Sonokemisk forbedrede Diels-Alder-reaktioner

Diels-Alder-reaktioner anvendes i vid udstrækning til kemiske synteser, hvor der skal dannes bindinger mellem kulstofatomer. Ultralydsbehandling og dens sonokemiske virkninger er yderst effektive til at drive og fremme Diels-Alder-reaktioner, hvilket giver højere udbytter og betydeligt kortere reaktionstid og samtidig indgår i miljøvenlig grøn kemi.

Sonokemisk intensiveret Diels-Alder-reaktion til grøn kemi

Diels-Alder-reaktioner er kemiske reaktioner, hvor der dannes bindinger mellem kulstofatomer. Diels-Alder-reaktionen klassificeres som en termisk tilladt [4+2]-cycloaddition [_π4_s + _π2_s]. Da ultralydsassisteret organisk syntese er en grøn og effektiv syntesevej, som øger reaktionshastighederne, udbytterne og reaktionernes selektivitet, er sonikering en enkel og pålidelig teknik, der anvendes i vid udstrækning i laboratorier og industriel produktion. Den sonokemisk fremmede syntesevej muliggør ofte organiske omdannelser under omgivelsesbetingelser, som ellers kræver drastiske temperatur- og trykforhold. Dette bidrager til at reducere energiomkostningerne og gør den kemiske syntese til en sikrere procedure.

Diels-Alder-reaktion med ultralyd og dybe eutektiske opløsningsmidler

Dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) er opløsninger af Lewis- eller Brønsted-syrer og -baser, som danner en eutektisk blanding. Da dybe eutektiske opløsningsmidler er ikke-brændbare, har lave damptryk og lav toksicitet og ofte fremstilles af naturlige forbindelser, er de et sikrere og mere miljøvenligt opløsningsmiddelalternativ. Ultralydsbehandling og dybe eutektiske opløsningsmidler er kendt for at virke synergistisk sammen og anvendes derfor både til kemisk syntese og ultralydsekstraktion. Brugen af dybe eutektiske opløsningsmidler er også fordelagtig i ultralydsfremmede Diels-Alder-reaktioner. For eksempel anvendes sonikering til at fremme Diels-Alder-reaktionen med N-ethylmaleimide som dienofil, idet dienens beskaffenhed varieres i dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) under både konventionel opvarmning og ultralydsaktivering.
Brugen af ultralydsaktivering i kombination med dybe eutektiske opløsningsmidler viste sig at være fordelagtig og gav gode udbytter med drastisk reducerede reaktionstider.

Ultralydsforbedret Diels-Alder-reaktion.
reaktionsskema tilpasset efter Marullo et al., 2020

Generel procedure for Diels-Alder-reaktionen med DES og sonikering

Ultralydsfremmede Diels-Alder-reaktioner blev udført ved at indsætte ultralydssonden (sonotrode / horn) i reaktionsbeholderen. Ved brug af en ultralydssonde med en spidsdiameter på 0,5 cm var den nominelle udgangseffekt 70 W. Reaktionerne blev udført ved 40°C med sonikering i pulstilstand med cyklusser på 5 sec TIL og 20 sec FRA. Den ultralydsintensiverede Diels-Alder-reaktion gav gode udbytter på langt kortere tid end under betingelser uden ultralyd (henholdsvis 70 min og 24 h for sonokemiske reaktioner og reaktioner uden ultralyd).
For at vurdere energieffektiviteten af den sonokemisk intensiverede Diels-Alder-reaktion blev energiforbruget ved Diels-Alder-reaktionen uden ultralyd sammenlignet med energiforbruget ved den ultralydsfremmede reaktion. Beregningerne gav et forbrug på henholdsvis 35.094 kJ/g for reaktionen uden ultralyd og 28,4 kJ/g for den ultralydsassisterede reaktion (ultralydshorn med en udgangseffekt på 70 W nettoenergi). Dette giver en energibesparelse på 99% for den sonokemisk drevne Diels-Alder-reaktion. Alle disse observationer tyder stærkt på, at den kombinerede brug af dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) og ultralydsbestråling er en effektiv og energibesparende metode til vigtige synteseprocesser såsom Diels-Alder-reaktionen. (Marullo et al., 2020)

Virkningen af forskellige dybe eutektiske opløsningsmidler i kombination med sonikering

De bedste resultater for den ultralydsfremmede Diels-Alder-reaktion blev opnået, når de dybe eutektiske opløsningsmidler [ChCl]:[Fru] og [TBACl]:[EG] anvendes som opløsningsmidler. Brugen af [ChCl]:[Fru] og [TBACl]:[EG] som opløsningsmidler gav betydelige reduktioner i reaktionstiden samt betydelige forbedringer af udbyttet (for [TBACl]:[EG] 73% og 87% og for [ChCl]:[Fru] 23 og 75% under henholdsvis betingelser uden ultralyd og sonokemiske betingelser).
I nogle tilfælde, nemlig når [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly] og [AcChCl]:[EG] anvendes som opløsningsmidler, er udbytterne sammenlignelige med dem, der opnås under betingelser uden ultralyd, men den kemiske proces’ hastighed forbedres stadig drastisk ved sonikering.
Sonikering fungerer særdeles godt med viskøse opløsningsmidler med lavt damptryk såsom ioniske væsker (IL’er), da disse betingelser letter dannelsen af mere intense kavitationseffekter. Da dybe eutektiske opløsningsmidler har fysiske egenskaber, der ligner ioniske væskers, er de velegnede til brug sammen med ultralydsbehandling. Samspillet mellem dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) og sonikering reducerer Diels-Alder-reaktionens energibehov betydeligt. Der kan observeres betydelige reduktioner i reaktionstiden fra 24 h til 70 min, samtidig med at der opnås meget gode udbytter. Med hensyn til proceseffektivitet betyder dette, at den kombinerede brug af dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) og ultralydsbehandling gør det muligt at behandle en materialemængde, der er 10 gange så stor som under betingelser uden ultralyd. (Marullo et al., 2020)

Diels-Alder-reaktion af oxabicykliske alkener med ultralyd

Wei og kolleger (2004) viste, at den ultralydsfremmede Diels-Alder-reaktion mellem substituerede furaner og reaktive dienofiler såsom dimethylacetylendicarboxylat (DMAD) og dimethylmaleat gav funktionaliserede oxabicykliske alkener i gode udbytter. Den ultralydsfremmede regiospecifikke furano-Diels-Alder-cycloaddition af 2-vinylfuraner med DMAD gav funktionaliserede oxabicykliske alkener i godt udbytte.

Sonokemisk forbedrede cycloadditionsreaktioner

Bravo og kolleger (2006) beskrev en række sonokemiske cycloadditioner mellem enten cyclopentadien eller 1,3-cyclohexadien og carbonyldienofiler i en imidazoliumbaseret ionisk væske som reaktionsmedium. De påviste, at ultralydsbehandling effektivt forbedrer disse cycloadditionsreaktioner og giver højere udbytter og/eller kortere reaktionstider sammenlignet med de tilsvarende reaktioner uden ultralyd. For eksempel er virkningerne af ultralydsaktivering tydelige for simple α,β-umættede dienofiler såsom methylvinylketon eller acrolein. Methylvinylketon giver eksempelvis et udbytte på 89% inden for 1 h med mild sonikering, mens reaktionen uden ultralyd kun gav 52% inden for den samme reaktionstid.

Ultralydsapparater i alle størrelser til sonokemisk fremmede Diels-Alder-reaktioner

Hielscher Ultrasonics udvikler, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydshomogenisatorer af sondetypen og sonokemisk udstyr til integration i kemiske systemer såsom syntese- og katalysereaktioner. Ultralydsapparater fra Hielscher anvendes verden over som et pålideligt værktøj til at fremme, intensivere, accelerere og forbedre kemiske reaktioner.
Hielscher Ultrasonics’ ultralydsprocessorer fås i alle størrelser fra små laboratorieapparater til store industrielle processorer til anvendelser inden for batch- og flowkemi. Præcis justering af ultralydsamplituden – den vigtigste parameter til sonokemiske anvendelser – gør det muligt at anvende ultralydsapparater fra Hielscher ved lave til meget høje amplituder og finjustere amplituden præcist til de ultralydsprocesbetingelser, som det specifikke kemiske reaktionssystem kræver.
Ultralydsgeneratoren fra Hielscher har intelligent software med automatisk datalogning. Alle vigtige procesparametre såsom ultralydsenergi, temperatur, tryk og tid gemmes automatisk på et indbygget SD-kort, så snart apparatet tændes.
Procesovervågning og dataregistrering er vigtige for løbende processtandardisering og produktkvalitet. Ved at få adgang til de automatisk registrerede procesdata kan du gennemgå tidligere sonikeringsforløb og evaluere resultatet.
En anden brugervenlig funktion er fjernstyring af vores digitale ultralydssystemer via en browser. Med fjernstyring via en browser kan du starte, stoppe, justere og overvåge din ultralydsprocessor på afstand, uanset hvor du befinder dig.
Kontakt os nu for at få mere at vide om, hvordan vores højtydende ultralydshomogenisatorer kan forbedre dine organiske syntesereaktioner såsom Diels-Alder-reaktioner, Mannich-reaktioner eller Michael-addition blandt mange andre!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: