U organskoj hemiji, organokataliza je oblik katalize u kojoj se stopa hemijske reakcije povećava organskim katalizom. Ovo “organokatalist” sastoji se od ugljika, vodika, sumpora i drugih nemetalnih elemenata koji se mogu naći u organskim spojovima. Primjena ultrazvuka velike snage na hemijske sisteme poznata je kao sonohemija i dobro utvrđena tehnika za povećanje prinosa, poboljšanje stope reakcija i ubrzavanje brzine reakcije. Pod sonikacijama, često postaje moguće prebaciti hemijske puteve izbjegavajući neželjene nuždane proizvode. Sonohemija može promicati organokatalitske reakcije što ih čini efikasnijim i ekološki ljubaznim.

Asimetrička organokataliza – Poboljšana sonication

Sonohemija, primjena ultrazvuka visokih performansi u hemijske sisteme, može značajno poboljšati organokatalitske reakcije. Asimetrička organokataliza u kombinaciji sa ultrasonication često omogućava transformaciju organokatalize u ekološki-prijateljiji put, i time potpada pod terminologiju zelene hemije. Sonication ubrzava (asimetričnu) organokatlitičku reakciju i dovodi do viših prinosa, brže stope pretvaranja, lakša izolacija/pročišćavanje proizvoda, te poboljšana selektivnost i reaktivnost. Osim doprinosa poboljšanju kinetike reakcije i prinosa, ultrasonikacija se često može kombinirati sa održivim otapicima za reakciju, kao što su ionske tekućine, duboki eutektični otapi, blagi, netoksični otapi i voda. Time, sonohemija ne samo da poboljšava (asimetričnu) organokatlitičku reakciju, već pomaže i održivost organokatalitičkih reakcija.

Istraživanja su pokazala mnogodjelne primjere za sonohemijski intenzivira oragnokatalitske reakcije. Na primjer, dvostruko nasukane MOLEKULE DNK kao kiralna skela se koriste za sastavljanje metalno-biomakromolekulskih hibridnih katalizista za asimetričke reakcije sinteze. G-quadruplex DNA-based katalysts su primijenjeni u asimetričnih Michael dodatak, Diels-Alder i Friedel-Crafts reakcije. (cf. Zhao i Shen, 2018)
Za inidijum-promovisanu reakciju, sonikacija pokazuje blagotvoran efekat s obzirom da sonohemijski potencirana reakcija teče u blažim uslovima, i time se čuvaju visoki nivoi dijasterozelekcije. Koristeći sonohemijski put, postignuti su dobri rezultati na organokatalitičkom sintezi β-laktam ugljikohidrata, β-aminokiselina i spirodiketopiperazina iz šećernih laktona kao i elilacije i Reformatsky reakcije na etere oksima.

Ultrazvučno promovisana organokatalitička sinteza lijekova

Rogozińska-Szymczak i Mlynarski (2014) prijavljuju asimetrični Michaelov dodatak 4-hidroksikumarina na α.β nezasićenih ketona na vodi bez organskih suotapiona – kataliziran organskim primarnim aminima i sonikacijama. Primjena enantiomerno čistog (S,S)-difinililenediamina priušti niz važnih farmaceutski aktivnih spojeva u dobru do izvrsnih prinosa (73–98%) i uz dobre enantioselektivnosti (do 76% ee) putem reakcija ubrzanih ultrazvukom. Istraživači predstavljaju efikasan sonohemijski protokol za formiranje 'čvrstih tokova na vodi' antikoagulantnog varfarina u oba enantiomericna oblika. Ova ekološki prihvatljiva organokatalitička reakcija nije samo skalabilna, već daje i ciljnu molekulu lijekova u enantiomerski čistom obliku.

Sonohemijska epoksidacija Terpena

Charbonneau et al. (2018) demostrira uspješnu epoksidaciju terpena pod sonication. Konvencionalna epoksidacija zahtijeva korištenje katalizacionog, ali sa sonikacijom epoksidacija teče kao reakcija bez kataliziranja.
Limonenski dioksid je ključna posredna molekula za razvoj biobazovnih polikarbonata ili nonizocijanatnih poliuretana. Sonication omogućava katalizacionu slobodnu epoksidaciju terpena unutar vrlo kratkog vremena reakcije – u isto vrijeme daje vrlo dobre prinose. Da bi pokazao efekte ultrazvučne epoksidacije, istraživački tim je usporedio epoksidaciju limonena sa limonenim dioksidom koristeći in-situ-generirani dimetil dioksiran kao oksidacijsko agens i pod konvencionalnom agitacijom i ultrasonikacijom. Za sva ispitivanja sonikacije Hielscher UP50H (50W, 30kHz) lab ultrasonicator je korištena.

Vrijeme potrebno za potpuno pretvaranje limonena u limone dioksid sa 100% prinosa pod sonikacijama bilo je samo 4,5 min na socnoj temperaturi. U usporedbi, kada se koristi konvencionalna agitacija pomoću magnetnog utiska, potrebno vrijeme za doseg 97% prinosa limone dioksida je bilo 1,5 h. Epoksidacija α-pinena je također proučavana koristeći obje tehnike agitacije. Epoksidacija α-pinena do α-pinen oksida pod sonikacijom zahtijevala je samo 4 min sa dobivenim prinosom od 100%, dok je u usporedbi s konvencionalnom metodom vrijeme reakcije bilo 60 min. Što se tiče drugih terpena, β-pinen je pretvoren u β-pinen oksid za samo 4 min, dok je farnesol dao 100% triepoxida za 8 min. Karveol, derivat limona, pretvoren je u karveol dioksid sa prinosom od 98%. U epoksidacijnoj reakciji karvona koristeći dimetil dioksiranu, konverzija je bila 100% u 5 min proizvodeći 7,8-karvona oksida.
Glavne prednosti sonohemske terpenske epoksidacije su ekološki prikladna priroda oksidacionog agensa (zelena hemija) kao i značajno smanjeno vrijeme reakcije koje izvodi ovu oksidaciju pod ultrazvučnom agitacijom. Ova metoda epoksidacije omogućila je da se dostigne 100% konverzija limona sa 100% prinosom limone dioksida u samo 4,5 min u odnosu na 90 min kada se koristi tradicionalna agitacija. Nadalje, u mediju reakcije nisu pronađeni oksidacioni proizvodi limona, kao što su karvon, karveol i perrilni alkohol. Epoksidacija α-pinena ispod ultrazvuka zahtijevala je samo 4 min, što je 100% α-pinen oksida bez oksidacije prstena. Drugi terpeni kao što su β-pinen, farnesol, i karveol su također oksidirali, što je dovelo do vrlo visokih prinosa epoksida.

Sonochemical efekti

Kao alternativa klasičnim metodama, sonohemijski bazirani protokoli su korišteni za povećanje stopa široke raznolikost reakcija, što je rezultiralo proizvodima generiranim u blažim uvjetima uz značajno smanjenje vremena reakcije. Ove metode su opisane kao ekološki prijatnije i održivije i povezane su sa većom selektivnošću i nižom potrošnjom energije za željene transformacije. Mehanizam takvih metoda je zasnovan na fenomenu akustičke kavitacije, koja inducira jedinstvene uslove pritiska i temperature kroz formiranje, rast, i adijabatsko kolaps mjehurića u tekućem mediju. Ovaj efekt poboljšava prijenos mase i povećava turbulentni protok u tekućini, olakšava hemijske transformacije. U našim studijama, upotreba ultrazvuka dovela je do proizvodnje spojeva u smanjenim vremenima reakcije sa visokim prinosima i čistoće. Takve karakteristike su povećale broj spojeva procijenjenih u farmakološkim modelima, doprinoseći ubrzanju hita procesu optimizacije olovo.
Ne samo da ovaj visoko-energetski ulaz može poboljšati mehaničke efekte u heterogenim procesima, već je poznato i da inducira nove aktivnosti koje vode do formiranja neočekivanih hemijskih vrsta. Ono što čini sonohemiju jedinstvenom je izvanredan fenomen kavitacije, koji generira u lokalno ograničenom prostoru mikro-mjehuriće okoline izvanredne efekte zbog naizmjeničnog ciklusa visokog tlaka / niskog tlaka, vrlo visokotemeraturnih difencijala, sila visokog smicanja i tekućih strujanja.

Prednosti sonohemijski promovisane organokatalitske reakcije

Sonication se sve više koristi u organskoj sintezi i kataliziji budući da sonohemijski efekti pokazuju značajnu intenzivaciju hemijskih reakcija. Posebno kada se uporedi sa tradicionalnim metodama (npr. grijanje, miješanje), sonohemija je efikasnija, zgodnija, i precizno kontrolisana. Sonikacija i sonohemija nude nekoliko većih prednosti kao što su veći prinosi, povećana čistoća spojeva i selektivnost, kraća vremena reakcije, manji troškovi, kao i jednostavnost u rukonohemiji i rukovanje sonohemijskim postupkom. Ovi koristan faktori čine ultrazvučno asistiran hemijske reakcije ne samo učinljive i sigurnije, nego i ekološki-prijateljnije.
Dokazano je da brojne organske reakcije daju više prinose u kraćem vremenu reakcije i / ili u blažim uslovima kada se izvode koristeći sonication.

Ultrasonication Allows for Simple One-Pot Reactions

Sonication omogućava da se pokrenu multikomponentne reakcije kao jedno-pot reakcije koje pružaju sintezu strukturno raznolikih spoja. Takve reakcije u jednom loncu se vrednuju za visoku ukupnu efikasnost i njihovu jednostavnost pošto izolacija i pročišćavanje intermediata nije potrebno.

Efekti ultrazvučnih talasa na asimetričnu organokatalitičku reakciju uspješno su primijenjeni u različitim tipovima reakcija uključujući katalize prijenosa faza, Heck reakcije, hidrogenaciju, Mannich reakcije, Barbier i Barbier-like reakcije, Diels-Alder reakcije, Suzuki spojne reakcije, i Micheal dodatak.

Pronađi idealan ultrasonikator za svoju organokatalitičnu reakciju!

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdan partner kada je u pitanju vrhunska ultrazvučna oprema visokog kvaliteta. Hielscher dizajnira, proizvodi i distribuira vrhunske ultrazvučne sonde, reaktore i cup-rogove za sonohemske primjene. Sva oprema je proizvedena po ISO certificiranim procedurama i sa njemačkom preciznošću za vrhunsku kvalitetu u našem zaglavlju u Teltowu (kod Berlina), Njemačka.
Portfolio Hielscher ultrasonicators se kreću od kompaktnih laboratorijskih ultrasonicatora do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora za proizvodnju hemikalija velikih razmjera. Sonde (poznate i kao sonotrodi, ultrazvučni rogovi ili vrhovi), booster rogovi, i reaktori su dostupni u brojnim veličinama i geometrijama. Prilagođene verzije mogu biti proizvedene i za vaše zahtjeve.
Od Hielscher Ultrasonics’ ultrazvučni procesori su dostupni na bilo kojoj veličini od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za batch i flow chemistry applications, high-performance sonication se može lako implementirati u bilo koje podešavanje reakcije. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude – najvažniji parametar za sonohemske primjene – omogućava da se upravlja Hielscher ultrasonicators na niskim do vrlo visokim amplitudama i da fino podešava amplitudu tačno na potrebne ultrazvučne procesne uslove specifičnog sistema hemijske reakcije.
Hielscherov ultrazvučni generator ima pametan softver sa automatskim protokolom podataka. Svi važni parametri obrade kao što su ultrazvučna energija, temperatura, pritisak i vrijeme automatski se pohrane na ugrađenu SD-karticu čim se uređaj uključi.
Praćenje procesa i snimanje podataka su važni za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitet proizvoda. Pristupom automatski snimljenim podacima procesa možete revidirati prethodne sonication runove i procijeniti ishod.
Druga korisnički ljubazna funkcija je daljinski upravljač preglednika naših digitalnih ultrazvučnih sistema. Preko daljinske kontrole preglednika možete pokrenuti, zaustaviti, podesiti i nadgledati vaš ultrazvučni procesor daljinski od bilo kuda.
Kontaktirajte nas sada da saznate više o našim ultrazvučnim homogenizatorima visokih performansi mogu poboljšati vašu reakciju oragnokatalitske sinteze!

Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators: