Klickchemie – Wie sich Klickreaktionen durch Beschallung verbessern lassen
Klickchemische Reaktionen wie die kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) können erheblich vom Einsatz von Leistungsultraschall profitieren. Sonochemische Effekte steigern die Ausbeute und die Umsatzrate. Darüber hinaus wird die Gesamteffizienz klickchemischer Reaktionen verbessert. Als Verfahren der grünen Chemie trägt die Ultraschallbehandlung zu effizienteren und umweltfreundlicheren chemischen Reaktionen bei.
Ultraschallunterstützte kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition
Die kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) gilt als das wichtigste und bekannteste Beispiel klickchemischer Reaktionen. Cravotto und Kollegen von der Universität Turin (Italien) haben ein Protokoll für eine ultraschallunterstützte 1,3-dipolare Cycloaddition von Aziden und Alkinen unter Verwendung von metallischem Kupfer (Cu) als Katalysator entwickelt. Die Azidogruppe geht diese Art organischer Reaktion leicht ein. Die Fähigkeit der Azidogruppe zur Kopplung mit Alkinen wird in Gegenwart von Cu(I) wesentlich verbessert, und die Beschallung fördert die Klickreaktion.
Durch Ultraschall durchmischter Reaktor mit dem Ultraschallgerät UP200St zur Intensivierung chemischer Reaktionen in der Klickchemie.
- verbesserte Kopplungsfähigkeit
- höhere Ausbeuten
- schnellere Reaktion
- verbesserte Reaktionskinetik
- grüne Chemie
- einfache und sichere Bedienung
Sonochemisch unterstützte Klickchemie: Die kupferkatalysierte Cycloaddition mit Phenylacetylen wird durch Ultraschallbehandlung verbessert.
(Studie und Grafik: © Cintas et al., 2010)
Vorteile sonochemischer Reaktionen
Die Ultraschallsynthese (Sonosynthese) hat sich aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile zu einem der besonders geschätzten Verfahren zur Prozessintensivierung in der Chemie entwickelt. Sonochemisch unterstützte Reaktionen sind herkömmlichen Verfahren mit Rühren oder Wärmezufuhr hinsichtlich Reaktionsgeschwindigkeit, Ausbeute, einfacher Durchführung, Produktreinheit, Energieeffizienz usw. überlegen. Es ist wissenschaftlich nachgewiesen, dass der Einsatz von Leistungsultraschall chemische Reaktionen fördern sowie die Reaktionszeit verkürzen und unerwünschte Nebenreaktionen verringern kann. Als alternative grüne Energiequelle macht die Beschallung viele chemische Reaktionen umweltfreundlicher, da weniger Reaktanten, mildere Lösungsmittel und weniger Energie benötigt werden.
Sonochemische kupferkatalysierte organische Reaktionen
Die vorteilhaften Auswirkungen von Ultraschall und Sonochemie auf Reaktionen unter Beteiligung von Metallen sind bekannt. Die Beschallung fördert die mechanische Entfernung passivierender Schichten und verbessert sowohl den Stofftransport als auch den Elektronentransfer vom Metall zum organischen Akzeptor.
Die ultraschallunterstützte Klicksynthese wurde zur Herstellung eines breiten Spektrums 1,4-disubstituierter 1,2,3-Triazolderivate eingesetzt, wobei sowohl kleine Moleküle als auch Oligomere wie Cyclodextrine (CDs) als Ausgangsstoffe dienten. Mit diesem effizienten und umweltfreundlicheren Protokoll lassen sich alle Addukte in 2–4 h synthetisieren (einschließlich Aufarbeitung, ohne Charakterisierung). Es wurde gezeigt, dass die Klickchemie Chemie und Biologie unmittelbar miteinander verbinden kann und damit eine wahrhaft interdisziplinäre Reaktion mit äußerst breiten Anwendungsmöglichkeiten darstellt.
(vgl. Cintas et al., 2010)
Ein geschlossener Ultraschallreaktor für sonochemische Reaktionen, z. B. in der Klickchemie.
Zeitsparende Klickchemie durch ultraschallbeschleunigte Reaktionskinetik
Der Einsatz von Ultraschall kann langsame chemische Reaktionen beschleunigen, die im Batchbetrieb normalerweise mehrere Stunden dauern. Durch eine deutlich verbesserte Reaktionskinetik lässt sich die Reaktionszeit auf wenige Minuten verkürzen. Der Einsatz eines Ultraschall-Durchflussreaktors kann die Ausbeuten erheblich steigern, Zeit einsparen und damit eine hohe Effizienz bei Synthesen ermöglichen, die mit herkömmlichen Verfahren langsam ablaufen.
Hochleistungs-Ultraschallgeräte für sonochemisch unterstützte Klickreaktionen
Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt leistungsstarke Ultraschallgeräte mit Sonotroden, sonochemische Reaktoren und Zubehör für anspruchsvolle sonochemische Prozesse. Mit Ultraschallprozessoren im Leistungsbereich von 50 Watt bis 16.000 Watt pro Sonotrode (Ultraschallhorn) kann Hielscher Ihnen die am besten geeignete sonochemische Ausstattung für Ihre chemische Reaktion anbieten.
Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit bekannt. Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte, die sich durch modernste Technologie und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Durchfluss | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 bis 150L | 3 bis 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fertigt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab.
Literatur / Quellen
- Cintas, Pedro; Barge, Alessandro; Tagliapietra, Silvia; Boffa, Luisa; Cravotto, Giancarlo (2010): Alkyne-azide click reaction catalyzed by metallic copper under ultrasound. Nature Protocols 5, 2010. 607-16.
- El-bendary, M.M.; Saleh, T.S.; Al-Bogami, A.S. (2018): Ultrasound Assisted High-Throughput Synthesis of 1,2,3-Triazoles Libraries: A New Strategy for “Click” Copper-Catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition Using Copper(I/II) as a Catalyst. Catalysis Letters 148, 2018. 3797–3810.
- Nobel Prize Committee: The click reaction that changed chemistry.
- Andrijana Mescic; Anita Salic; Tomislav Gregoric; Bruno Zelic; Silvana Raic- Malic (2017): Continuous flow-ultrasonic synergy in click reactions for the synthesis of novel 1,2,3-triazolyl appended 4,5-unsaturated l-ascorbic acid derivatives. RSC Advances 7, 2017. 791-800.
- Salvatore Marullo, Francesca D’Anna, Carla Rizzo, Renato Noto, (2015): The ultrasounds–ionic liquids synergy on the copper catalyzed azide–alkyne cycloaddition between phenylacetylene and 4-azidoquinoline. Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 23, 2015. 317-323.
- Arafa, Wael & Nayl, A.A. (2019): Water as a solvent for Ru‐catalyzed click reaction: Highly efficient recyclable catalytic system for triazolocoumarins synthesis. Applied Organometallic Chemistry 2019.
Wissenswertes
Klickchemie mit dem Nobelpreis für Chemie 2022 ausgezeichnet
Die Klickchemie, deren Begriff Sharpless und seine Mitarbeiter im Jahr 2001 prägten, ist ein Konzept für eine Klasse nahezu perfekter Reaktionen. Diese sind hocheffektiv, weisen eine hohe Atomökonomie auf, sind breit einsetzbar und stereospezifisch (aber nicht notwendigerweise enantioselektiv). Sie erzeugen ausschließlich unbedenkliche Nebenprodukte, die sich leicht entfernen lassen, und erfordern lediglich einfache Reaktionsbedingungen sowie leicht verfügbare Reaktanten und einfache Verfahren zur Produktisolierung.
Hielscher Ultrasonics fertigt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Industriemaßstab.