Katalýza fázového přenosu indukovaná a zesílená ultrazvukem

Vysoce výkonný ultrazvuk je dobře známý svým přínosem pro různé chemické reakce. Jedná se o takzvanou sonochemii. Heterogenní reakce – a zejména reakce s fázovým přenosem – jsou vysoce perspektivními oblastmi aplikace výkonového ultrazvuku. Díky mechanické a sonochemické energii působící na reagencie lze reakce iniciovat, rychlost reakce lze výrazně zvýšit a lze dosáhnout vyšších konverzí, vyšších výtěžků a lepších produktů. Lineární škálovatelnost ultrazvuku a dostupnost spolehlivého ultrazvukového průmyslového zařízení činí z této techniky zajímavé řešení pro chemickou výrobu.

Katalýza fázového přenosu

Katalýza fázového přenosu (PTC) je zvláštní formou heterogenní katalýzy a je známa jako praktická metodika organické syntézy. Použitím katalyzátoru fázového přenosu je možné solubilizovat iontové reaktanty, které jsou často rozpustné ve vodné fázi, ale nerozpustné v organické fázi. To znamená, že PTC představuje alternativní řešení k překonání problému heterogenity u reakce, při níž je interakce mezi dvěma látkami nacházejícími se v různých fázích směsi potlačena, protože se reagencie nemohou setkat. (Esen et al. 2010) Obecnými výhodami katalýzy fázového přenosu jsou malá náročnost přípravy, jednoduché experimentální postupy, mírné reakční podmínky, vysoké reakční rychlosti, vysoké selektivity a použití levných a ekologicky šetrných reagencií, jako jsou kvartérní amoniové soli, a rozpouštědel, a také možnost provádět přípravy ve velkém měřítku (Ooi et al. 2007).
Řada reakcí typu kapalina–kapalina a kapalina–pevná látka byla intenzifikována a učiněna selektivními použitím jednoduchých katalyzátorů fázového přenosu (PT), jako jsou kvartérní amoniové soli (quats), polyethylene glycol-400 atd., které umožňují přenášet iontové částice z vodné fáze do organické fáze. Tím lze překonat problémy spojené s extrémně nízkou rozpustností organických reaktantů ve vodné fázi. V pesticidním a farmaceutickém průmyslu se PTC používá ve velkém rozsahu a změnila samotné základy podnikání. (Sharma 2002)

Výkonový ultrazvuk

Použití výkonového ultrazvuku je dobře známým nástrojem pro vytváření extrémně jemných emulzí. V chemii se takové extrémně jemné emulze používají ke zlepšení chemických reakcí. To znamená, že mezifázová kontaktní plocha mezi dvěma či více nemísitelnými kapalinami se dramaticky zvětší, a tím zajišťuje lepší, úplnější a/nebo rychlejší průběh reakce.
Pro katalýzu fázového přenosu – stejně jako pro jiné chemické reakce – je k zahájení reakce zapotřebí dostatek kinetické energie.
To má řadu pozitivních účinků na chemickou reakci:

• Chemickou reakci, která by za normálních okolností kvůli své nízké kinetické energii neproběhla, lze nastartovat sonikací.
• Chemické reakce lze urychlit pomocí PTC podporované ultrazvukem.
• Úplné vyloučení katalyzátoru fázového přenosu.
• Suroviny lze využívat efektivněji.
• Vedlejší produkty lze omezit.
• Nahrazení nákladné nebezpečné silné báze levnou anorganickou bází.

Díky těmto účinkům je PTC neocenitelnou chemickou metodikou pro organickou syntézu ze dvou a více nemísitelných reaktantů: katalýza fázového přenosu (PTC) umožňuje efektivněji využívat suroviny chemických procesů a vyrábět nákladově efektivněji. Zlepšení chemických reakcí pomocí PTC je důležitým nástrojem chemické výroby, který lze použitím ultrazvuku dramaticky zdokonalit.

Příklady reakcí PTC podporovaných ultrazvukem

• Syntéza nových derivátů N‘-(4,6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thiourea s použitím PEG-400 za sonikace. (Ken et al. 2005)
• Syntéza kyseliny mandlové pomocí PTC v iontové kapalině za asistence ultrazvuku vykazuje výrazné zvýšení reakčních výtěžků za okolních podmínek. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) popisují C-alkylaci fenylacetonitrilu za asistence ultrazvuku v prostředí bez rozpouštědla. Účinek ultrazvuku na podporu reakce byl přičten extrémně velké mezifázové ploše mezi oběma kapalnými fázemi. Sonikace vede k mnohem vyšší reakční rychlosti než mechanické míchání.
• Sonikace během reakce tetrachlormethanu s hořčíkem za účelem generování dichlorkarbenu vede v přítomnosti olefinů k vyššímu výtěžku gem-dichlorcyklopropanu. (Lin et al. 2003)
• Ultrazvuk zajišťuje urychlení Cannizzarovy reakce p-chlorbenzaldehydu za podmínek fázového přenosu. Ze tří katalyzátorů fázového přenosu – benzyltriethylamonium-chloridu (TEBA), Aliquatu a 18-crown-6 –, které testovali Polácková et al. (1996), byl jako nejúčinnější shledán TEBA. Ferrocenkarbaldehyd a p-dimethylaminobenzaldehyd poskytly za podobných podmínek jako hlavní produkt 1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-ones.
• Lin-Xiao et al. (1987) ukázali, že kombinace sonikace a PTC účinně podporuje generování dichlorkarbenu z chloroformu za kratší dobu, s lepším výtěžkem a s menším množstvím katalyzátoru.
• Yang et al. (2012) zkoumali zelenou syntézu sloučeniny benzyl 4-hydroxybenzoate za asistence ultrazvuku s použitím 4,4′-bis(tributylammoniomethyl)-1,1′-biphenyl dichloride (QCl₂) jako katalyzátoru. Pomocí QCl₂ vyvinuli novou dvoumístnou katalýzu fázového přenosu. Tato katalýza fázového přenosu pevná látka–kapalina (SLPTC) byla prováděna jako vsádkový proces za sonikace. Za intenzivní sonikace 33% přidaného Q2+ obsahujícího 45,2% Q(Ph(OH)COO)₂ přešlo do organické fáze, kde reagovalo s benzylbromidem, a celková reakční rychlost se tak zvýšila. Tato zlepšená reakční rychlost 0,106 min^-1 byla dosažena při 300W ultrazvukového ozařování, zatímco rychlost 0,0563 min^-1 byla pozorována bez sonikace. Tím byl prokázán synergický účinek dvoumístného katalyzátoru fázového přenosu s ultrazvukem při katalýze fázového přenosu.

Zlepšení asymetrické reakce s fázovým přenosem pomocí ultrazvuku

S cílem vytvořit praktickou metodu asymetrické syntézy a-aminokyselin a jejich derivátů zkoumali Maruoka a Ooi (2007), „zda by bylo možné zvýšit reaktivitu N-spiro chirálních kvartérních amoniových solí a zjednodušit jejich struktury. Jelikož ultrazvukové ozařování vytváří homogenizaci, tj. velmi jemné emulze, výrazně zvětšuje mezifázovou plochu, na níž může reakce probíhat, což by mohlo přinést podstatné urychlení reakcí s fázovým přenosem typu kapalina–kapalina. Skutečně, sonikace reakční směsi 2, methyljodidu a (S,S)-naftylové podjednotky (1 mol%) v toluenu/50% vodném KOH při 0 degC po dobu 1 h vedla k odpovídajícímu alkylačnímu produktu s výtěžkem 63% a 88%ee; chemický výtěžek a enantioselektivita byly srovnatelné s výsledky reakce provedené prostým mícháním směsi po dobu osmi hodin (0 degC, 64%, 90%ee).“ (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

Dalším typem reakce asymetrické katalýzy je Michaelova reakce. Michaelova adice diethyl N-acetyl-aminomalonátu na chalkon je pozitivně ovlivněna sonikací, což vede ke zvýšení výtěžku o 12% (z 72% dosažených při reakci bez ultrazvuku až na 82% za sonikace). Reakce je pod výkonovým ultrazvukem z hlediska reakční doby šestkrát rychlejší ve srovnání s reakcí bez ultrazvuku. Enantiomerní přebytek (ee) se nezměnil a u obou reakcí – s ultrazvukem i bez něj – činil 40%ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) prokázali, že Michaelova reakce chalkonů jako akceptorů s různými sloučeninami s aktivní methylenovou skupinou jako donory, jako je diethylmalonát, nitromethan, cyklohexanon, ethylacetoacetát a acetylaceton, katalyzovaná KF/zásaditou aluminou, vede za ultrazvukového ozařování ke vzniku aduktů s vysokým výtěžkem v kratším čase. V jiné studii Li et al. (2002) ukázali úspěšnou syntézu chalkonů za asistence ultrazvuku katalyzovanou KF-Al₂O₃.
Výše uvedené reakce PTC ukazují pouze malou část potenciálu a možností ultrazvukového ozařování.
Testování a vyhodnocení ultrazvuku z hlediska možného zlepšení PTC je velmi jednoduché. Laboratorní ultrazvuková zařízení společnosti Hielscher, jako je UP200Ht (200 wattů), a stolní systémy společnosti Hielscher, jako je UIP1000hd (1000 wattů), umožňují první zkoušky. (viz obrázek 1 a 2)

Efektivní výroba konkurenceschopná na chemickém trhu

Při použití ultrazvukové katalýzy fázového přenosu budete těžit z jedné či více různých výhod:

• iniciace reakcí, které jsou jinak neproveditelné
• zvýšení výtěžku
• omezení drahých bezvodých aprotických rozpouštědel
• zkrácení reakční doby
• nižší reakční teploty
• zjednodušená příprava
• použití vodného alkalického kovu namísto alkoxidů alkalických kovů, amidu sodného, hydridu sodného nebo kovového sodíku
• použití levnějších surovin, zejména oxidačních činidel
• posun selektivity
• změna poměrů produktů (např. O-/C-alkylace)
• zjednodušená izolace a purifikace
• zvýšení výtěžku potlačením vedlejších reakcí
• jednoduchý lineární scale-up na úroveň průmyslové výroby, a to i při velmi vysoké průchodnosti