Organokatalytické reakce podporované sonikací

V organické chemii je organokatalýza formou katalýzy, při které je rychlost chemické reakce zvýšena organickým katalyzátorem. Toto “organokatalyzátor” Skládá se z uhlíku, vodíku, síry a dalších nekovových prvků nacházejících se v organických sloučeninách. Aplikace vysoce výkonného ultrazvuku na chemické systémy je známá jako sonochemie a dobře zavedená technika pro zvýšení výtěžků, zlepšení reakčních rychlostí a urychlení reakční rychlosti. Při sonikaci je často možné změnit chemické cesty, aby se zabránilo nežádoucím vedlejším produktům. Sonochemie může podporovat organokatalytické reakce, díky čemuž jsou účinnější a šetrnější k životnímu prostředí.

Asymetrická organokatalýza – Vylepšeno ultrazvukem

Sonochemie, aplikace vysoce výkonného ultrazvuku do chemických systémů, může výrazně zlepšit organokatalytické reakce. Asymetrická organokatalýza v kombinaci s ultrazvukem často umožňuje transformovat organokatalýzu na cestu šetrnější k životnímu prostředí, čímž spadá pod terminologii zelené chemie. Sonikace urychluje (asymetrickou) organokatorlytickou reakci a vede k vyšším výnosům, rychlejším konverzním poměrům, snadnější izolaci/čištění produktu a zlepšené selektivitě a reaktivitě. Kromě toho, že přispívá ke zlepšení reakční kinetiky a výtěžku, může být ultrazvuku často kombinován s udržitelnými reakčními rozpouštědly, jako jsou iontové kapaliny, hluboká eutektická rozpouštědla, mírná, netoxická rozpouštědla a voda. Sonochemie tak nejen zlepšuje samotnou (asymetrickou) organokatorlytickou reakci, ale také napomáhá udržitelnosti organokatalytických reakcí.

Výzkum ukázal mnoho příkladů sonochemicky zesílených oragnokatalytických reakcí. Například dvouřetězcové molekuly DNA jako chirální nosič se používají k sestavení hybridních katalyzátorů kov-biomolekula pro asymetrické syntetické reakce. G-kvadruplexové katalyzátory na bázi DNA byly použity v asymetrické Michaelově adiční, 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, čímž se zachovává vysoká úroveň diasteroselekce. Použitím sonochemické cesty bylo dosaženo dobrých výsledků v organokatalytické syntéze β-laktamových sacharidů, β-aminokyselin a spirodiketopiperazinů z cukerných laktonů, jakož i allylačních a reformatických reakcí na oximových etherech.

Ultrazvukem podporovaná organokatalytická syntéza léčiv

Rogozińska-Szymczak a Mlynarski (2014) uvádějí asymetrickou Michaelovu adici 4-hydroxykumarinu k α β-nenasyceným ketonům ve vodě bez organických rozpouštědel – katalyzované organickými primárními aminy a sonikací. Aplikace enantiomerně čistých (S,S)-difenylethylendiaminů poskytuje řadu významných farmaceuticky aktivních sloučenin s dobrými až vynikajícími výtěžky (73–98 %) a s dobrou enantioselektivitou (až 76 % ee) prostřednictvím reakcí urychlených ultrazvukem. Výzkumníci představují účinný sonochemický protokol pro tvorbu "pevných látek na vodě" antikoagulantu warfarinu v obou enantiomerních formách. Tato organokatalytická reakce šetrná k životnímu prostředí je nejen škálovatelná, ale také poskytuje cílovou molekulu léčiva v enantiomerně čisté formě.

Sonochemická epoxidace terpenů

Charbonneau et al. (2018) prokázali úspěšnou epoxidaci terpenů pod sonikací. Konvenční epoxidace vyžaduje použití katalyzátoru, ale při sonikaci probíhá epoxidace jako reakce bez katalyzátoru.
Oxid limoničitý je klíčovou mezilehlou molekulou pro vývoj biokarbonátů nebo neisokyanátových polyuretanů. Sonikace umožňuje epoxidaci terpenů bez katalyzátoru během velmi krátké reakční doby – zároveň poskytuje velmi dobré výnosy. Aby bylo možné prokázat účinnost ultrazvukové epoxidace, výzkumný tým porovnal epoxidaci limonenu s oxidem limoničitým pomocí dimethyldioxiranu generovaného in-situ jako oxidačního činidla jak za konvenčního míchání, tak za ultrazvuku. U všech zkoušek sonikace Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorní ultrasonicator byl použit.

Čas potřebný k úplné přeměně limonenu na oxid limoničitý se 100% výtěžkem při sonikaci byl pouze 4,5 minuty při pokojové teplotě. Pro srovnání, při použití konvenčního míchání pomocí magnetického míchadla byla doba potřebná k dosažení 97% výtěžku oxidu limoničitého 1,5 hodiny. Epoxidace α-pinenu byla také studována pomocí obou technik míchání. Epoxidace α-pinenu na oxid α-pinenu pod sonikací vyžadovala pouze 4 minuty se získaným výtěžkem 100%, zatímco ve srovnání s konvenční metodou byla reakční doba 60 min. Stejně jako u ostatních terpenů byl β-pinen přeměněn na oxid β-pinenu za pouhé 4 minuty, zatímco farnesol poskytl 100 % triepoxidu za 8 minut. Karveol, derivát limonenu, byl přeměněn na oxid karveoličitý s výtěžkem 98 %. Při epoxidační reakci karvonu za použití dimethyldioxiranu byla konverze 100% za 5 minut za vzniku 7,8-karvonového oxidu.
Hlavními výhodami sonochemické epoxidace terpenů jsou ekologická povaha oxidačního činidla (zelená chemie) a také výrazně zkrácená reakční doba provádění této oxidace za ultrazvukového míchání. Tato metoda epoxidace umožnila dosáhnout 100% konverze limonenu se 100% výtěžkem oxidu limoničitého za pouhých 4,5 minuty ve srovnání s 90 minutami při použití tradičního míchání. Kromě toho nebyly v reakčním médiu nalezeny žádné oxidační produkty limonenu, jako je karvon, karveol a perrilylalkohol. Epoxidace α-pinenu pod ultrazvukem vyžadovala pouze 4 minuty, čímž se získalo 100 % oxidu α-pinenu bez oxidace kruhu. Další terpeny, jako je β-pinen, farnesol a karveol, byly také oxidovány, což vedlo k velmi vysokým výtěžkům epoxidů.

Sonochemické účinky

Jako alternativa ke klasickým metodám byly použity sonochemické protokoly ke zvýšení rychlosti široké škály reakcí, což vedlo k produktům generovaným za mírnějších podmínek s významným zkrácením reakčních časů. Tyto metody byly popsány jako šetrnější k životnímu prostředí a udržitelnější a jsou spojeny s větší selektivitou a nižší spotřebou energie pro požadované transformace. Mechanismus těchto metod je založen na jevu akustické kavitace, která navozuje jedinečné podmínky tlaku a teploty prostřednictvím tvorby, růstu a adiabatického kolapsu bublin v kapalném médiu. Tento efekt zlepšuje přenos hmoty a zvyšuje turbulentní proudění v kapalině, což usnadňuje chemické transformace. V našich studiích vedlo použití ultrazvuku k výrobě sloučenin ve zkrácených reakčních časech s vysokými výtěžky a čistotou. Tyto vlastnosti zvýšily počet sloučenin hodnocených ve farmakologických modelech, což přispělo k urychlení procesu optimalizace zásahu do vedení.
Nejen, že tento vstup s vysokou energií může zvýšit mechanické účinky v heterogenních procesech, ale je také známo, že vyvolává nové reaktivity vedoucí k tvorbě neočekávaných chemických látek. To, co dělá sonochemii jedinečnou, je pozoruhodný jev kavitace, který v lokálně omezeném prostoru prostředí mikrobublin generuje mimořádné efekty v důsledku střídání vysokotlakých / nízkotlakých cyklů, velmi vysokých teplotních rozdílů, vysokých smykových sil a proudění kapaliny.

Výhody sonochemicky podporovaných organokatalytických reakcí

Sonikace se stále více používá v organické syntéze a katalýze, protože sonochemické účinky ukazují podstatné zesílení chemických reakcí. Zejména ve srovnání s tradičními metodami (např. zahřívání, míchání) je sonochemie účinnější, pohodlnější a přesně kontrolovatelná. Sonikace a sonochemie nabízejí několik hlavních výhod, jako jsou vyšší výtěžky, zvýšená čistota sloučenin a selektivita, kratší reakční doby, nižší náklady a také jednoduchost obsluhy a manipulace se sonochemickým postupem. Díky těmto příznivým faktorům jsou ultrazvukem asistované chemické reakce nejen účinnější a úspornější, ale také šetrnější k životnímu prostředí.
Bylo prokázáno, že četné organické reakce poskytují vyšší výnosy v kratší reakční době a / nebo za mírnějších podmínek, pokud se provádí pomocí sonikace.

Ultrazvuku umožňuje jednoduché reakce v jednom hrnci

Sonikace umožňuje iniciovat vícesložkové reakce jako reakce v jednom hrnci, které zajišťují syntézu strukturně rozmanitých sloučenin. Takové reakce v jedné nádobě jsou ceněny pro vysokou celkovou účinnost a jejich jednoduchost, protože není nutná izolace a čištění meziproduktů.

Účinky ultrazvukových vln na asymetrické organokatalytické reakce byly úspěšně aplikovány v různých typech reakcí, včetně katalýzy přenosu fáze, Heckových reakcí, hydrogenace, Mannichových reakcí, Barbierových a Barbierovských reakcí, Diels-Alderových reakcí, Suzukiho vazební reakce a Michaelovy adice.

Najděte ideální ultrazvukový přístroj pro vaši organokatalytickou reakci!

Hielscher Ultrasonics je váš důvěryhodný partner, pokud jde o vysoce výkonné, vysoce kvalitní ultrazvukové zařízení. Hielscher navrhuje, vyrábí a distribuuje nejmodernější ultrazvukové sondy, reaktory a pohárové rohy pro sonochemické aplikace. Všechna zařízení jsou vyráběna podle postupů certifikovaných ISO a s německou přesností pro špičkovou kvalitu v našem sídle v Teltowě (u Berlína) v Německu.
Portfolio Hielscher ultrasonicators sahá od kompaktních laboratorních ultrasonikátorů až po plně průmyslové ultrazvukové reaktory pro chemickou výrobu ve velkém měřítku. Sondy (také známé jako sonotrody, ultrazvukové rohy nebo hroty), pomocná houkačka a reaktory jsou snadno dostupné v mnoha velikostech a geometriích. Pro vaše požadavky lze vyrobit i verze na míru.
Vzhledem k tomu, Hielscher Ultrazvuk’ Ultrazvukové procesory jsou k dispozici v jakékoli velikosti od malých laboratorních zařízení až po velké průmyslové procesory pro dávkové a průtokové chemické aplikace, vysoce výkonnou sonikaci lze snadno implementovat do jakéhokoli reakčního nastavení. Přesné nastavení ultrazvukové amplitudy – Nejdůležitější parametr pro sonochemické aplikace – umožňuje provozovat Hielscher ultrasonikátory při nízkých až velmi vysokých amplitudách a jemně doladit amplitudu přesně na požadované ultrazvukové procesní podmínky specifického chemického reakčního systému.
Hielscherův ultrazvukový generátor je vybaven inteligentním softwarem s automatickým protokolováním dat. Všechny důležité parametry zpracování, jako je ultrazvuková energie, teplota, tlak a čas, se automaticky ukládají na vestavěnou SD kartu, jakmile je přístroj zapnutý.
Monitorování procesů a záznam dat jsou důležité pro průběžnou standardizaci procesů a kvalitu výrobků. Přístupem k automaticky zaznamenaným procesním datům můžete revidovat předchozí běhy sonikace a vyhodnotit výsledek.
Další uživatelsky přívětivou funkcí je dálkové ovládání našich digitálních ultrazvukových systémů pomocí prohlížeče. Prostřednictvím dálkového ovládání prohlížeče můžete spouštět, zastavovat, nastavovat a sledovat ultrazvukový procesor na dálku odkudkoli.
Kontaktujte nás nyní, abyste se dozvěděli více o našich vysoce výkonných ultrazvukových homogenizátorech, které mohou zlepšit vaši reakci oragnokatalytické syntézy!

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: