V organické chemii je organokatálýza formou katalýzy, při které se rychlost chemické reakce zvyšuje organickým katalyzátorem. Toto “organocatalyst” sestává z uhlíku, vodíku, síry a dalších nemetálních prvků nacházejících se v organických sloučeninách. Aplikace vysoce výkonného ultrazvuku na chemické systémy je známá jako sonochemie a dobře zavedená technika pro zvýšení výnosů, zlepšení reakčních rychlostí a urychlení rychlosti reakce. Pod sonikací je často možné přepínat chemické cesty, aby se zabránilo nežádoucím bydným produktům. Sonochemie může podporovat organokatalytické reakce, díky nimž jsou efektivnější a šetrnější k životnímu prostředí.

Asymetrická organokatatalýza – Vylepšeno sonikací

Sonochemie, aplikace vysoce výkonného ultrazvuku do chemických systémů, může výrazně zlepšit organokatalytické reakce. Asymetrická organokatatýza v kombinaci s ultrazvuku často umožňuje přeměnit organokatálýzu na cestu šetrnější k životnímu prostředí, čímž spadá pod terminologii zelené chemie. Sonikace urychluje (asymetrickou) organokatlytickou reakci a vede k vyšším výnosům, rychlejším konverzním poměrům, snadnější izolaci/čištění produktu a lepší selektivitě a reaktivitě. Kromě přispívání ke zlepšení reakční kinetiky a výnosu, ultrazvuku může být často kombinován s udržitelnými reakčními rozpouštědly, jako jsou iontové kapaliny, hluboká eutektická rozpouštědla, mírná, netoxická rozpouštědla a voda. Sonochemie tím nejen zlepšuje (asymetrickou) organokatytickou reakci samotnou, ale také pomáhá udržitelnost organokatalytických reakcí.

Výzkum ukázal rozmanité příklady sonochemicky zesílených oragnokatalytických reakcí. Například molekuly dvouvláknové DNA jako chirální lešení se používají k sestavení hybridních katalyzátorů metal-biomamizolekuly pro asymetrické syntézní reakce. Katalyzátory na bázi DNA G-quadruplex byly aplikovány v asymetrických michaelových přídavek, Diels-Alder a Friedel-Crafts reakce. (srov. Zhao a Shen, 2018)
Pro inidium-podporované reakce, použití ultrazvuku ukazuje blahodárné účinky, protože sonochemicky řízená reakce běží za mírnějších podmínek, čímž se zachová vysoká úroveň diasteroselekce. Pomocí sonochemické cesty byly dosaženy dobré výsledky na organokatalytické syntéze β-laktamových sacharidů, β-aminokyselin a spirodiketopiperazinů z laktonů cukru, stejně jako adeklace a reformatsky reakce na éximové ethery.

Ultrazvukem propagovaná organocatalytická syntéza léčiv

Rogozińska-Szymczak a Mlynarski (2014) uvádějí asymetrický Michaelův přídavek 4-hydroxykoumarinu do α β nenasycených ketonů na vodě bez organických ko-rozpouštědel – katalyzovány organickými primárními aminy a sonikací. Aplikace enantiomericky čistého (S,S)-difenylethylendiaminu poskytuje řadu důležitých farmaceuticky aktivních sloučenin v dobrých až vynikajících výnosech (73–98%) a s dobrými enantioselektivity (až 76% ee) prostřednictvím reakcí zrychlených ultrazvukem. Vědci prezentují účinný sonochemický protokol pro tvorbu "pevných látek na vodě" antikoagulantního warfarinu v obou enantiomerních formách. Tato ekologicky šetrná organokatalytická reakce je nejen škálovatelná, ale také poskytuje cílovou molekulu léčiva v enantiomericky čisté formě.

Sonochemická epoxidace terpenů

Charbonneau a kol. (2018) demostikulovali úspěšnou epoxidaci terpenů pod sonikací. Konvenční epoxidace vyžaduje použití katalyzátoru, ale s ultrazvukem probíhá epoxidace jako reakce bez katalyzátoru.
Limonen oxid je klíčovou mezilehlou molekulou pro vývoj polykarbonátů s biobasedem nebo neisokyanátů polyuretanů. Sonikace umožňuje epoxidaci terpenů bez katalyzátoru ve velmi krátké reakční době – zároveň dává velmi dobré výnosy. Aby se prokázala účinnost ultrazvukové epoxidace, výzkumný tým porovnal epoxidaci limonenu s limonenem pomocí dimethyl dioxirenu generovaného in-situ jako oxidační činidlo jak při konvenčním míchání, tak ultrazvuku. U všech sonikačních zkoušek Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorní ultrasonicator byl použit.

Doba potřebná k úplnému převedení limonenu na limonen s 100% výtěžkem pod sonikací byla pouze 4,5 minuty při pokojové teplotě. Pro srovnání, při použití konvenčního míchání pomocí magnetického míchadla byla požadovaná doba k dosažení 97% výtěžku oxidu limonenu 1,5 h. Epoxidace α-pininu byla také studována pomocí obou agitačních technik. Epoxidace α-pinenu na α-oxid borovicový pod sonikací vyžadovala pouze 4 minuty se získaným výnosem 100%, zatímco ve srovnání s konvenční metodou byla reakční doba 60 minut. Pokud jde o ostatní terpeny, β-pinene byl přeměněn na β-oxid borovicový za pouhé 4 minuty, zatímco farnesol přinesl 100% oxidu triepoxide za 8 minut. Karveol, derivát limonenu, byl přeměněn na karveolový oxid s výnosem 98%. V epoxidační reakci karvonu pomocí dimethyl dioxinánu byla konverze 100% za 5 minut a vytvořila oxid 7,8 karvonu.
Hlavními výhodami sonochemické terpenové epoxidace jsou ekologická povaha oxidačního činidla (zelená chemie) a výrazně zkrácená reakční doba provádějící tuto oxidaci při ultrazvukovém míchání. Tato epoxidační metoda umožnila dosáhnout 100% přeměny limonenu se 100% výtěžkem oxidu limonenu 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, což přineslo 100% oxidu α-borovicového bez oxidace kroužku. Další terpeny, jako jsou β-pinen, farnesol, a karveol byly také oxidovány, což vede k velmi vysokým epoxidovým výnosům.

sonochemická účinky

Jako alternativa ke klasickým metodám byly použity sonochemické protokoly ke zvýšení míry široké škály reakcí, což má za následek produkty generované za mírnějších podmínek s významným zkrácením reakčních časů. Tyto metody byly popsány jako šetrnější k životnímu prostředí a udržitelné a jsou spojeny s větší selektivitou a nižší spotřebou energie pro požadované transformace. Mechanismus těchto metod je založen na fenoménu akustické kavitace, který vyvolává jedinečné podmínky tlaku a teploty tvorbou, růstem a adiabatickým kolapsem bublin v kapalném médiu. Tento efekt zlepšuje přenos hmoty a zvyšuje turbulentní průtok v kapalině, což usnadňuje chemické transformace. V našich studiích vedlo použití ultrazvuku k produkci sloučenin ve snížených reakčních časech s vysokými výnosy a čistotou. Tyto vlastnosti zvýšily počet sloučenin hodnocených ve farmakologických modelech, což přispělo k urychlení procesu optimalizace olova.
Nejen, že tento vysokoenergetický vstup může zvýšit mechanické účinky v heterogenních procesech, ale je také známo, že vyvolává nové reaktivity vedoucí k tvorbě neočekávaných chemických druhů. To, co dělá sonochemii jedinečnou, je pozoruhodný jev kavitace, který vytváří v lokálně uzavřeném prostoru prostředí mikrobubliny mimořádné účinky díky střídavým vysokotlakým / nízkotlakým cyklům, velmi vysokým teplotním rozdílům, vysokým smykovým silám a proudu kapaliny.

Výhody sonochemicky propagovaných organokatalytických reakcí

Sonikace se stále více používá v organické syntéze a katalýze, protože sonochemické účinky vykazují podstatnou intenzifikaci chemických reakcí. Zvláště ve srovnání s tradičními metodami (např. Vytápění, míchání) je sonochemie efektivnější, pohodlnější a přesně kontrolovatelná. Sonikace a sonochemie nabízejí několik hlavních výhod, jako jsou vyšší výnosy, zvýšená čistota sloučenin a selektivita, kratší reakční časy, nižší náklady, stejně jako jednoduchost při provozu a manipulaci se sonochemickým postupem. Tyto prospěšné faktory, aby ultrazvukem asistované chemické reakce nejen účinnější a spořič, ale také šetrnější k životnímu prostředí.
Bylo prokázáno, že četné organické reakce poskytují vyšší výnosy v kratší reakční době a / nebo za mírnějších podmínek při použití použití ultrazvuku.

Ultrazvuku umožňuje jednoduché reakce s jedním hrncem

Sonikace umožňuje iniciovat vícesložkové reakce jako reakce s jedním hrncem, které poskytují syntézu strukturálně rozmanitých sloučenin. Takové reakce s jedním hrncem jsou oceňovány pro vysokou celkovou účinnost a jejich jednoduchost, protože izolace a čištění meziproduktů není nutná.

Účinky ultrazvukových vln na asymetrické organokatalytické reakce byly úspěšně aplikovány v různých typech reakcí, včetně katalyz fázového přenosu, Heckovy reakce, hydrogenace, Mannichovy reakce, reakce barbierské a barbierské, reakce Diels-Alder, Reakce suzuki spojky a Michealův přídavek.

Najděte ideální ultrasonicator pro vaši organokatalytickou reakci!

Hielscher Ultrasonics je vaším důvěryhodným partnerem, 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 vynikající kvalitu v naší centrále v Teltow (poblíž Berlína), Německo.
Portfolio Hielscher ultrasonicators se pohybuje od kompaktních laboratorních ultrasonicators až po plně průmyslové ultrazvukové reaktory pro rozsáhlou chemickou výrobu. Sondy (také známé jako sonotrody, ultrazvukové rohy nebo špičky), posilovací rohy a reaktory jsou snadno dostupné v mnoha velikostech a geometriích. Přizpůsobené verze lze také vyrobit pro vaše požadavky.
Od Hielscher Ultrazvuku’ ultrazvukové procesory jsou k dispozici v jakékoli velikosti od malých laboratorních zařízení až po velké průmyslové procesory pro dávkové a průtokové chemické aplikace, vysoce výkonná sonikace může být snadno implementována do jakéhokoli nastavení reakce. Přesné nastavení ultrazvukové amplitudy – nejdůležitější parametr pro sonochemické aplikace – umožňuje provozovat Hielscher ultrasonicators s nízkými až velmi vysokými amplitudami a doladit amplitudu přesně na požadované ultrazvukové procesní podmínky specifického systému chemické reakce.
Hielscherův ultrazvukový generátor je vybaven inteligentním softwarem s automatickým protokolování dat. Všechny důležité parametry zpracování, jako je ultrazvuková energie, teplota, tlak a čas, jsou automaticky uloženy na vestavěné SD kartě, jakmile je zařízení zapnuto.
Monitorování procesů a zaznamenávání dat je důležité pro kontinuální standardizaci procesů a kvalitu produktu. Přístupem k automaticky zaznamenaným procesním datům můžete revidovat předchozí spuštění ultrazvuku a vyhodnotit výsledek.
Další uživatelsky přívětivou funkcí je dálkové ovládání prohlížeče našich digitálních ultrazvukových systémů. Prostřednictvím dálkového ovládání prohlížeče můžete spustit, zastavit, upravit a monitorovat ultrazvukový procesor vzdáleně odkudkoli.
Kontaktujte nás nyní a dozvíte se více o našich vysoce výkonných ultrazvukových homogenizátorech může zlepšit vaši oragnokatalytickou syntézu reakce!

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: