Ultrazvukom inducirana i pojačana katalizacija prijenosom faza

Snažni ultrazvuk poznat je po svom doprinosu raznim hemijskim reakcijama. To je takozvana sonohemija. Heterogene reakcije – a naročito reakcije prijenosa faza – vrlo su potentna područja primjene snažnog ultrazvuka. Zahvaljujući mehaničkoj i sonohemijskoj energiji koja se primjenjuje na reagense, reakcije se mogu pokrenuti, brzina reakcije se može znatno povećati, a mogu se postići i veće stope konverzije, veći prinosi i bolji proizvodi. Linearna skalabilnost ultrazvuka i dostupnost pouzdane ultrazvučne industrijske opreme čine ovu tehniku zanimljivim rješenjem za hemijsku proizvodnju.

Stakleni reaktor za ciljane i pouzdane procese sonikacije

Ultrazvučna staklena protočna ćelija

Katalizacija prijenosom faza

Katalizacija prijenosom faza (PTC) poseban je oblik heterogene katalize i poznata je kao praktična metodologija za organsku sintezu. Upotrebom katalizatora prijenosa faza moguće je solubilizirati ionske reaktante, koji su često rastvorljivi u vodenoj fazi, ali nerastvorljivi u organskoj fazi. To znači da je PTC alternativno rješenje za prevazilaženje problema heterogenosti u reakciji u kojoj je interakcija između dvije supstance smještene u različitim fazama smjese spriječena zbog nemogućnosti reagensa da se susretnu. (Esen et al. 2010) Opće prednosti katalizacije prijenosom faza su mali napor pri pripremi, jednostavni eksperimentalni postupci, blagi reakcioni uvjeti, velike brzine reakcije, visoke selektivnosti te upotreba jeftinih i ekološki prihvatljivih reagensa, kao što su kvaternarne amonijeve soli, i rastvarača, kao i mogućnost izvođenja priprema u velikom razmjeru (Ooi et al. 2007).
Niz tečno–tečno i tečno–čvrstih reakcija intenziviran je i učinjen selektivnim upotrebom jednostavnih katalizatora prijenosa faza (PT), kao što su kvati, polietilenglikol-400 itd., koji omogućavaju da se ionske vrste prenesu iz vodene u organsku fazu. Tako se mogu prevazići problemi povezani s izuzetno niskom rastvorljivošću organskih reaktanata u vodenoj fazi. U industriji pesticida i farmaceutskoj industriji PTC se široko koristi i promijenio je same temelje poslovanja. (Sharma 2002)

Snažni ultrazvuk

Primjena snažnog ultrazvuka poznato je sredstvo za stvaranje izuzetno finih emulzija. U hemiji se takve izuzetno fine emulzije koriste za pojačavanje hemijskih reakcija. To znači da se međufazna kontaktna površina između dvije ili više nemješljivih tečnosti dramatično povećava i time osigurava bolji, potpuniji i/ili brži tok reakcije.
Za katalizaciju prijenosom faza – kao i za druge hemijske reakcije – potrebna je dovoljna kinetička energija za pokretanje reakcije.
To ima različite pozitivne učinke na hemijsku reakciju:

Hemijska reakcija koja se normalno ne bi odvijala zbog niske kinetičke energije može se pokrenuti ultrazvučnom obradom.
Hemijske reakcije mogu se ubrzati PTC-om potpomognutim ultrazvukom.
Potpuno izbjegavanje katalizatora prijenosa faza.
Sirovine se mogu efikasnije koristiti.
Nusproizvodi se mogu smanjiti.
Zamjena skupe, opasne jake baze jeftinom anorganskom bazom.

Zahvaljujući ovim učincima, PTC je neprocjenjiva hemijska metodologija za organsku sintezu iz dva ili više nemješljivih reaktanata: katalizacija prijenosom faza (PTC) omogućava efikasnije korištenje sirovina hemijskih procesa i ekonomičniju proizvodnju. Pojačavanje hemijskih reakcija pomoću PTC-a važan je alat za hemijsku proizvodnju koji se primjenom ultrazvuka može dramatično poboljšati.

Kavitacija u tečnosti

Primjeri ultrazvukom potaknutih PTC reakcija

Sinteza novih derivata N’-(4,6-disupstituiran-pirimidin-2-il)-N-(5-aril-2-furoil)tiouree uz PEG-400 pod ultrazvučnom obradom. (Ken et al. 2005)
Ultrazvučno potpomognuta sinteza mandelične kiseline pomoću PTC-a u ionskoj tečnosti pokazuje značajno povećanje prinosa reakcije u ambijentalnim uvjetima. (Hua et al. 2011)
Kubo et al. (2008) izvještavaju o ultrazvučno potpomognutoj C-alkilaciji fenilacetonitrila u okruženju bez rastvarača. Učinak ultrazvuka na poticanje reakcije pripisan je izuzetno velikoj međufaznoj površini između dviju tečnih faza. Ultrazvučna obrada daje znatno veću brzinu reakcije nego mehaničko miješanje.
Sonikacija tokom reakcije ugljik-tetraklorida s magnezijem radi stvaranja diklorkarbena rezultira većim prinosom gem-diklorciklopropana u prisustvu olefina. (Lin et al. 2003)
Ultrazvuk omogućava ubrzanje Cannizzarove reakcije p-hlorbenzaldehida u uvjetima prijenosa faza. Od tri katalizatora prijenosa faza – benziltrietilamonijum-hlorida (TEBA), Aliquata i 18-kruna-6 – koje su testirali Polácková et al. (1996), TEBA se pokazao najefikasnijim. Ferocenkarbaldehid i p-dimetilaminobenzaldehid dali su, u sličnim uvjetima, 1,5-diaril-1,4-pentadien-3-one kao glavni proizvod.
Lin-Xiao et al. (1987) pokazali su da kombinacija ultrazvučne obrade i PTC-a efikasno potiče stvaranje diklorkarbena iz hloroforma u kraćem vremenu, uz bolji prinos i manju količinu katalizatora.
Yang et al. (2012) istraživali su zelenu, ultrazvučno potpomognutu sintezu benzil-4-hidroksibenzoata upotrebom 4,4’-bis(tributilamoniometil)-1,1’-bifenil-dihlorida (QCl₂) kao katalizatora. Upotrebom QCl₂, razvili su novu katalizaciju prijenosom faza s dva aktivna mjesta. Ova katalizacija prijenosom faza čvrsto–tečno (SLPTC) provedena je kao šaržni proces uz ultrazvučnu obradu. Pri intenzivnoj sonikaciji, 33% dodanog Q2+ koji sadrži 45,2% Q(Ph(OH)COO)₂ prešlo je u organsku fazu da reaguje s benzil-bromidom, pa je ukupna brzina reakcije povećana. Ova poboljšana brzina reakcije iznosila je 0,106 min^-1 pri 300W ultrazvučnog zračenja, dok je bez sonikacije brzina od 0,0563 min^-1 bila zabilježena. Time je dokazan sinergijski učinak katalizatora prijenosa faza s dva aktivna mjesta i ultrazvuka u katalizaciji prijenosom faza.

Ultrazvučni laboratorijski uređaj UP200Ht omogućava snažnu sonikaciju u laboratorijama.

Slika 1: UP200Ht je snažan ultrazvučni homogenizator od 200 vati

Ultrazvučno pojačavanje asimetrične reakcije prijenosa faza

S ciljem uspostavljanja praktične metode za asimetričnu sintezu a-amino kiselina i njihovih derivata, Maruoka i Ooi (2007) istraživali su “može li se reaktivnost N-spiro kiralnih kvaternarnih amonijevih soli povećati, a njihove strukture pojednostaviti. Budući da ultrazvučno zračenje proizvodi homogenizaciju, odnosno vrlo fine emulzije, ono uveliko povećava međufaznu površinu na kojoj se reakcija može odvijati, što bi moglo dati znatno ubrzanje u reakcijama prijenosa faza tečno–tečno. Doista, sonikacija reakcione smjese spoja 2, metil-jodida i (S,S)-naftil podjedinice (1 mol%) u toluenu/50% vodenom KOH pri 0 degC tokom 1 h dala je odgovarajući produkt alkilacije s prinosom od 63% uz 88%ee; hemijski prinos i enantioselektivnost bili su uporedivi s onima iz reakcije provedene jednostavnim miješanjem smjese tokom osam sati (0 degC, 64%, 90%ee).” (Maruoka et al. 2007; str. 4229)

Poboljšane reakcije prijenosa faza sonikacijom

Shema 1: Ultrazvučna obrada pojačava brzinu reakcije tokom asimetrične sinteze α-amino kiselina [Maruoka et al. 2007]

Druga vrsta reakcije asimetrične katalize je Michaelova reakcija. Michaelova adicija dietilnog estera N-acetil-aminomalonske kiseline na halkon pozitivno je pod utjecajem ultrazvučne obrade, što rezultira povećanjem prinosa od 12% (sa 72% dobijenih tokom reakcije bez ultrazvuka na 82% pod ultrazvučnom obradom). Reakcija teče šest puta brže pod snažnim ultrazvukom u odnosu na reakciju bez ultrazvuka. Enantiomerni višak (ee) nije se promijenio i za obje reakcije – s ultrazvukom i bez njega – iznosio je 40%ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) pokazali su da Michaelova reakcija halkona kao akceptora s raznim spojevima s aktivnom metilenskom grupom, kao što su dietil-malonat, nitrometan, cikloheksanon, etil-acetoacetat i acetilaceton kao donori, katalizirana KF/bazičnim aluminijum-oksidom, daje adukte s visokim prinosom u kraćem vremenu pod ultrazvučnim zračenjem. U drugoj studiji, Li et al. (2002) pokazali su uspješnu ultrazvučno potpomognutu sintezu halkona kataliziranu KF-Al₂O₃.
Ove gore navedene PTC reakcije pokazuju samo mali raspon potencijala i mogućnosti ultrazvučnog zračenja.
Testiranje i evaluacija ultrazvuka u pogledu mogućih poboljšanja u PTC-u vrlo su jednostavni. Ultrazvučni laboratorijski uređaji kao što su Hielscher UP200Ht (200 vati) i stolni sistemi poput uređaja Hielscher UIP1000hd (1000 vati) omogućavaju prva ispitivanja. (vidi sliku 1 i 2)

Ultrazvukom poboljšana asimetrična Michaelova adicija (Kliknite za uvećanje!)

Shema 2: Ultrazvučno potpomognuta asimetrična Michaelova adicija dietil-N-acetil-aminomalonata na halkon [Török et al. 2001]

Efikasna proizvodnja konkurentna na hemijskom tržištu

Primjenom ultrazvučne katalize prijenosom faza imat ćete koristi od jedne ili više različitih prednosti:

pokretanje reakcija koje inače nisu izvodive
povećanje prinosa
smanjenje upotrebe skupih, bezvodnih, aprotičnih rastvarača
skraćenje vremena reakcije
niže temperature reakcije
pojednostavljena priprema
upotreba vodenog alkalnog metala umjesto alkoksida alkalnih metala, natrijum-amida, natrijum-hidrida ili metalnog natrija
upotreba jeftinijih sirovina, posebno oksidansa
pomak selektivnosti
promjena omjera proizvoda (npr. O-/C-alkilacija)
pojednostavljeno izdvajanje i prečišćavanje
povećanje prinosa suzbijanjem sporednih reakcija
jednostavno, linearno povećanje razmjera do industrijskog nivoa proizvodnje, čak i uz vrlo veliku propusnost

UIP1000hd stolni ultrazvučni homogenizator

Postav s ultrazvučnim procesorom od 1000W, protočnom ćelijom, rezervoarom i pumpom

Jednostavno i bezrizično testiranje ultrazvučnih učinaka u hemiji

Da bi se vidjelo kako ultrazvuk utječe na određene materijale i reakcije, prva ispitivanja izvodljivosti mogu se provesti u malom razmjeru. Ručni ili na stalak postavljeni laboratorijski uređaji u rasponu od 50 do 400 vati omogućavaju sonikaciju uzoraka male i srednje veličine u čaši. Ako prvi rezultati pokažu potencijalna postignuća, proces se može razviti i optimizirati na stolnom nivou s industrijskim ultrazvučnim procesorom, npr. UIP1000hd (1000W, 20kHz). Ultrazvučni stolni sistemi kompanije Hielscher snage od 500 vati do 2000 vati idealni su uređaji za istraživanje i razvoj (R&D) te optimizaciju. Ovi ultrazvučni sistemi – projektirani za sonikaciju u čaši i inline sonikaciju – pružaju potpunu kontrolu nad najvažnijim procesnim parametrima: amplitudom, pritiskom, temperaturom, viskoznošću i koncentracijom.
Precizna kontrola nad parametrima omogućava tačnu ponovljivost i linearnu skalabilnost dobijenih rezultata. Nakon testiranja različitih postavki, konfiguracija za koju se utvrdi da je najbolja može se koristiti za kontinuirani rad (24h/7d) u proizvodnim uvjetima. Opcionalna PC-kontrola (softversko sučelje) također olakšava bilježenje pojedinačnih ispitivanja. Za sonikaciju zapaljivih tečnosti ili rastvarača u opasnim okruženjima (ATEX, FM) uređaj UIP1000hd dostupan je u verziji s ATEX certifikatom: UIP1000-Exd.

Opće prednosti ultrazvučne obrade u hemiji:

Reakcija se može ubrzati ili mogu biti potrebni blaži uvjeti ako se primijeni sonikacija.
Indukcioni periodi često se znatno skraćuju, kao i egzotermne pojave koje se normalno povezuju s takvim reakcijama.
Sonohemijske reakcije ultrazvuk često pokreće bez potrebe za aditivima.
Broj koraka koji su normalno potrebni u sintetskom putu ponekad se može smanjiti.
U nekim situacijama reakcija se može usmjeriti na alternativni put.

Literatura/reference

Esen, Ilker et al. (2010): Dikationski katalizatori prijenosa faza s dugim lancem u kondenzacijskim reakcijama aromatskih aldehida u vodi pod ultrazvučnim učinkom. Bulletin of the Korean Chemical Society 31/8, 2010; str. 2289-2292.
Hua, Q. et al. (2011): Ultrazvukom potaknuta sinteza mandelične kiseline katalizom prijenosom faza u ionskoj tečnosti. U: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 18/5, 2011; str. 1035-1037.
Li, J.-T. et al. (2003): Michaelova reakcija katalizirana KF/bazičnim aluminijum-oksidom pod ultrazvučnim zračenjem. Ultrasonics Sonochemistry 10, 2003. str. 115-118.
Lin, Haixa et al. (2003): Jednostavan postupak za stvaranje diklorkarbena iz reakcije ugljik-tetraklorida i magnezija uz ultrazvučno zračenje. U: Molecules 8, 2003; str. 608 -613.
Lin-Xiao, Xu et al. (1987): Nova praktična metoda za stvaranje dichlorocebene ultrazvučnim zračenjem i katalizom prijenosom faza. U: Acta Chimica Sinica, Vol. 5/4, 1987; str. 294-298.
Ken, Shao-Yong et al. (2005): Sinteza katalizirana prijenosom faza pod ultrazvučnim zračenjem i bioaktivnost derivata N’-(4,6-disupstituiran-pirimidin-2-il)-N-(5-aril-2-furoil)tiouree. U: Indian Journal of Chemistry Vol. 44B, 2005; str. 1957-1960.
Kubo, Masaki et al. (2008): Kinetika C-alkilacije fenilacetonitrila bez rastvarača uz ultrazvučno zračenje. Chemical Engineering Journal Japan, Vol. 41, 2008; str. 1031-1036.
Maruoka, Keiji et al. (2007): Noviji napredak u asimetričnoj katalizi prijenosom faza. U: Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; str. 4222-4266.
Mason, Timothy et al. (2002): Primijenjena sonohemija: upotreba snažnog ultrazvuka u hemiji i obradi. Wiley-VCH, Weinheim, 2002.
Mirza-Aghayan, M. et al (1995): Učinci ultrazvučnog zračenja na asimetričnu Michaelovu reakciju. Tetrahedron: Asymmetry 6/11, 1995; str. 2643-2646.
Polácková, Viera et al. (1996): Cannizzarova reakcija potaknuta ultrazvukom u uvjetima prijenosa faza. U: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 3/1, 1996; str. 15-17.
Sharma, M. M. (2002): Strategije izvođenja reakcija u malom razmjeru. Inženjerstvo selektivnosti i intenzifikacija procesa. U: Pure and Applied Chemistry, Vol. 74/12, 2002; str. 2265-2269.
Török, B. et al. (2001): Asimetrične reakcije u sonohemiji. Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001; str. 191-200.
Wang, Maw-Ling et al. (2007): Epoksidacija 1,7-oktadiena katalizom prijenosom faza potpomognuta ultrazvukom – kinetička studija. U: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 14/1, 2007; str. 46-54.
Yang, H.-M.; Chu, W.-M. (2012): Katalizacija prijenosom faza potpomognuta ultrazvukom: zelena sinteza supstituiranog benzoata s novim katalizatorom prijenosa faza s dva aktivna mjesta u sistemu čvrsto–tečno. U: Zbornik radova 14^. azijsko-pacifičkog kongresa Konfederacije hemijskog inženjerstva APCChE 2012.

Povezane teme

Činjenice vrijedne znanja

Ultrazvučni homogenizatori tkiva često se nazivaju sondni sonikator, sonični lizer, ultrazvučni disruptor, ultrazvučni mlin, sono-ruptor, sonifier, sonični dismembrator, razarač ćelija, ultrazvučni disperzer ili dissolver. Različiti nazivi proizlaze iz raznih primjena koje se mogu ostvariti sonikacijom.