Ultralydsinduceret og ultralydsforstærket faseoverførselskatalyse

Ultralyd med høj effekt er velkendt for sit bidrag til forskellige kemiske reaktioner. Dette er den såkaldte sonokemi. Heterogene reaktioner – og især faseoverførselsreaktioner – er anvendelsesområder med stort potentiale for ultralyd med høj effekt. Den mekaniske og sonokemiske energi, der tilføres reagenserne, kan igangsætte reaktioner, øge reaktionshastigheden betydeligt og gøre det muligt at opnå højere omsætningsgrader, større udbytter og bedre produkter. Ultralydens lineære skalerbarhed og tilgængeligheden af pålideligt industrielt ultralydsudstyr gør denne teknik til en interessant løsning til kemisk produktion.

Faseoverførselskatalyse

Faseoverførselskatalyse (PTC) er en særlig form for heterogen katalyse og er kendt som en praktisk metode til organisk syntese. Ved at bruge en faseoverførselskatalysator bliver det muligt at opløse ioniske reaktanter, som ofte er opløselige i en vandig fase, men uopløselige i en organisk fase. Det betyder, at PTC er en alternativ løsning til at overvinde heterogenitetsproblemet i en reaktion, hvor vekselvirkningen mellem to stoffer, der befinder sig i forskellige faser i en blanding, hæmmes, fordi reagenserne ikke kan komme i kontakt med hinanden. (Esen et al. 2010) Generelle fordele ved faseoverførselskatalyse er det beskedne forberedelsesarbejde, enkle forsøgsprocedurer, milde reaktionsbetingelser, høje reaktionshastigheder, høj selektivitet, brugen af billige og miljøvenlige reagenser, såsom kvaternære ammoniumsalte, og opløsningsmidler samt muligheden for at gennemføre fremstilling i stor skala (Ooi et al. 2007).
En række væske–væske- og væske–faststofreaktioner er blevet intensiveret og gjort selektive ved hjælp af enkle faseoverførselskatalysatorer (PT), såsom kvaternære ammoniumforbindelser, polyethylenglycol-400 osv., som gør det muligt at transportere ioniske arter fra den vandige fase til den organiske fase. Dermed kan problemerne forbundet med de organiske reaktanters ekstremt lave opløselighed i den vandige fase overvindes. I pesticid- og lægemiddelindustrien anvendes PTC i vid udstrækning og har ændret de grundlæggende forretningsvilkår. (Sharma 2002)

Ultralyd med høj effekt

Anvendelsen af ultralyd med høj effekt er en velkendt metode til at skabe ekstremt fine emulsioner. Inden for kemi bruges sådanne ekstremt fine emulsioner til at fremme kemiske reaktioner. Det betyder, at kontaktarealet ved grænsefladen mellem to eller flere ikke-blandbare væsker øges drastisk og dermed giver et bedre, mere fuldstændigt og/eller hurtigere reaktionsforløb.
Ved faseoverførselskatalyse – ligesom ved andre kemiske reaktioner – kræves der tilstrækkelig kinetisk energi til at starte reaktionen.
Dette har forskellige positive virkninger på den kemiske reaktion:

• En kemisk reaktion, der normalt ikke vil finde sted på grund af sin lave kinetiske energi, kan igangsættes ved sonikering.
• Kemiske reaktioner kan accelereres ved ultralydsassisteret PTC.
• Fuldstændig undgåelse af faseoverførselskatalysator.
• Råmaterialer kan udnyttes mere effektivt.
• Biprodukter kan reduceres.
• Erstatning af en dyr, farlig, stærk base med en billig uorganisk base.

Disse virkninger gør PTC til en uvurderlig kemisk metode til organisk syntese ud fra to eller flere ikke-blandbare reaktanter: Faseoverførselskatalyse (PTC) gør det muligt at udnytte råmaterialer i kemiske processer mere effektivt og producere mere omkostningseffektivt. Fremme af kemiske reaktioner ved hjælp af PTC er et vigtigt redskab til kemisk produktion, som kan forbedres drastisk ved brug af ultralyd.

Eksempler på ultralydsfremmede PTC-reaktioner

• Syntese af nye N’-(4,6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thiourea-derivater ved hjælp af PEG-400 under sonikering. (Ken et al. 2005)
• Den ultralydsassisterede syntese af mandelsyre ved PTC i en ionisk væske viser en betydelig stigning i reaktionsudbytterne under omgivelsesbetingelser. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) rapporterer om ultralydsassisteret C-alkylering af phenylacetonitril i et opløsningsmiddelfrit miljø. Ultralydens reaktionsfremmende virkning blev tilskrevet det ekstremt store grænsefladeareal mellem de to væskefaser. Sonikering giver en meget højere reaktionshastighed end mekanisk blanding.
• Sonikering under reaktionen mellem carbontetrachlorid og magnesium til dannelse af dichlorcarben giver et større udbytte af gem-dichlorcyclopropan i nærvær af olefiner. (Lin et al. 2003)
• Ultralyd accelererer Cannizzaro-reaktionen af  p-chlorbenzaldehyd under faseoverførselsbetingelser. Af tre faseoverførselskatalysatorer – benzyltriethylammoniumchlorid (TEBA), Aliquat og 18-crown-6 – som blev testet af Polácková et al. (1996), viste TEBA sig at være den mest effektive. Ferrocencarbaldehyd og  p-dimethylaminobenzaldehyd gav under lignende betingelser 1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-oner som hovedprodukt.
• Lin-Xiao et al. (1987) har vist, at kombinationen af sonikering og PTC effektivt fremmer dannelsen af dichlorcarben fra chloroform på kortere tid med bedre udbytte og en mindre mængde katalysator.
• Yang et al. (2012) har undersøgt den grønne, ultralydsassisterede syntese af benzyl-4-hydroxybenzoat ved hjælp af 4,4′-bis(tributylammoniomethyl)-1,1′-biphenyl dichloride (QCl₂) som katalysator. Ved brug af QCl₂ har de udviklet en ny faseoverførselskatalyse med to aktive centre. Denne faststof–væske-faseoverførselskatalyse (SLPTC) blev udført som en batchproces med sonikering. Under intens sonikering blev 33% af det tilsatte Q2+, som indeholdt 45,2% Q(Ph(OH)COO)₂ , overført til den organiske fase for at reagere med benzylbromid, hvorved den samlede reaktionshastighed blev øget. Denne forbedrede reaktionshastighed blev opnået ved 0,106 min^-1 under ultralydsbestråling på 300W, mens en hastighed på 0,0563 min^-1 blev observeret uden sonikering. Dermed er den synergistiske virkning af en faseoverførselskatalysator med to aktive centre og ultralyd ved faseoverførselskatalyse blevet påvist.

Ultralydsforstærkning af asymmetrisk faseoverførselsreaktion

Med det formål at etablere en praktisk metode til asymmetrisk syntese af a-aminosyrer og deres derivater undersøgte Maruoka og Ooi (2007), “om reaktiviteten af N-spiro-chirale kvaternære ammoniumsalte kunne øges, og deres strukturer forenkles. Da ultralydsbestråling frembringer homogenisering, det vil sige meget fine emulsioner, øger den i høj grad det grænsefladeareal, hvor reaktionen kan finde sted, hvilket kunne give en væsentlig hastighedsforøgelse i væske–væske-faseoverførselsreaktionerne. Sonikering af reaktionsblandingen af 2, methyliodid og (S,S)-naphthyl-underenheden (1 mol%) i toluen/50% vandig KOH ved 0 degC i 1 h gav faktisk det tilsvarende alkyleringsprodukt med et udbytte på 63% og 88%ee; det kemiske udbytte og enantioselektiviteten var sammenlignelige med dem fra en reaktion udført ved simpel omrøring af blandingen i otte timer (0 degC, 64%, 90%ee).” (Maruoka et al. 2007; s. 4229)

En anden reaktionstype inden for asymmetrisk katalyse er Michael-reaktionen. Michael-additionen af diethyl N-acetyl-aminomalonat til chalcon påvirkes positivt af sonikering, hvilket giver en stigning i udbyttet på 12% (fra 72% opnået under reaktionen uden ultralyd op til 82% under sonikering). Reaktionen forløber seks gange hurtigere med hensyn til reaktionstid under ultralyd med høj effekt sammenlignet med reaktionen uden ultralyd. Det enantiomere overskud (ee) ændrede sig ikke og var for begge reaktioner – med og uden ultralyd – på 40%ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) påviste, at Michael-reaktionen mellem chalconer som acceptorer og forskellige aktive methylenforbindelser som donorer, såsom diethylmalonat, nitromethan, cyclohexanon, ethylacetoacetat og acetylacetone, katalyseret af KF/basisk aluminiumoxid giver addukter i højt udbytte på kortere tid under ultralydsbestråling. I en anden undersøgelse har Li et al. (2002) vist en vellykket ultralydsassisteret syntese af chalconer katalyseret af KF-Al₂O₃.
De ovennævnte PTC-reaktioner viser kun en lille del af ultralydsbestrålingens potentiale og muligheder.
Afprøvning og evaluering af ultralyd med henblik på mulige forbedringer af PTC er meget enkle. Ultralydsapparater til laboratorier, såsom Hielschers UP200Ht (200 watt), og bordmodeller, såsom Hielschers UIP1000hd (1000 watt), gør det muligt at udføre indledende forsøg. (se billede 1 og 2)

Effektiv produktion, der kan konkurrere på kemikaliemarkedet

Ved at bruge ultralydsbaseret faseoverførselskatalyse får du gavn af en eller flere af de forskellige fordele:

• igangsættelse af reaktioner, som ellers ikke er gennemførlige
• øget udbytte
• reduceret brug af dyre, vandfrie, aprotiske opløsningsmidler
• kortere reaktionstid
• lavere reaktionstemperaturer
• forenklet forberedelse
• brug af alkalimetal i vandigt medium i stedet for alkalimetalalkoxider, natriumamid, natriumhydrid eller metallisk natrium
• brug af billigere råmaterialer, især oxidationsmidler
• ændring af selektiviteten
• ændring af produktforholdene (f.eks. O-/C-alkylering)
• forenklet isolering og oprensning
• øget udbytte ved at undertrykke sidereaktioner
• enkel, lineær opskalering til industrielt produktionsniveau, selv ved meget høj gennemløbskapacitet