Organokatalitičke reakcije koje promovira ultrazvuk

U organskoj hemiji, organokataliza je oblik katalize u kojoj se brzina kemijske reakcije povećava pomoću organskog katalizatora. Ovo “organokatalizator” sastoji se od ugljika, vodika, sumpora i drugih nemetalnih elemenata koji se nalaze u organskim jedinjenjima. Primena ultrazvuka velike snage na hemijske sisteme poznata je kao sonohemija i dobro uspostavljena tehnika za povećanje prinosa, poboljšanje brzine reakcije i ubrzanje brzine reakcije. Pod sonikacijom, često postaje moguće zamijeniti kemijske puteve izbjegavajući neželjene nusproizvode. Sonohemija može promovirati organokatalitičke reakcije čineći ih efikasnijim i ekološki prihvatljivijim.

Asimetrična organokataliza – Poboljšano Sonication

Sonohemija, primena ultrazvuka visokih performansi u hemijske sisteme, može značajno poboljšati organokatalitičke reakcije. Asimetrična organokataliza u kombinaciji sa ultrazvučnom obradom često omogućava transformaciju organokatalize u put koji je prihvatljiviji za okoliš, čime potpada pod terminologiju zelene kemije. Sonikacija ubrzava (asimetričnu) organokatalitičku reakciju i dovodi do većih prinosa, bržih stopa konverzije, lakše izolacije/pročišćavanja proizvoda i poboljšane selektivnosti i reaktivnosti. Osim što doprinosi poboljšanju kinetike reakcije i prinosa, ultrazvuk se često može kombinirati s održivim reakcijskim rastvaračima, kao što su jonske tekućine, duboki eutektički rastvarači, blaga, netoksična otapala i voda. Na taj način sonohemija ne samo da poboljšava samu (asimetričnu) organokatalitičku reakciju, već pomaže i održivost organokatalitičkih reakcija.

Istraživanja su pokazala mnoštvo primjera za sonohemijski intenzivirane oragnokatalitičke reakcije. Na primjer, dvolančani DNK molekuli kao kiralna skela koriste se za sklapanje hibridnih katalizatora metal-biomakromolekula za asimetrične reakcije sinteze. Katalizatori bazirani na G-kvadrupleksu DNK primijenjeni su u asimetričnim Michaelovim adicijama, Diels-Alderovim i Friedel-Craftsovim reakcijama. (usp. Zhao i Shen, 2018.)
Za reakciju izazvanu inidijumom, sonikacija pokazuje korisne efekte budući da sonohemijski vođena reakcija teče u blažim uslovima, čime se održava visok nivo dijasteroselekcije. Sonohemijskim putem postignuti su dobri rezultati u organokatalitičkoj sintezi β-laktamskih ugljikohidrata, β-aminokiselina i spirodiketopiperazina iz šećernih laktona, kao i alilacijske i Reformatsky reakcije na oksim eterima.

Ultrazvučno promovirana organokatalitička sinteza lijekova

Rogozińska-Szymczak i Mlynarski (2014) izvještavaju o asimetričnom Michaelovom dodavanju 4-hidroksikumarina α,β-nezasićenim ketonima u vodi bez organskih ko-otapala – kataliziran organskim primarnim aminima i ultrazvukom. Primjena enantiomerno čistog (S,S)-difeniletilendiamina daje niz važnih farmaceutski aktivnih spojeva u dobrim do odličnim prinosima (73–98%) i sa dobrim enantioselektivnostima (do 76% ee) putem reakcija ubrzanih ultrazvukom. Istraživači predstavljaju efikasan sonohemijski protokol za formiranje 'čvrstih materija na vodi' antikoagulansa varfarina u oba enantiomerna oblika. Ova ekološki prihvatljiva organokatalitička reakcija nije samo skalabilna, već također daje ciljni molekul lijeka u enantiomerno čistom obliku.

Sonohemijska epoksidacija terpena

Charbonneau et al. (2018) demonstrirali su uspješnu epoksidaciju terpena pod sonikacijom. Konvencionalna epoksidacija zahtijeva upotrebu katalizatora, ali sa ultrazvukom epoksidacija teče kao reakcija bez katalizatora.
Limonen dioksid je ključna međumolekula za razvoj biobaziranih polikarbonata ili neizocijanatnih poliuretana. Sonikacija omogućava epoksidaciju terpena bez katalizatora u vrlo kratkom vremenu reakcije – istovremeno daje veoma dobre prinose. Da bi demonstrirao efikasnost ultrazvučne epoksidacije, istraživački tim je uporedio epoksidaciju limonena u limonen dioksid koristeći in situ generisan dimetil dioksiran kao oksidaciono sredstvo i pod konvencionalnim mešanjem i ultrazvukom. Za sva ispitivanja sonikacije Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorijski ultrasonikator je korišten.

Vrijeme potrebno da se limonen u potpunosti pretvori u limonen dioksid sa 100% prinosom pod ultrazvučnom obradom bilo je samo 4,5 min na sobnoj temperaturi. Za usporedbu, kada se koristi konvencionalno miješanje pomoću magnetne miješalice, potrebno vrijeme za postizanje 97% prinosa limonen dioksida bilo je 1,5 h. Epoksidacija α-pinena je također proučavana korištenjem obje tehnike miješanja. Epoksidacija α-pinena u α-pinen oksid pod ultrazvučnom obradom zahtijevala je samo 4 min uz dobiveni prinos od 100%, dok je u poređenju sa konvencionalnom metodom vrijeme reakcije bilo 60 min. Što se tiče ostalih terpena, β-pinen je pretvoren u β-pinen oksid za samo 4 minute, dok je farnesol dao 100% triepoksida za 8 minuta. Karveol, derivat limonena, pretvoren je u karveol dioksid sa prinosom od 98%. U reakciji epoksidacije karvona korištenjem dimetil dioksirana konverzija je bila 100% za 5 minuta dajući 7,8-karvon oksid.
Glavne prednosti sonohemijske terpenske epoksidacije su ekološki prihvatljiva priroda oksidacionog agensa (zelena hemija) kao i značajno smanjeno vreme reakcije pri izvođenju ove oksidacije uz ultrazvučno mešanje. Ova metoda epoksidacije omogućila je postizanje 100% konverzije limonena sa 100% prinosom limonen dioksida za samo 4,5 min u poređenju sa 90 min kada se koristi tradicionalno miješanje. Nadalje, u reakcionom mediju nisu pronađeni nikakvi oksidacijski proizvodi limonena, kao što su karvon, karveol i perilil alkohol. Za epoksidaciju α-pinena pod ultrazvukom bilo je potrebno samo 4 min, dajući 100% α-pinen oksida bez oksidacije prstena. Ostali terpeni kao što su β-pinen, farnesol i karveol su također oksidirani, što je dovelo do vrlo visokog prinosa epoksida.

sonohemijski efekti

Kao alternativa klasičnim metodama, protokoli zasnovani na sonohemiji korišćeni su za povećanje brzine širokog spektra reakcija, što rezultira proizvodima koji se generišu u blažim uslovima sa značajnim smanjenjem vremena reakcije. Ove metode su opisane kao ekološki prihvatljivije i održivije i povezane su s većom selektivnošću i manjom potrošnjom energije za željene transformacije. Mehanizam ovakvih metoda zasniva se na fenomenu akustične kavitacije, koja indukuje jedinstvene uslove pritiska i temperature kroz formiranje, rast i adijabatski kolaps mehurića u tečnom mediju. Ovaj efekat poboljšava prenos mase i povećava turbulentni protok u tečnosti, olakšavajući hemijske transformacije. U našim istraživanjima, upotreba ultrazvuka je dovela do proizvodnje spojeva u smanjenom vremenu reakcije s visokim prinosima i čistoćom. Takve karakteristike su povećale broj spojeva procijenjenih u farmakološkim modelima, doprinoseći ubrzanju procesa optimizacije hita do vodećeg rezultata.
Ne samo da ovaj visokoenergetski unos može poboljšati mehaničke efekte u heterogenim procesima, već je poznato i da indukuje nove reaktivnosti koje dovode do stvaranja neočekivanih hemijskih vrsta. Ono što sonohemiju čini jedinstvenom je izuzetan fenomen kavitacije, koji stvara u lokalno ograničenom prostoru okruženja mikro mjehurića izvanredne efekte zbog naizmjeničnih ciklusa visokog/niskog tlaka, vrlo visokih temperaturnih razlika, velikih posmičnih sila i tekućine. streaming.

Prednosti sonohemijski promoviranih organokatalitičkih reakcija

Sonikacija se sve više koristi u organskoj sintezi i katalizi jer sonohemijski efekti pokazuju značajno intenziviranje hemijskih reakcija. Naročito u poređenju sa tradicionalnim metodama (npr. zagrevanje, mešanje), sonohemija je efikasnija, praktičnija i preciznija kontrolisana. Sonikacija i sonohemija nude nekoliko glavnih prednosti kao što su veći prinosi, povećana čistoća jedinjenja i selektivnost, kraće vreme reakcije, niži troškovi, kao i jednostavnost u radu i rukovanju sonohemijskom procedurom. Ovi korisni faktori čine hemijske reakcije uz pomoć ultrazvuka ne samo efikasnijim i štedljivijim, već i ekološki prihvatljivijim.
Dokazano je da brojne organske reakcije daju veće prinose u kraćem vremenu reakcije i/ili pod blažim uvjetima kada se izvode pomoću sonikacije.

Ultrasonication omogućava jednostavne reakcije u jednom loncu

Sonikacija omogućava pokretanje višekomponentnih reakcija kao reakcija u jednom loncu koje osiguravaju sintezu strukturno različitih spojeva. Takve reakcije u jednom loncu su cijenjene zbog visoke ukupne efikasnosti i njihove jednostavnosti jer nije potrebno izolovanje i prečišćavanje međuproizvoda.

Učinci ultrazvučnih valova na asimetrične organokatalitičke reakcije uspješno su primijenjeni u različitim tipovima reakcija uključujući katalize faznog prijenosa, Heckove reakcije, hidrogenaciju, Mannichove reakcije, Barbierove i Barbierove reakcije, Diels-Alderove reakcije, Suzukijevu reakciju spajanja i Michealovo dodavanje.

Pronađite idealan ultrasonikator za vašu organokatalitičku reakciju!

Hielscher Ultrasonics je vaš partner od povjerenja kada je riječ o visokokvalitetnoj ultrazvučnoj opremi visokih performansi. Hielscher dizajnira, proizvodi i distribuira najsavremenije ultrazvučne sonde, reaktore i rogove za sonohemijske aplikacije. Sva oprema je proizvedena prema ISO certificiranim procedurama i s njemačkom preciznošću za vrhunski kvalitet u našem sjedištu u Teltowu (blizu Berlina), Njemačka.
Portfolio Hielscher ultrasonicatora kreće se od kompaktnih laboratorijskih ultrasonikatora do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora za hemijsku proizvodnju velikih razmjera. Sonde (također poznate kao sonotrode, ultrazvučne rogove ili vrhovi), buster rogovi i reaktori su lako dostupni u brojnim veličinama i geometrijama. Prilagođene verzije mogu se proizvesti i za vaše zahtjeve.
Od Hielscher Ultrasonics’ ultrazvučni procesori dostupni su u bilo kojoj veličini, od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za primjene u šaržnoj i protočnoj hemiji, ultrazvučna sonikacija visokih performansi može se lako implementirati u bilo koju reakciju. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude – najvažniji parametar za sonohemijske aplikacije – omogućava rad Hielscher ultrasonikatorima pri malim do vrlo visokim amplitudama i fino podešavanje amplitude tačno prema potrebnim uslovima ultrazvučnog procesa specifičnog sistema hemijske reakcije.
Hielscherov ultrazvučni generator ima pametan softver s automatskim protokoliranjem podataka. Svi važni parametri obrade kao što su ultrazvučna energija, temperatura, pritisak i vrijeme automatski se pohranjuju na ugrađenu SD karticu čim se uređaj uključi.
Praćenje procesa i snimanje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitet proizvoda. Pristupanjem automatski snimljenim procesnim podacima, možete revidirati prethodne rezultate sonikacije i procijeniti rezultat.
Još jedna karakteristika prilagođena korisniku je daljinsko upravljanje pretraživačem naših digitalnih ultrazvučnih sistema. Putem daljinske kontrole pretraživača možete pokrenuti, zaustaviti, podesiti i nadgledati svoj ultrazvučni procesor na daljinu s bilo kojeg mjesta.
Kontaktirajte nas sada da saznate više o našim ultrazvučnim homogenizatorima visokih performansi koji mogu poboljšati vašu reakciju oragnokatalitičke sinteze!

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: