Organokatalytické reakce podporované sonikací

V organické chemii je organokatalýza formou katalýzy, při níž se rychlost chemické reakce zvyšuje působením organického katalyzátoru. Tento „organokatalyzátor“ se skládá z uhlíku, vodíku, síry a dalších nekovových prvků obsažených v organických sloučeninách. Aplikace vysoce výkonného ultrazvuku na chemické systémy se označuje jako sonochemie a je dobře zavedenou technikou ke zvýšení výtěžků, zlepšení reakčních rychlostí a urychlení průběhu reakce. Při sonikaci je často možné přepnout chemické reakční dráhy a vyhnout se tak nežádoucím vedlejším produktům. Sonochemie může podporovat organokatalytické reakce, a činit je tak účinnějšími a šetrnějšími k životnímu prostředí.

Asymetrická organokatalýza – zlepšená sonikací

Sonochemie, tedy aplikace vysoce výkonného ultrazvuku do chemických systémů, může organokatalytické reakce výrazně zlepšit. Asymetrická organokatalýza v kombinaci s ultrazvukovým ošetřením často umožňuje převést organokatalýzu na cestu šetrnější k životnímu prostředí, která tak spadá pod pojem zelené chemie. Sonikace urychluje (asymetrickou) organokatalytickou reakci a vede k vyšším výtěžkům, rychlejší konverzi, snadnější izolaci/purifikaci produktu a ke zlepšené selektivitě a reaktivitě. Kromě přínosu ke zlepšení reakční kinetiky a výtěžku lze ultrazvukové ošetření často kombinovat s udržitelnými reakčními rozpouštědly, jako jsou iontové kapaliny, hluboce eutektická rozpouštědla, mírná netoxická rozpouštědla a voda. Sonochemie tak nejen zlepšuje samotnou (asymetrickou) organokatalytickou reakci, ale také přispívá k udržitelnosti organokatalytických reakcí.

Výzkum ukázal mnohé příklady sonochemicky intenzifikovaných organokatalytických reakcí. Například dvouvláknové molekuly DNA se používají jako chirální skelet k sestavení hybridních katalyzátorů kov–biomakromolekula pro reakce asymetrické syntézy. Katalyzátory na bázi G-kvadruplexové DNA byly použity v asymetrické Michaelově adici, Diels-Alderově a Friedel-Craftsově reakci. (srov. Zhao a Shen, 2018)
U reakce podporované inidiem vykazuje sonikace příznivé účinky, protože sonochemicky řízená reakce probíhá za mírnějších podmínek, a zachovává se tak vysoká míra diastereoselekce. Sonochemickou cestou bylo dosaženo dobrých výsledků při organokatalytické syntéze β-laktamových sacharidů, β-aminokyseliny a spirodiketopiperazinů z cukerných laktonů, jakož i při allylaci a Reformatského reakcích na oximových etherech.

Ultrazvukem podporovaná organokatalytická syntéza léčiv

Rogozińska-Szymczak a Mlynarski (2014) popisují asymetrickou Michaelovu adici 4-hydroxykumarinu na α,β-nenasycené ketony na vodě bez organických korozpouštědel – katalyzovanou organickými primárními aminy a sonikací. Použití enantiomerně čistého (S,S)-difenylethylendiaminu poskytuje prostřednictvím reakcí urychlených ultrazvukem řadu důležitých farmaceuticky účinných sloučenin v dobrých až vynikajících výtěžcích (73–98%) a s dobrou enantioselektivitou (až 76% ee). Výzkumníci představují účinný sonochemický protokol pro tvorbu antikoagulancia warfarinu v obou enantiomerních formách metodou ‚pevné látky na vodě‘. Tato ekologicky šetrná organokatalytická reakce je nejen škálovatelná, ale poskytuje také cílovou molekulu léčiva v enantiomerně čisté formě.

Sonochemická epoxidace terpenů

Charbonneau et al. (2018) prokázali úspěšnou epoxidaci terpenů za sonikace. Konvenční epoxidace vyžaduje použití katalyzátoru, se sonikací však epoxidace probíhá jako reakce bez katalyzátoru.
Limonendioxid je klíčovou meziproduktovou molekulou pro vývoj biopolykarbonátů nebo neizokyanátových polyuretanů. Sonikace umožňuje epoxidaci terpenů bez katalyzátoru během velmi krátké reakční doby – a zároveň s velmi dobrými výtěžky. Aby výzkumný tým prokázal účinnost ultrazvukové epoxidace, porovnal epoxidaci limonenu na limonendioxid s použitím in situ generovaného dimethyldioxiranu jako oxidačního činidla jak za konvenčního míchání, tak za ultrazvukového ošetření. Ve všech pokusech se sonikací byl laboratorní sonikátor Hielscher UP50H (50W, 30kHz) použit.

Doba potřebná k úplné přeměně limonenu na limonendioxid se 100% výtěžkem činila za sonikace pouze 4,5 min při pokojové teplotě. Pro srovnání, při konvenčním míchání magnetickým míchadlem činila doba potřebná k dosažení 97% výtěžku limonendioxidu 1,5 h. Epoxidace α-pinenu byla rovněž studována s použitím obou technik míchání. Epoxidace α-pinenu na α-pinenoxid za sonikace vyžadovala pouze 4 min při dosaženém výtěžku 100%, zatímco u konvenční metody činila reakční doba pro srovnání 60 min. Pokud jde o další terpeny, β-pinen byl převeden na β-pinenoxid za pouhé 4 min, zatímco farnesol poskytl 100% triepoxidu za 8 min. Karveol, derivát limonenu, byl převeden na karveoldioxid s výtěžkem 98%. Při epoxidační reakci karvonu s použitím dimethyldioxiranu činila konverze 100% za 5 min za vzniku 7,8-karvonoxidu.
Hlavními výhodami sonochemické epoxidace terpenů jsou ekologická šetrnost oxidačního činidla (zelená chemie) a také výrazně zkrácená reakční doba při provádění této oxidace za ultrazvukového míchání. Tato metoda epoxidace umožnila dosáhnout 100% konverze limonenu se 100% výtěžkem limonendioxidu za pouhých 4,5 min ve srovnání s 90 min při tradičním míchání. Navíc nebyly v reakčním médiu nalezeny žádné oxidační produkty limonenu, jako je karvon, karveol a perrilylalkohol. Epoxidace α-pinenu za ultrazvuku vyžadovala pouze 4 min a poskytla 100% α-pinenoxidu bez oxidace kruhu. Oxidovány byly také další terpeny, jako je β-pinen, farnesol a karveol, což vedlo k velmi vysokým výtěžkům epoxidů.

Sonochemické účinky

Jako alternativa ke klasickým metodám se sonochemické protokoly používají ke zvýšení rychlosti široké škály reakcí, což vede k produktům získaným za mírnějších podmínek s výrazným zkrácením reakčních dob. Tyto metody byly popsány jako šetrnější k životnímu prostředí a udržitelnější a jsou spojovány s vyšší selektivitou a nižší spotřebou energie pro požadované transformace. Mechanismus těchto metod je založen na jevu akustické kavitace, která prostřednictvím vzniku, růstu a adiabatického kolapsu bublin v kapalném médiu vyvolává jedinečné podmínky tlaku a teploty. Tento efekt zlepšuje přenos hmoty a zvyšuje turbulentní proudění v kapalině, čímž usnadňuje chemické přeměny. V našich studiích vedlo použití ultrazvuku k produkci sloučenin za kratší reakční doby s vysokými výtěžky a čistotou. Tyto vlastnosti zvýšily počet sloučenin hodnocených ve farmakologických modelech a přispěly k urychlení procesu optimalizace hit-to-lead.
Tento vysokoenergetický vstup může nejen zesílit mechanické účinky v heterogenních procesech, ale je také známo, že vyvolává nové reaktivity vedoucí ke vzniku neočekávaných chemických specií. Jedinečnou činí sonochemii pozoruhodný jev kavitace, který v lokálně ohraničeném prostoru prostředí mikrobublin vytváří mimořádné účinky díky střídajícím se cyklům vysokého / nízkého tlaku, velmi vysokým teplotním rozdílům, vysokým smykovým silám a proudění kapaliny.

Výhody sonochemicky podporovaných organokatalytických reakcí

Sonikace se stále více využívá v organické syntéze a katalýze, protože sonochemické účinky vykazují podstatnou intenzifikaci chemických reakcí. Zejména ve srovnání s tradičními metodami (např. zahříváním, mícháním) je sonochemie účinnější, pohodlnější a přesně řiditelná. Sonikace a sonochemie nabízejí několik zásadních výhod, jako jsou vyšší výtěžky, vyšší čistota sloučenin a selektivita, kratší reakční doby, nižší náklady a také jednoduchost obsluhy a provádění sonochemického postupu. Díky těmto příznivým faktorům jsou ultrazvukem asistované chemické reakce nejen účinnější a bezpečnější, ale také šetrnější k životnímu prostředí.
U řady organických reakcí bylo prokázáno, že při provádění se sonikací poskytují vyšší výtěžky za kratší reakční dobu a / nebo za mírnějších podmínek.

Ultrazvukové ošetření umožňuje jednoduché jednonádobové (one-pot) reakce

Sonikace umožňuje iniciovat vícesložkové reakce jako jednonádobové reakce, které zajišťují syntézu strukturně rozmanitých sloučenin. Takové jednonádobové reakce jsou ceněny pro vysokou celkovou účinnost a jednoduchost, protože není nutná izolace a purifikace meziproduktů.

Účinky ultrazvukových vln na asymetrické organokatalytické reakce byly úspěšně využity v různých typech reakcí, včetně katalýzy fázového přenosu, Heckových reakcí, hydrogenace, Mannichových reakcí, Barbierových a Barbierovým podobných reakcí, Diels-Alderových reakcí, Suzukiho kaplingové reakce a Michaelovy adice.

Najděte ideální sonikátor pro svou organokatalytickou reakci!

Hielscher Ultrasonics je vaším spolehlivým partnerem, pokud jde o vysoce výkonná a vysoce kvalitní ultrazvuková zařízení. Hielscher navrhuje, vyrábí a distribuuje špičkové ultrazvukové sondy, reaktory a kalíškové sonotrody (cup-horn) pro sonochemické aplikace. Veškeré zařízení se vyrábí podle postupů certifikovaných dle ISO a s německou precizností pro špičkovou kvalitu v našem sídle v Teltow (u Berlína), Německo.
Portfolio sonikátorů Hielscher sahá od kompaktních laboratorních sonikátorů až po plně průmyslové ultrazvukové reaktory pro velkoobjemovou chemickou výrobu. Sondy (známé také jako sonotrody, ultrazvukové sonotrody či hroty), zesilovací sonotrody (boostery) a reaktory jsou snadno dostupné v mnoha velikostech a geometriích. Na míru lze vyrobit i zakázkové verze podle vašich požadavků.
Vzhledem k tomu, že ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics jsou k dispozici v jakékoli velikosti od malých laboratorních přístrojů až po velké průmyslové procesory pro vsádkové a průtokové chemické aplikace, lze vysoce výkonnou sonikaci snadno začlenit do jakéhokoli reakčního uspořádání. Přesné nastavení ultrazvukové amplitudy – nejdůležitějšího parametru pro sonochemické aplikace – umožňuje provozovat sonikátory Hielscher při nízkých až velmi vysokých amplitudách a jemně doladit amplitudu přesně na požadované podmínky ultrazvukového procesu konkrétního chemického reakčního systému.
Ultrazvukové generátory Hielscher jsou vybaveny chytrým softwarem s automatickým protokolováním dat. Všechny důležité procesní parametry, jako je ultrazvuková energie, teplota, tlak a čas, se automaticky ukládají na vestavěnou SD kartu, jakmile je přístroj zapnut.
Monitorování procesu a záznam dat jsou důležité pro průběžnou standardizaci procesu a kvalitu produktu. Prostřednictvím přístupu k automaticky zaznamenaným procesním datům můžete revidovat předchozí sonikační běhy a vyhodnotit jejich výsledek.
Další uživatelsky přívětivou funkcí je vzdálené ovládání našich digitálních ultrazvukových systémů přes prohlížeč. Pomocí vzdáleného ovládání přes prohlížeč můžete svůj ultrazvukový procesor odkudkoli na dálku spouštět, zastavovat, nastavovat a monitorovat.
Kontaktujte nás nyní a zjistěte více o tom, jak mohou naše vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory zlepšit vaši organokatalytickou syntézní reakci!

Níže uvedená tabulka uvádí přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich sonikátorů: