Organocatalytiske reaktioner fremmes af sonikering

I organisk kemi er organocatalyse en form for katalyse, hvor hastigheden af en kemisk reaktion øges af en organisk katalysator. Denne “organocatalyst” består af kulstof, brint, svovl og andre ikkemetalelementer, der findes i organiske forbindelser. Anvendelsen af høj effekt ultralyd til kemiske systemer er kendt som sonokemi og en veletableret teknik til at øge udbyttet, forbedre reaktionshastigheder og fremskynde reaktionshastighed. Under sonikering bliver det ofte muligt at skifte kemiske veje, så man undgår uønskede biprodukter. Sonokemi kan fremme organocatalytiske reaktioner, der gør dem mere effektive og miljøvenlige.

Asymmetrisk organocatalyse – Forbedret af sonikering

Sonokemi, anvendelse af højtydende ultralyd i kemiske systemer, kan forbedre organocatalytiske reaktioner betydeligt. Asymmetrisk organocatalyse kombineret med ultralydbehandling gør det ofte muligt at omdanne organocatalyse til en miljøvenlig rute og derved falde ind under terminologien grøn kemi. Sonikering accelererer (asymmetrisk) organocatlytisk reaktion og fører til højere udbytter, hurtigere konverteringsfrekvenser, lettere produktisolation / rensning og forbedret selektivitet og reaktivitet. Udover at bidrage til forbedringen af reaktionskinetikken og udbyttet kan ultralydbehandling ofte kombineres med bæredygtige reaktionsmidler, såsom ioniske væsker, dybe eutectic opløsningsmidler, milde, ikke-giftige opløsningsmidler og vand. Derved forbedrer sonokemi ikke kun selve den (asymmetriske) organocatlytiske reaktion, men hjælper også bæredygtigheden af organocatalytiske reaktioner.

Forskning har vist mangfoldige eksempler på sonokemisk intensiverede oragnocatalytiske reaktioner. For eksempel anvendes dobbeltstrengede DNA-molekyler som et chiral stillads for at samle metalbiomakromolekul hybridkatalysatorer til asymmetriske syntesereaktioner. G-quadruplex DNA-baserede katalysatorer er blevet anvendt i asymmetriske Michael add, Diels-Alder og Friedel-Crafts reaktioner. (se Zhao og Shen, 2018)
For inidium-fremmes reaktion, sonikering viser gavnlige virkninger, da sonokemisk drevet reaktion løber under mildere forhold, og dermed bevare høje niveauer af diasteroselection. Ved hjælp af den sonokemiske rute blev der opnået gode resultater på den organocatalytiske syntese af β-lactam kulhydrater, β-aminosyre og spirodiketopiperaziner fra sukkerlactoner samt allylation og Reformatsky reaktioner på oxime ætere.

Ultralyd promoveret organocatalytisk lægemiddelsyntese

Rogozińska-Szymczak og Mlynarski (2014) rapporterer om den asymmetriske Michael-tilføjelse af 4-hydroxycoumarin til α,β-umættede ketoner på vand uden organiske co-opløsningsmidler – katalyseret af organiske primære aminer og sonikering. Anvendelsen af enantiomerisk ren (S,S)-diphenylethylendiamin giver en række vigtige farmaceutiske aktive forbindelser i god til fremragende udbytter (73-98%) og med gode enantioselectivities (op til 76% ee) via reaktioner accelereret af ultralyd. Forskerne præsenterer en effektiv sonokemisk protokol for 'faste stoffer på vand' dannelse af antikagulant warfarin i begge enantiomeriske former. Denne miljøvenlige organocatalytiske reaktion er ikke kun skalerbar, men giver også mållægemolekylet i enantiomerisk ren form.

Sonokemisk eoxidation af terpener

Charbonneau et al. (2018) demostrated den vellykkede epoxidation af terpener under sonikering. Den konventionelle epoxidation kræver brug af en katalysator, men med sonikering epoxidation kører som katalysator-fri reaktion.
Limonedioxid er et vigtigt mellemmolekyle til udvikling af biobaserede polycarbonater eller ikke-isocyanatpolyurethaner. Sonikering giver katalysatoren fri epoxidation af terpener inden for en meget kort reaktionstid – samtidig give meget gode udbytter. For at demonstrere effectivenes af ultralyd epoxidation sammenlignede forskerholdet epoxidationen af limonene med limonenedioxid ved hjælp af in situ-genereret dimethyldioxirane som oxiderende middel under både konventionel agitation og ultralydbehandling. For alle sonikering forsøg Hielscher UP50H (50W, 30kHz) lab ultralydsprocessor var brugt.

Den tid, der kræves for helt at konvertere limonen til limonenedioxid med 100% udbytte under sonikering var kun 4,5 min ved stuetemperatur. Til sammenligning, når konventionel agitation ved hjælp af en magnetisk omrører anvendes, den nødvendige tid til at nå en 97% udbytte af limonedioxid var 1,5 h. Epoxidationen af α-pinen er også blevet undersøgt ved hjælp af begge agitationsteknikker. Epoxidation af α-pinen til α-pineneoxid under sonikering krævede kun 4 min med et opnået udbytte på 100%, mens reaktionstiden i sammenligning med den konventionelle metode var 60 min. Med hensyn til andre terpener blev β-pinen omdannet til β-pineneoxid på kun 4 min, mens farnesol gav 100% af triepoxiden på 8 min. Carveol, en limonene derivat, blev konverteret til carveoldioxid med et udbytte på 98%. I epoxidationsreaktionen af carvone ved hjælp af dimethyl dioxirane var konverteringen 100% på 5 min producerer 7,8-carvoneoxid.
De vigtigste fordele ved den sonokemiske terpene epoxidation er den miljøvenlige karakter af det oxiderende middel (grøn kemi) samt den signifikant reducerede reaktionstid, der udfører denne oxidation under ultralyd agitation. Denne epoxidationsmetode gjorde det muligt at nå 100% konvertering af limonen med et 100% udbytte af limonedioxid på kun 4,5 min sammenlignet med 90 min, når traditionel agitation anvendes. Desuden blev der ikke fundet oxidationsprodukter af limonen, såsom carvone, carveol og perrilylalkohol, i reaktionsmediet. Epoxidationen af α-pinen under ultralyd krævede kun 4 min, hvilket gav 100% af α-pineneoxid uden oxidation af ringen. Andre terpener såsom β-pinene, farnesol, og carveol er også blevet oxideret, hvilket fører til meget høje epoxid udbytter.

sonokemiske virkninger

Som et alternativ til klassiske metoder er sonokemiske protokoller blevet brugt til at øge satserne for en lang række reaktioner, hvilket resulterer i produkter, der genereres under mildere forhold med en betydelig reduktion i reaktionstider. Disse metoder er blevet beskrevet som mere miljøvenlige og bæredygtige og er forbundet med større selektivitet og lavere energiforbrug for de ønskede transformationer. Mekanismen af sådanne metoder er baseret på fænomenet akustisk kavitation, som fremkalder unikke betingelser for tryk og temperatur gennem dannelsen, væksten og adiabatisk sammenbrud af bobler i det flydende medium. Denne effekt forbedrer masseoverførslen og øger den turbulente strømning i væsken, hvilket letter de kemiske transformationer. I vores undersøgelser har brugen af ultralyd ført til produktion af forbindelser i reducerede reaktionstider med høje udbytter og renhed. Sådanne egenskaber har øget antallet af forbindelser evalueret i farmakologiske modeller, hvilket bidrager til at fremskynde hittet til blyoptimeringsprocessen.
Ikke alene kan denne højenergitilførsel forbedre mekaniske virkninger i heterogene processer, men det er også kendt for at fremkalde nye reaktivering, der fører til dannelsen af uventede kemiske arter. Hvad gør sonokemi unik er det bemærkelsesværdige fænomen kavitation, som genererer i et lokalt begrænset rum af mikroboblemiljøet ekstraordinære virkninger på grund af skiftende højtryks- / lavtrykscyklusser, meget høje temperaturforskelle, højforskydningskræfter og flydende streaming.

Fordelene ved sonokemisk promoverede organocatalytiske reaktioner

Sonikering bruges i stigende grad i organisk syntese og katalyse, da sonokemiske virkninger viser en betydelig intensivering af kemiske reaktioner. Især sammenlignet med traditionelle metoder (f.eks. opvarmning, omrøring) er sonokemi mere effektiv, bekvem og præcist kontrollerbar. Sonikering og sonokemi tilbyder flere store fordele såsom højere udbytter, øget renhed af forbindelserne og selektivitet, kortere reaktionstider, lavere omkostninger samt enkelheden i drift og håndtering af den sonokemiske procedure. Disse gavnlige faktorer gør ultralydsassisteret kemiske reaktioner ikke kun mere effektive og saver, men også miljøvenligere.
Talrige organiske reaktioner har vist sig at give højere udbytter i kortere reaktionstid og / eller under mildere forhold, når de udføres ved hjælp af sonikering.

Ultralydbehandling giver mulighed for enkle one-pot reaktioner

Sonikering gør det muligt at indlede multikomponenterende reaktioner som one-pot reaktioner, der giver syntesen af strukturelt forskellige forbindelser. Sådanne one-pot reaktioner er værdsat for en høj samlet effektivitet og deres enkelhed, da isolering og rensning af mellemprodukter ikke er påkrævet.

Virkningerne af ultralydbølger på asymmetriske organocatalytiske reaktioner er med succes blevet anvendt i forskellige reaktionstyper, herunder faseoverførsel katalyses, Heck reaktioner, hydrogenering, Mannich reaktioner, Barbier og Barbier-lignende reaktioner, Diels-Alder reaktioner, Suzuki kobling reaktion, og Micheal tilføjelse.

Find den ideelle ultralydsgiver til din organocatalytiske reaktion!

Hielscher Ultrasonics er din betroede partner, når det kommer til højtydende ultralydsudstyr af høj kvalitet. Hielscher designer, fremstiller og distribuerer topmoderne ultralydsonder, reaktorer og kophorn til sonokemiske applikationer. Alt udstyr er fremstillet under ISO-certificerede procedurer og med tysk præcision for overlegen kvalitet i vores hovedkvarter i Teltow (nær Berlin), Tyskland.
Porteføljen af Hielscher ultralydsapparater spænder fra kompakte lab ultralydapparater til fuldt industrielle ultralydsreaktorer til storskala kemisk fremstilling. Sonder (også kendt som sonotroder, ultralyd horn eller tips), booster horn, og reaktorer er let tilgængelige i mange størrelser og geometrier. Tilpassede versioner kan også fremstilles til dine krav.
Siden Hielscher Ultralyd’ ultralydsprocessorer er tilgængelige i enhver størrelse fra små laboratorieenheder til store industrielle processorer til batch- og flowkemiapplikationer, højtydende sonikering kan let implementeres i enhver reaktionsopsætning. Præcis justering af ultralyds amplituden – den vigtigste parameter for sonokemiske applikationer – gør det muligt at betjene Hielscher ultralydapparater ved lave til meget høje amplituder og finjustere amplituden nøjagtigt til de krævede ultralydsprocesforhold i det specifikke kemiske reaktionssystem.
Hielschers ultralydsgenerator har en smart software med automatisk dataprotokollering. Alle vigtige behandlingsparametre såsom ultralydsenergi, temperatur, tryk og tid opbevares automatisk på et indbygget SD-kort, så snart enheden er tændt.
Procesovervågning og dataregistrering er vigtige for kontinuerlig processtandardisering og produktkvalitet. Ved at få adgang til de automatisk registrerede procesdata kan du revidere tidligere sonikeringskørsler og evaluere resultatet.
En anden brugervenlig funktion er browserens fjernbetjening af vores digitale ultralydssystemer. Via fjernbetjening kan du starte, stoppe, justere og overvåge din ultralydsprocessor eksternt hvor som helst.
Kontakt os nu for at lære mere om vores højtydende ultralyd homogenisatorer kan forbedre din oragnocatalytic syntese reaktion!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: