Organokatalytiske reaktioner fremmet af sonikering
I organisk kemi er organokatalyse en form for katalyse, hvor hastigheden af en kemisk reaktion øges af en organisk katalysator. Denne “organokatalysator” består af kulstof, brint, svovl og andre ikke-metalelementer, der findes i organiske forbindelser. Anvendelsen af ultralyd med høj effekt til kemiske systemer er kendt som sonokemi og en veletableret teknik til at øge udbyttet, forbedre reaktionshastighederne og fremskynde reaktionshastigheden. Under sonikering bliver det ofte muligt at skifte kemiske veje og undgå uønskede biprodukter. Sonokemi kan fremme organokatalytiske reaktioner, hvilket gør dem mere effektive og miljøvenlige.
Asymmetrisk organokatalyse – Forbedret ved sonikering
Sonokemi, anvendelsen af højtydende ultralyd i kemiske systemer, kan forbedre organokatalytiske reaktioner betydeligt. Asymmetrisk organokatalyse kombineret med ultralydbehandling gør det ofte muligt at omdanne organokatalyse til en mere miljøvenlig rute og derved falde ind under terminologien for grøn kemi. Sonikering fremskynder (asymmetrisk) organokatlytisk reaktion og fører til højere udbytter, hurtigere konverteringsrater, lettere produktisolering / oprensning og forbedret selektivitet og reaktivitet. Udover at bidrage til forbedringen af reaktionskinetik og udbytte, kan ultralydbehandling ofte kombineres med bæredygtige reaktionsopløsningsmidler, såsom ioniske væsker, dybe eutektiske opløsningsmidler, milde, ikke-giftige opløsningsmidler og vand. Derved forbedrer sonokemi ikke kun den (asymmetriske) organokatlytiske reaktion i sig selv, men hjælper også bæredygtigheden af organokatalytiske reaktioner.
For iidium-fremmet reaktion viser sonikering gavnlige virkninger, da den sonokemisk drevne reaktion kører under mildere forhold og derved bevarer høje niveauer af diasteroselektion. Ved hjælp af den sonokemiske vej blev der opnået gode resultater på den organokatalytiske syntese af β-lactam-kulhydrater, β-aminosyre og spirodiketopiperaziner fra sukkerlaktoner samt allylation og Reformatsky-reaktioner på oximethere.
Ultralydsfremmet organokatalytisk lægemiddelsyntese
Rogozińska-Szymczak og Mlynarski (2014) rapporterer om den asymmetriske Michael-tilsætning 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 farmaceutisk aktive forbindelser i gode til fremragende udbytter (73-98%) og med gode enantioselektiviteter (op til 76% ee) via reaktioner accelereret af ultralyd. Forskerne præsenterer en effektiv sonokemisk protokol for dannelsen af 'faste stoffer på vand' af antikoagulanten warfarin i begge enantiomeriske former. Denne miljøvenlige organokatalytiske reaktion er ikke kun skalerbar, men giver også mållægemiddelmolekylet i enantiomerisk ren form.
Sonokemisk epoxidation 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 kører epoxidationen som katalysatorfri reaktion.
Limonendioxid er et vigtigt mellemmolekyle til udvikling af biobaserede polycarbonater eller nonisocyanatpolyurethaner. Sonikering tillader katalysatorfri epoxidation af terpener inden for en meget kort reaktionstid – samtidig giver det meget gode udbytter. For at demonstrere effektiviteten af ultralydsepoxidation sammenlignede forskerholdet epoxidationen af limonen til limonendioxid ved hjælp af in-situ-genereret dimethyldioxiran som oxidationsmiddel under både konventionel omrøring og ultralydbehandling. For alle sonikeringsforsøg Hielscher UP50H (50W, 30kHz) lab ultralydsapparat blev brugt.
Den tid, der kræves for fuldstændigt at omdanne limonen til limonendioxid med 100% udbytte under sonikering, var kun 4,5 minutter ved stuetemperatur. Til sammenligning, når konventionel omrøring ved hjælp af en magnetisk omrører anvendes, var den nødvendige tid for at nå et 97% udbytte af limonendioxid 1,5 timer. Epoxidationen af α-pinen er også blevet undersøgt ved hjælp af begge omrøringsteknikker. Epoxidation af α-pinen til α-pinenoxid under sonikering krævede kun 4 minutter med et opnået udbytte på 100%, mens reaktionstiden i sammenligning med den konventionelle metode var 60 minutter. Som for andre terpener blev β-pinen omdannet til β-pinenoxid på kun 4 minutter, mens farnesol gav 100% af triepoxidet på 8 minutter. Carveol, et limonenderivat, blev omdannet til carveoldioxid med et udbytte på 98%. I epoxidationsreaktionen af carvon ved hjælp af dimethyldioxiran var omdannelsen 100% på 5 minutter og producerede 7,8-carvonoxid.
De vigtigste fordele ved den sonokemiske terpen-epoxidation er den miljøvenlige karakter af oxidationsmidlet (grøn kemi) samt den betydeligt reducerede reaktionstid, der udfører denne oxidation under ultralydsomrøring. Denne epoxidationsmetode gjorde det muligt at opnå 100 % omdannelse af limonen med et 100 % udbytte af limonendioxid på kun 4,5 minutter sammenlignet med 90 minutter, når traditionel omrøring anvendes. Desuden blev der ikke fundet oxidationsprodukter af limonen, såsom carvon, carveol og perrilylalkohol, i reaktionsmediet. Epoxidationen af α-pinen under ultralyd krævede kun 4 minutter, hvilket gav 100% af α-pinenoxid uden oxidation af ringen. Andre terpener såsom β-pinen, farnesol og carveol er også blevet oxideret, hvilket fører til meget høje epoxidudbytter.
sonokemiske virkninger
Som et alternativ til klassiske metoder er sonokemisk baserede protokoller blevet brugt til at øge hastigheden af en lang række reaktioner, hvilket resulterer i produkter genereret 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 til de ønskede transformationer. Mekanismen for sådanne metoder er baseret på fænomenet akustisk kavitation, som inducerer unikke betingelser for tryk og temperatur gennem dannelse, vækst og adiabatisk kollaps af bobler i det flydende medium. Denne effekt forbedrer masseoverførslen og øger turbulent 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, der er evalueret i farmakologiske modeller, hvilket har bidraget til at fremskynde optimeringsprocessen for hit to lead.
Ikke alene kan denne højenergitilførsel forstærke mekaniske effekter i heterogene processer, men den er også kendt for at inducere nye reaktiviteter, der fører til dannelsen af uventede kemiske arter. Det, der gør sonokemi unik, er det bemærkelsesværdige fænomen kavitation, som i et lokalt begrænset rum i mikroboblemiljøet genererer ekstraordinære effekter på grund af skiftende højtryks- / lavtrykscyklusser, meget høje temperaturforskelle, høje forskydningskræfter og væskestrøm.
- Asymmetriske Diels-Elle-reaktioner
- Asymmetriske Michael-reaktioner
- Asymmetriske Mannich-reaktioner
- Shi epoxidation
- Hydrogenering af organokatalytisk overførsel
Fordelene ved sonokemisk fremmede organokatalytiske reaktioner
Sonikering anvendes 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 giver flere store fordele såsom højere udbytter, øget renhed af forbindelserne og selektivitet, kortere reaktionstider, lavere omkostninger samt enkelheden i betjening og håndtering af den sonokemiske procedure. Disse gavnlige faktorer gør ultralydsassisterede kemiske reaktioner ikke kun mere effektive og sparende, men også mere miljøvenlige.
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 reaktioner i en gryde
Sonikering gør det muligt at igangsætte multikomponentreaktioner som en-potte-reaktioner, der giver syntese 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 ultralydsbølger på asymmetriske organokatalytiske reaktioner er med succes blevet anvendt i forskellige reaktionstyper, herunder faseoverførselskatalyser, Heck-reaktioner, hydrogenering, Mannich-reaktioner, Barbier- og Barbier-lignende reaktioner, Diels-Alder-reaktioner, Suzuki-koblingsreaktion og Micheal-tilføjelse.
Find den ideelle ultralydsapparat til din organokatalytiske reaktion!
Hielscher Ultrasonics er din betroede partner, når det kommer til højtydende ultralydsudstyr af høj kvalitet. Hielscher designer, fremstiller og distribuerer avancerede ultralydssonder, 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 ultralydapparater spænder fra kompakte laboratorie-ultralydapparater til fuldt industrielle ultralydsreaktorer til kemisk fremstilling i stor skala. Sonder (også kendt som sonotroder, ultralydshorn eller spidser), boosterhorn og reaktorer er let tilgængelige i adskillige størrelser og geometrier. Skræddersyede versioner kan også fremstilles til dine behov.
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 ultralydsamplituden – Den vigtigste parameter for sonokemiske applikationer – gør det muligt at betjene Hielscher ultralydapparater ved lave til meget høje amplituder og at finjustere amplituden nøjagtigt til de krævede ultralydsprocesbetingelser for det specifikke kemiske reaktionssystem.
Hielschers ultralydsgenerator har en smart software med automatisk dataprotokol. Alle vigtige behandlingsparametre som ultralydsenergi, temperatur, tryk og tid gemmes automatisk på et indbygget SD-kort, så snart enheden tændes.
Procesovervågning og dataregistrering er vigtig 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 browserfjernbetjeningen til vores digitale ultralydssystemer. Via fjernstyring af browseren kan du starte, stoppe, justere og overvåge din ultralydsprocessor eksternt hvor som helst.
Kontakt os nu for at lære mere om vores højtydende ultralydshomogenisatorer kan forbedre din oragnokatalytiske syntesereaktion!
- høj effektivitet
- Avanceret teknologi
- pålidelighed & Robusthed
- batch & Inline
- til enhver volumen
- Intelligent software
- smarte funktioner (f.eks. dataprotokol)
- Høj brugervenlighed og komfort
- CIP (rengøring på stedet)
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
---|---|---|
1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Litteratur / Referencer
- Domini, Claudia; Alvarez, Mónica; Silbestri, Gustavo; Cravotto, Giancarlo; Cintas, Pedro (2017): Merging Metallic Catalysts and Sonication: A Periodic Table Overview. Catalysts 7, 2017.
- Rogozińska-Szymczak, Maria; Mlynarski, Jacek (2014): Asymmetric synthesis of warfarin and its analogues on water. Tetrahedron: Asymmetry, Volume 25, Issues 10–11, 2014. 813-820.
- Charbonneau, Luc; Foster, Xavier; Kaliaguine, Serge (2018): Ultrasonic and Catalyst-Free Epoxidation of Limonene and Other Terpenes Using Dimethyl Dioxirane in Semibatch Conditions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 2018.
- Zhao, H.; Shen, K. (2016): G-quadruplex DNA-based asymmetric catalysis of michael addition: Effects of sonication, ligands, and co-solvents. Biotechnology Progress 8;32(4), 2016. 891-898.
- Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
- Martín-Aranda, Rosa; Ortega-Cantero, E.; Rojas-Cervantes, M.; Vicente, Miguel Angel; Bañares-Muñoz, M.A. (2002): Sonocatalysis and Basic Clays. Michael Addition Between Imidazole and Ethyl Acrylate. Catalysis Letters. 84, 2002. 201-204.
- Ji-Tai Li; Hong-Guang Dai; Wen-Zhi Xu; Tong-Shuang Li (2006): Michael addition of indole to α,β-unsaturated ketones catalysed by silica sulfuric acid under ultrasonic irradiation. Journal of Chemical Research 2006. 41-42.
Fakta, der er værd at vide
Hvad er organokatalyse?
Organokatalyse er en type katalyse, hvor hastigheden af en kemisk reaktion øges ved brug af en organisk katalysator. Denne organokatalysator kan bestå af kulstof, brint, svovl og andre ikke-metalelementer, der findes i organiske forbindelser. Organokatalyse giver flere fordele. Da organokatalytiske reaktioner ikke kræver metalbaserede katalysatorer, er de mere miljøvenlige og bidrager dermed til grøn kemi. Organokatalysatorer kan ofte produceres billigt og nemt og giver mulighed for grønnere syntetiske ruter.
Asymmetrisk organokatalyse
Asymmetrisk organokatalyse er den asymmetriske eller enantioselektive reaktion, som kun producerer enantiomer af håndmolekyler. Enantiomerer er par af stereoisomerer, der er kirale. Et kiralt molekyle kan ikke lægges oven på sit spejlbillede, så spejlbilledet faktisk er et andet molekyle. For eksempel er produktionen af specifikke enantiomerer særlig vigtig i produktionen af lægemidler, hvor ofte kun den ene enantiomer af et lægemiddelmolekyle giver en vis positiv effekt, mens den anden enantiomer ikke viser nogen effekt eller endda er skadelig.