Ултразвуковата обработка отваря нови пътища в супрамолекулярната химия

Супрамолекулярната химия се основава на слаби, обратими взаимодействия: водородни връзки, π–π-наслагване, сили на Ван дер Ваалс, солвофобни ефекти и хирално разпознаване. Тези взаимодействия позволяват на молекулите да се самоорганизират в по-големи структури, като влакна, пръчки, гелове, агрегати и супрамолекулярни полимери. За химиците и инженерите-химици предизвикателството е не само да образуват такива структури, но и да контролират коя структура се образува, колко бързо се образува и дали тя остава кинетично „заключена“ или достига термодинамично най-стабилното състояние.

Ултразвукови ефекти в химията: ултразвуковото въздействие контролира супрамолекулярното самосглобяване

Научно проучване на Wehner и др. (2020), публикувано в списанието „Nature Communications“, показва, че ултразвуковото въздействие може да се използва като мощен външен стимул за контролиране на процесите на самосглобяване в супрамолекулярната химия. Изследователите проучиха рацемична смес от хирални молекули на перилен бисимид и показаха, че ултразвуковата обработка може да насочи образуването на различни супрамолекулни полиморфи. В зависимост от ултразвуковите условия системата образуваше различни самосглобени структури, включително кинетично контролирани конгломерати и термодинамично стабилен рацемичен супрамолекулен полимер. В проучването изрично е използван ултразвуков процесор Hielscher UP50H за ултразвукова обработка, работещ при 30 kHz, 50 W и 100% амплитуда.
Този резултат е от голямо значение за съвременната химия на материалите, тъй като показва, че ултразвукът не е просто средство за смесване или диспергиране. При точно определени условия ултразвуковата обработка може да служи като технологичен параметър за контрол на молекулярните процеси.

Защо ултразвуковите ефекти са важни в химията

Ултразвуковите ефекти в химията се дължат главно на акустичната кавитация. Когато в течност се въведе ултразвук с висока интензивност, циклите на променящо се налягане генерират микроскопични кавитационни мехурчета. Тяхното нарастване и разрушаване създават локализирани условия с висока енергия, интензивни микротечения, силни срязващи градиенти и ефективен масов пренос. В химическите и материални процеси тези ефекти могат да повлияят на нуклеацията, агрегацията, образуването на частици, дисперсията, кристализацията и самосглобяването.
В супрамолекулярната химия това е особено ценно, тъй като много системи зависят от конкретния процес. Една и съща молекула може да се сглоби в различни полиморфи в зависимост от реда и интензивността на подаваната енергия, температурата, концентрацията, състава на разтворителя и времето. Ултразвуковата обработка предоставя контролируем начин за въвеждане на механична енергия в системата, без да се променя молекулната структура на градивния елемент.
За инженерите-химици това е решаващо предимство: ултразвукът може да се настройва по параметри. Амплитудата, мощността, геометрията на сонотрода и реактора, температурата, времето на престой, налягането и дебитът могат да се регулират, да се наблюдават и да се пренасят от тестовете за осъществимост към по-големи производствени обеми.

Ултразвуковото обработване като средство за контрол на самосглобяването

В проучването бе изследвано самосглобяването на рацемична смес от две енантиомерни молекули на перилен бисимид. При липса на подходящ външен стимул такива системи могат да следват предпочитан път на агрегация или да останат в метастабилни състояния. Чрез прилагането на контролирано ултразвуково въздействие изследователите успяха да постигнат различни супрамолекулярни резултати.
Ключовото заключение е ясно, но убедително: ултразвуковата обработка промени механизма на самосглобяване. При определени температури и концентрации мощният ултразвук е спомогнал за превръщането от едно агрегатно състояние в друго. При условия на кинетична ултразвукова обработка системата е образувала супрамолекулен конгломерат. При условия на термодинамична ултразвукова обработка тя е образувала рацемичен супрамолекулен полимер с различна морфология и по-висока стабилност.
Научното значение се състои в способността да се повлияе върху това дали ще преобладава хомохиралната или хетерохиралната агрегация. Промишленото значение се крие в по-широката концепция: ултразвуковата обработка може да спомогне за насочването на молекулярната организация, а не само за ускоряване на процеса.

Това се отнася за:

• супрамолекулярни полимери и функционални органични материали
• изследвания в областта на хиралната агрегация и разделянето на рацемати
• кристализация и скрининг на полиморфи
• образуване на нановлакна, нанопръчки и агрегати от багрила
• разработване на формулировки и съвременна обработка на материали
• мащабиране на химични процеси, подпомагани от ултразвук

Ролята на ултразвуковите апарати на Hielscher в супрамолекулярната химия

За експерименталната работа ултразвуковата обработка беше извършена с Hielscher UP50H – компактен лабораторен ултразвуков процесор. UP50H е ултразвуков процесор от сондален тип с мощност 50 W и честота 30 kHz, предназначен за малки лабораторни проби, и се използва в химически, биологични, медицински и аналитични лаборатории. Hielscher описва UP50H като подходящ за работа в ръчен режим или на стойка, както и за задачи като диспергиране, разтваряне, емулгиране и хомогенизиране на малки обеми проби.
В настоящото проучване апаратът UP50H осигури ултразвуковата енергия, необходима за задействане и насочване на трансформацията на супрамолекулярните агрегати. Това илюстрира важен практически аспект за химиците: лабораторната ултразвукова обработка в малки обеми може да разкрие технологични възможности, които иначе биха били трудни за идентифициране само чрез разбъркване, нагряване или пасивно стареене.
В областта на супрамолекулярната химия соникаторите от типа „сонда“, като например UP50H, могат следователно да се използват не само за подготовка на проби, но и като активна експериментална променлива. Чрез промяна на температурата и продължителността на соникацията изследователите могат да изследват кинетични и термодинамични режими, да проучват пътища на агрегация и да идентифицират метастабилни или стабилни полиморфи.
 

Спектроскопски изследвания на рацемичната смес от (R,R)- и (S,S)-PBI. а Химични структури на (R,R)- и (S,S)-PBI и схематично изображение на индуцираната от ултразвук супрамолекулярна полимеризация на рацемичната смес от (R,R)- и (S,S)-PBI в конгломерати Con-Agg 1 и Con-Agg 2 и рацемичен супрамолекулен полимер Rac-Agg 4.
Изследване и схема: ©Wehner и др., 2020

От лабораторното откритие до мащабируемата ултразвукова обработка

Едно от основните предимства на ултразвуковите апарати на Hielscher е наличието на ултразвуково оборудване за цялата верига на разработката: от компактни лабораторни устройства до настолни системи и промишлени ултразвукови процесори. Hielscher предлага ултразвукови апарати и сонди за обработка на течности от лабораторен до производствен мащаб, с приложения, включващи химическа обработка, намаляване на размера на частиците, екстракция, диспергиране и хомогенизация.
Това е от значение, тъй като много обещаващи резултати от сонохимични или супрамолекулярни изследвания не успяват да излязат извън лабораторните условия, когато процесът не може да бъде възпроизведен в по-голям мащаб. Подходът на Hielscher към разработването на ултразвукови процеси се основава на контролируеми параметри и мащабируеми конфигурации на оборудването. След като бъде идентифициран ефективен диапазон на ултразвуковия процес, той може да бъде пренесен към по-големи ултразвукови системи, като се запазят съответните нива на вложената енергия и условията на обработка.
За промишлените потребители това означава, че ултразвуковата обработка може да се разглежда не само като изследователски метод, но и като технологичен процес.

Вградена ултразвукова обработка за непрекъсната химическа преработка

Ултразвуковата обработка в партиди е полезна за лабораторен скрининг и оптимизация на малки обеми. Въпреки това химическото производство често изисква непрекъсната работа, възпроизводимост и определено време на престой. Ултразвуковите системи на Hielscher поддържат инлайн ултразвукова обработка, при която течностите се изпомпват през ултразвукова поточна клетка или реактор и се подлагат на въздействието на кавитационното поле при контролирани условия.
Вградената ултразвукова обработка може да се извършва в режим на еднократно преминаване или в режим на рециркулация, което позволява на течността да премине един или няколко пъти през зоната на ултразвукова обработка. Компанията Hielscher посочва, че нейните ултразвукови процесори са подходящи както за периодична, така и за непрекъсната вградена обработка – от лабораторни и настолни устройства до пълномащабни промишлени инсталации.

В областта на супрамолекулярната химия и химичното инженерство инлайн ултразвуковата обработка предлага редица предимства:

• контролирано време на престой в зоната на кавитация
• по-добра възпроизводимост в сравнение с неконтролираното разбъркване на партидата
• по-добро управление на топлината чрез проточни клетки и външно охлаждане
• непрекъсната обработка на по-големи обеми
• по-лесна интеграция в съществуващите производствени линии за химически продукти
• регулируема интензивност на обработката чрез настройка на дебита, амплитудата и конфигурацията на реактора

В химията, зависеща от реакционните пътища, тези параметри могат да бъдат от решаващо значение. Ако една супрамолекулярна система реагира по различен начин на краткотрайна, интензивна ултразвукова обработка в сравнение с продължителна, умерена ултразвукова обработка, инлайн обработката осигурява инженерната рамка за определяне и възпроизвеждане на това въздействие.

Линейно мащабиране: от сонохимичен скрининг до производство

Ултразвуковата технология на Hielscher е предназначена за мащабиране от лабораторни изпитвания към промишлена преработка. При големи системи технологичните параметри, като амплитуда, налягане и температура, могат да бъдат оптимизирани в по-малки инсталации и след това прехвърлени към оборудване с по-висока производителност. Hielscher описва ефективността на ултразвуковия процес като линейно мащабируема, след като бъде определена оптималната конфигурация на параметрите.
Тази възможност за линейно мащабиране е особено важна за химиците и инженерите по технологични процеси, работещи с чувствителни супрамолекулярни системи. Самосглобяващите се материали често зависят от тесни технологични граници. Промяна в интензивността на смесването, времето на престой, температурния профил или енергийната плътност може да промени морфологията на продукта. Мащабируемите ултразвукови системи спомагат за намаляване на този риск, като поддържат определени условия на ултразвукова обработка при преминаването на процеса от милилитри към литри и, в крайна сметка, към дебити в производствен мащаб.
Hielscher предлага и промишлени инлайн реактори, като например MultiSonoReactor, предназначени за инлайн ултразвукова обработка с висока производителност. Тези системи са проектирани за приложения, включващи хомогенизация, смесване, дисперсия, екстракция и сонохимични реакции.

Научна и промишлена значимост на супрамолекулярните полиморфи, синтезирани чрез ултразвук

Изследването върху супрамолекулния полиморфизъм, контролиран чрез ултразвук, е от голямо значение, тъй като показва как ултразвуковите ефекти в химията могат да се използват за постигане на различни състояния на материята от една и съща молекулна система. Вместо да променят молекулата, изследователите промениха условията на процеса. Именно това прави ултразвуковата обработка привлекателна за индустриалната химия: тя може да подобри резултатите чрез интензифициране на процеса, а не чрез допълнителни етапи на синтеза.
В областта на научните изследвания тези резултати допринасят за по-задълбочено разбиране на хиралното самосглобяване, кинетичното улавяне, термодинамичния контрол и супрамолекулярните енергийни ландшафти. В промишлеността същите принципи могат да подпомогнат по-ефективния скрининг на полиморфи, по-бързото разработване на функционални материали, по-добрия контрол върху морфологията на агрегатите и по-възпроизводимата обработка на съвременни химични системи.

На практика ултразвуковата обработка може да бъде от полза за химиците и инженерите-химици:

• да ускори процесите на самоорганизация
• да се насърчат иначе недостъпни пътища за агрегация
• подобряване на възпроизводимостта в системи, зависещи от метаболитни пътища
• да се намали зависимостта от дългите периоди на уравновесяване
• визуализиране на кинетичните и термодинамичните състояния на продуктите
• да се приложат обещаващите лабораторни резултати в производствените процеси

Ултразвуковата обработка като базова технология

Мощният ултразвук е ключова технология за супрамолекулярната химия. Контролираното подаване на акустична енергия може да повлияе на молекулярната организация на сложни системи и да позволи получаването на структури, които са трудни за постигане само чрез конвенционално разбъркване или термична обработка.
С помощта на апарата Hielscher UP50H цитираното проучване демонстрира ползата от прецизната лабораторна ултразвукова обработка за фундаментални супрамолекулярни изследвания. С по-големите настолни и промишлени ултразвукови апарати на Hielscher същата технологична платформа може да бъде разширена с цел оптимизиране на процесите, обработка в производствената линия и линейно мащабиране.
За химиците това отваря нови експериментални пътища в областта на самосглобяването и контрола върху полиморфизма. За инженерите-химици то предоставя мащабируем технологичен инструмент за превръщането на ултразвуковите ефекти в химията в надеждни производствени стратегии.

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

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература / Препратки