Organokatalitičke reakcije potaknute ultrazvučnom obradom

U organskoj hemiji, organokataliza je oblik katalize u kojem se brzina hemijske reakcije povećava organskim katalizatorom. Taj “organokatalizator” sastoji se od ugljika, vodika, sumpora i drugih nemetalnih elemenata koji se nalaze u organskim spojevima. Primjena ultrazvuka visoke snage na hemijske sisteme poznata je kao sonohemija i dobro uhodana tehnika za povećanje prinosa, poboljšanje brzine reakcija i ubrzanje reakcije. Pod ultrazvučnom obradom (sonikacijom) često je moguće promijeniti hemijske putanje i tako izbjeći neželjene nusproizvode. Sonohemija može promovirati organokatalitičke reakcije i učiniti ih efikasnijima i ekološki prihvatljivijima.

Asimetrična organokataliza – poboljšana ultrazvučnom obradom

Sonohemija, primjena visokoučinkovitog ultrazvuka u hemijskim sistemima, može značajno poboljšati organokatalitičke reakcije. Asimetrična organokataliza u kombinaciji s ultrazvučnom obradom često omogućava da se organokataliza pretvori u ekološki prihvatljiviji put, čime spada pod pojam zelene hemije. Ultrazvučna obrada ubrzava (asimetričnu) organokatalitičku reakciju i dovodi do većih prinosa, bržih stopa konverzije, lakše izolacije/pročišćavanja proizvoda te poboljšane selektivnosti i reaktivnosti. Osim doprinosa poboljšanju kinetike reakcije i prinosa, ultrazvučna obrada se često može kombinirati s održivim reakcijskim otapalima, kao što su ionske tekućine, duboka eutektička otapala, blaga, netoksična otapala i voda. Tako sonohemija ne poboljšava samo samu (asimetričnu) organokatalitičku reakciju, nego i pomaže održivosti organokatalitičkih reakcija.

Istraživanja su pokazala brojne primjere sonohemijski intenziviranih organokatalitičkih reakcija. Na primjer, dvolančane molekule DNK koriste se kao kiralno skele za sastavljanje hibridnih katalizatora metal-biomakromolekula za reakcije asimetrične sinteze. Katalizatori na bazi G-kvadrupleks DNK primijenjeni su u asimetričnoj Michaelovoj adiciji, te u Diels-Alderovim i Friedel-Craftsovim reakcijama. (usp. Zhao and Shen, 2018)
Za reakciju koju promovira inidium, ultrazvučna obrada pokazuje povoljne učinke, jer se sonohemijski pokrenuta reakcija odvija pod blažim uvjetima, pri čemu se čuvaju visoke razine dijastereoselekcije. Sonohemijskim putem postignuti su dobri rezultati u organokatalitičkoj sintezi β-laktamskih ugljikohidrata, β-aminokiseline i spirodiketopiperazina iz šećernih laktona, kao i u alilaciji i Reformatskijevim reakcijama na oksim-eterima.

Ultrazvučno promovirana organokatalitička sinteza lijekova

Rogozińska-Szymczak i Mlynarski (2014) izvještavaju o asimetričnoj Michaelovoj adiciji 4-hidroksikumarina na α,β-nezasićene ketone na vodi bez organskih korastvarača – katalizovanoj organskim primarnim aminima i ultrazvučnom obradom. Primjena enantiomerno čistog (S,S)-difeniletilendiamina daje niz važnih farmaceutski aktivnih spojeva s dobrim do odličnim prinosima (73–98%) i s dobrom enantioselektivnošću (do 76% ee) putem reakcija ubrzanih ultrazvukom. Istraživači predstavljaju efikasan sonohemijski protokol za nastajanje antikoagulansa varfarina u obliku ‘čvrste tvari na vodi’ u oba enantiomerna oblika. Ova ekološki prihvatljiva organokatalitička reakcija nije samo skalabilna, nego i daje ciljnu molekulu lijeka u enantiomerno čistom obliku.

Sonohemijska epoksidacija terpena

Charbonneau et al. (2018) demonstrirali su uspješnu epoksidaciju terpena pod ultrazvučnom obradom. Konvencionalna epoksidacija zahtijeva upotrebu katalizatora, ali se uz ultrazvučnu obradu epoksidacija odvija kao reakcija bez katalizatora.
Limonen dioksid je ključna intermedijarna molekula za razvoj polikarbonata na biološkoj osnovi ili poliuretana bez izocijanata. Ultrazvučna obrada omogućava epoksidaciju terpena bez katalizatora u vrlo kratkom reakcijskom vremenu – uz istovremeno vrlo dobre prinose. Kako bi pokazao efikasnost ultrazvučne epoksidacije, istraživački tim usporedio je epoksidaciju limonena u limonen dioksid koristeći in situ generirani dimetildioksiran kao oksidans, i pod konvencionalnim miješanjem i pod ultrazvučnom obradom. Za sve pokuse ultrazvučne obrade laboratorijski ultrazvučni uređaj Hielscher UP50H (50W, 30kHz) korišten je.

Vrijeme potrebno za potpunu konverziju limonena u limonen dioksid sa 100% prinosa pod ultrazvučnom obradom bilo je samo 4,5 min na sobnoj temperaturi. Za usporedbu, kada se koristi konvencionalno miješanje magnetnom miješalicom, potrebno vrijeme za postizanje prinosa limonen dioksida od 97% bilo je 1,5 h. Epoksidacija α-pinena također je proučavana primjenom obje tehnike miješanja. Epoksidacija α-pinena u α-pinen oksid pod ultrazvučnom obradom zahtijevala je samo 4 min uz postignuti prinos od 100%, dok je u usporedbi s konvencionalnom metodom reakcijsko vrijeme iznosilo 60 min. Što se tiče ostalih terpena, β-pinen je pretvoren u β-pinen oksid za samo 4 min, dok je farnezol dao 100% triepoksida za 8 min. Karveol, derivat limonena, pretvoren je u karveol dioksid s prinosom od 98%. U reakciji epoksidacije karvona dimetildioksiranom konverzija je bila 100% za 5 min, pri čemu je nastao 7,8-karvon oksid.
Glavne prednosti sonohemijske epoksidacije terpena su ekološki prihvatljiva priroda oksidansa (zelena hemija) kao i značajno skraćeno reakcijsko vrijeme pri izvođenju ove oksidacije pod ultrazvučnim miješanjem. Ova metoda epoksidacije omogućila je postizanje 100% konverzije limonena sa 100% prinosa limonen dioksida za samo 4,5 min u usporedbi s 90 min kada se koristi tradicionalno miješanje. Nadalje, u reakcijskom mediju nisu pronađeni produkti oksidacije limonena, kao što su karvon, karveol i perrilyl alkohol. Epoksidacija α-pinena pod ultrazvukom zahtijevala je samo 4 min, uz prinos od 100% α-pinen oksida bez oksidacije prstena. Ostali terpeni kao što su β-pinen, farnezol i karveol također su oksidirani, što je dovelo do vrlo visokih prinosa epoksida.

Sonohemijski učinci

Kao alternativa klasičnim metodama, protokoli zasnovani na sonohemiji koriste se za povećanje brzine širokog spektra reakcija, što rezultira proizvodima nastalim pod blažim uvjetima uz značajno skraćenje reakcijskih vremena. Ove metode opisane su kao ekološki prihvatljivije i održivije te se povezuju s većom selektivnošću i manjom potrošnjom energije za željene transformacije. Mehanizam takvih metoda temelji se na fenomenu akustične kavitacije, koja kroz stvaranje, rast i adijabatski kolaps mjehurića u tekućem mediju izaziva jedinstvene uvjete tlaka i temperature. Ovaj učinak poboljšava prijenos mase i povećava turbulentno strujanje u tekućini, olakšavajući hemijske transformacije. U našim studijama primjena ultrazvuka dovela je do dobivanja spojeva u skraćenim reakcijskim vremenima s visokim prinosima i čistoćom. Takve karakteristike povećale su broj spojeva ispitanih u farmakološkim modelima, doprinoseći ubrzanju procesa optimizacije od hita do vodećeg spoja.
Ovaj unos visoke energije ne samo da može pojačati mehaničke učinke u heterogenim procesima, nego je poznato i da izaziva nove reaktivnosti koje vode stvaranju neočekivanih hemijskih vrsta. Ono što sonohemiju čini jedinstvenom je izuzetan fenomen kavitacije, koja u lokalno ograničenom prostoru okruženja mikromjehurića stvara izvanredne učinke zahvaljujući izmjenjivim ciklusima visokog i niskog tlaka, vrlo visokim temperaturnim razlikama, jakim smičnim silama i strujanju tekućine.

Prednosti sonohemijski promoviranih organokatalitičkih reakcija

Ultrazvučna obrada se sve više koristi u organskoj sintezi i katalizi jer sonohemijski učinci pokazuju znatnu intenzifikaciju hemijskih reakcija. Posebno u usporedbi s tradicionalnim metodama (npr. zagrijavanje, miješanje), sonohemija je efikasnija, praktičnija i preciznije kontrolirana. Ultrazvučna obrada i sonohemija nude nekoliko važnih prednosti kao što su veći prinosi, povećana čistoća spojeva i selektivnost, kraća reakcijska vremena, niži troškovi, kao i jednostavnost rada i rukovanja sonohemijskim postupkom. Ovi povoljni faktori čine ultrazvučno potpomognute hemijske reakcije ne samo efikasnijima i sigurnijima, nego i ekološki prihvatljivijima.
Dokazano je da brojne organske reakcije daju veće prinose u kraćem reakcijskom vremenu i / ili pod blažim uvjetima kada se izvode uz ultrazvučnu obradu.

Ultrazvučna obrada omogućava jednostavne reakcije u jednom koraku

Ultrazvučna obrada omogućava pokretanje višekomponentnih reakcija kao reakcija u jednoj posudi (one-pot) koje omogućavaju sintezu strukturno raznolikih spojeva. Takve reakcije u jednoj posudi cijene se zbog visoke ukupne efikasnosti i jednostavnosti, jer izolacija i pročišćavanje intermedijera nije potrebno.

Učinci ultrazvučnih valova na asimetrične organokatalitičke reakcije uspješno su primijenjeni u raznim vrstama reakcija, uključujući katalize prijenosom faza, Heckove reakcije, hidrogenaciju, Mannichove reakcije, Barbierove i Barbieru slične reakcije, Diels-Alderove reakcije, Suzukijevu reakciju kuplovanja i Michaelovu adiciju.

Pronađite idealan ultrazvučni uređaj za svoju organokatalitičku reakciju!

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdan partner kada je riječ o visokoučinkovitoj, visokokvalitetnoj ultrazvučnoj opremi. Hielscher projektira, proizvodi i distribuira najsavremenije ultrazvučne sonde, reaktore i cup-horn uređaje za sonohemijske primjene. Sva oprema proizvodi se prema ISO certificiranim postupcima i s njemačkom preciznošću za vrhunski kvalitet u našem sjedištu u Teltowu (u blizini Berlina), Njemačka.
Portfolio ultrazvučnih uređaja Hielscher kreće se od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora za hemijsku proizvodnju velikih razmjera. Sonde (poznate i kao sonotrode, ultrazvučni rogovi ili vrhovi), booster rogovi i reaktori lako su dostupni u brojnim veličinama i geometrijama. Prilagođene verzije mogu se izraditi i prema vašim zahtjevima.
Budući da su ultrazvučni procesori kompanije Hielscher Ultrasonics dostupni u svim veličinama, od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za šaržne primjene i primjene protočne hemije, visokoučinkovita ultrazvučna obrada može se lako implementirati u bilo koju reakcijsku postavku. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude – najvažnijeg parametra za sonohemijske primjene – omogućava rad ultrazvučnih uređaja Hielscher pri niskim do vrlo visokim amplitudama i fino podešavanje amplitude tačno prema potrebnim uvjetima ultrazvučnog procesa specifičnog hemijskog reakcijskog sistema.
Ultrazvučni generator kompanije Hielscher ima pametan softver s automatskim protokoliranjem podataka. Svi važni procesni parametri kao što su ultrazvučna energija, temperatura, tlak i vrijeme automatski se pohranjuju na ugrađenu SD karticu čim se uređaj uključi.
Nadzor procesa i bilježenje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitet proizvoda. Pristupom automatski zabilježenim procesnim podacima možete pregledati prethodne cikluse ultrazvučne obrade i procijeniti ishod.
Još jedna funkcija prilagođena korisniku je daljinsko upravljanje putem preglednika naših digitalnih ultrazvučnih sistema. Putem daljinskog upravljanja preglednikom možete pokrenuti, zaustaviti, podešavati i nadzirati svoj ultrazvučni procesor na daljinu, s bilo kojeg mjesta.
Kontaktirajte nas odmah i saznajte više o tome kako naši visokoučinkoviti ultrazvučni homogenizatori mogu poboljšati vašu organokatalitičku sintezu!

Tabela u nastavku daje vam orijentacijski prikaz približnog procesnog kapaciteta naših ultrazvučnih uređaja: