяване по Michael.

Намерете идеалния ултразвуков апарат за вашата органокаталитична реакция!

Hielscher Ultrasonics е вашият надежден партньор за високоефективно, висококачествено ултразвуково оборудване. Hielscher проектира, произвежда и доставя най-съвременни ултразвукови сонди, реактори и чашковидни сонотроди за сонохимични приложения. Цялото оборудване се произвежда по процедури, сертифицирани по ISO, и с германска прецизност за превъзходно качество в нашата централа в Teltow (близо до Берлин), Германия.
Гамата от ултразвукови апарати на Hielscher обхваща от компактни лабораторни ултразвукови апарати до изцяло промишлени ултразвукови реактори за мащабно химическо производство. Сондите (известни също като сонотроди, ултразвукови рогове или накрайници), усилващите рогове и реакторите са налични в множество размери и геометрии. Могат да бъдат произведени и персонализирани варианти според вашите изисквания.
Тъй като ултразвуковите процесори на Hielscher Ultrasonics се предлагат във всякакви размери – от малки лабораторни устройства до големи промишлени процесори за периодични и проточни химични процеси – високоефективната ултразвукова обработка може лесно да се внедри във всяка реакционна конфигурация. Прецизното регулиране на ултразвуковата амплитуда – най-важния параметър за сонохимичните приложения – позволява ултразвуковите апарати на Hielscher да работят при ниски до много високи амплитуди и амплитудата да се настройва точно според необходимите условия на ултразвуковия процес за конкретната химична реакционна система.
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 записват автоматично на вградена SD карта веднага след включване на устройството.
Наблюдението 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 преглеждате предишни цикли на ултразвукова обработка и да оценявате резултата.
Друга удобна за потребителя функция е дистанционното управление на нашите цифрови ултразвукови системи чрез браузър. Чрез дистанционно управление през браузър можете да стартирате, спирате, настройвате и наблюдавате своя ултразвуков процесор от всяко място.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за това как нашите високоефективни ултразвукови хомогенизатори могат да подобрят вашата реакция на органокаталитичен синтез!

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