Durch Sonikation geförderte organokatalytische Reaktionen

In der organischen Chemie ist die Organokatalyse eine Form der Katalyse, bei der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch einen organischen Katalysator erhöht wird. Diese „Organokatalysator“ besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und anderen nichtmetallischen Elementen, die in organischen Verbindungen vorkommen. Die Anwendung von Hochleistungsultraschall auf chemische Systeme ist als Sonochemie bekannt und eine bewährte Technik zur Erhöhung der Ausbeute, Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit und Beschleunigung der Reaktion. Durch die Beschallung ist es oft möglich, chemische Wege zu wechseln, um unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Die Sonochemie kann organokatalytische Reaktionen fördern und sie effizienter und umweltfreundlicher machen.

Asymmetrische Organokatalyse – Verbessert durch Sonikation

Die Sonochemie, die Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall in chemischen Systemen, kann organokatalytische Reaktionen erheblich verbessern. Die asymmetrische Organokatalyse in Verbindung mit Ultraschall ermöglicht häufig die Umwandlung der Organokatalyse in einen umweltfreundlicheren Weg und fällt damit unter den Begriff der grünen Chemie. Die Beschallung beschleunigt die (asymmetrische) organokatalytische Reaktion und führt zu höheren Ausbeuten, schnelleren Umsetzungsraten, einer einfacheren Produktisolierung/-aufreinigung und einer verbesserten Selektivität und Reaktivität. Neben der Verbesserung der Reaktionskinetik und der Ausbeute kann die Ultraschallbehandlung häufig mit nachhaltigen Reaktionslösungsmitteln kombiniert werden, z. B. mit ionischen Flüssigkeiten, tief eutektischen Lösungsmitteln, milden, ungiftigen Lösungsmitteln und Wasser. Dadurch verbessert die Sonochemie nicht nur die (asymmetrische) organokatalytische Reaktion selbst, sondern trägt auch zur Nachhaltigkeit der organokatalytischen Reaktionen bei.

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Ultrasonic probe for sonochemical initiation and acceleration of organocatalytic reaction with higher yields

Die Ultraschallbehandlung fördert organokatalytische Reaktionen, die zu verbesserten Umsetzungsraten, höherer Ausbeute und Selektivität führen.

Die Forschung hat vielfältige Beispiele für sonochemisch verstärkte oragnokatalytische Reaktionen gezeigt. So werden beispielsweise doppelsträngige DNA-Moleküle als chirales Gerüst verwendet, um Metall-Biomakromolekül-Hybridkatalysatoren für asymmetrische Synthesereaktionen zusammenzustellen. G-Quadruplex-DNA-basierte Katalysatoren wurden in asymmetrischen Michael-Additions-, Diels-Alder- und Friedel-Crafts-Reaktionen eingesetzt. (vgl. Zhao und Shen, 2018)
Bei der Inidium-geförderten Reaktion zeigt die Beschallung vorteilhafte Effekte, da die sonochemisch angetriebene Reaktion unter milderen Bedingungen abläuft und dadurch ein hohes Maß an Diastaselektion erhalten bleibt. Mit der sonochemischen Route wurden gute Ergebnisse bei der organokatalytischen Synthese von β-Lactam-Kohlenhydraten, β-Aminosäure und Spirodiketopiperazinen aus Zuckerlactonen sowie Allylierung und Reformatsky-Reaktionen an Oximethem erzielt.

Mit Ultraschall geförderte organokatalytische Wirkstoffsynthese

Rogozińska-Szymczak und Mlynarski (2014) berichten über die asymmetrische Michael-Addition von 4-Hydroxycumarin an α,β-ungesättigte Ketone auf Wasser ohne organische Co-Lösungsmittel – katalysiert durch organische primäre Amine und Sonikation. Durch den Einsatz von enantiomerenreinem (S,S)-Diphenylethylendiamin wird eine Reihe wichtiger pharmazeutisch aktiver Verbindungen in guter bis hervorragender Ausbeute (73-98%) und mit guten Enantioselektivitäten (bis zu 76% ee) durch ultraschallbeschleunigte Reaktionen hergestellt. Die Forscher stellen ein effizientes sonochemisches Protokoll für die "Feststoff-auf-Wasser"-Bildung des Antikoagulans Warfarin in beiden enantiomeren Formen vor. Diese umweltfreundliche organokatalytische Reaktion ist nicht nur skalierbar, sondern liefert auch das Zielmolekül in enantiomerisch reiner Form.

Ultrasonically promoted asymmetric Michael addition of 4-hydroxycoumarin to α,β-unsaturated ketones

Sonikation fördert die asymmetrische Michael-Addition von 4-Hydroxycumarin an α,β-ungesättigte Ketone auf Wasser ohne organische Co-Lösungsmittel.
Bild und Studie: ©Rogozińska-Szymczak und Mlynarski; 2014.

Sonochemische Epoxidierung von Terpenen

Charbonneau et al. (2018) haben die erfolgreiche Epoxidierung von Terpenen unter Beschallung demonstriert. Die konventionelle Epoxidierung erfordert die Verwendung eines Katalysators, aber mit Beschallung läuft die Epoxidierung als katalysatorfreie Reaktion ab.
Limonendioxid ist ein wichtiges Zwischenmolekül für die Entwicklung von biobasierten Polycarbonaten oder isocyanatfreien Polyurethanen. Die Sonikation ermöglicht die katalysatorfreie Epoxidierung von Terpenen innerhalb einer sehr kurzen Reaktionszeit – bei gleichzeitig sehr guten Ausbeuten. Um die Effektivität der Ultraschallepoxidierung zu demonstrieren, verglich das Forschungsteam die Epoxidierung von Limonen zu Limonendioxid unter Verwendung von in-situ erzeugtem Dimethyldioxiran als Oxidationsmittel sowohl unter konventioneller Rührung als auch unter Ultraschallbehandlung. Bei allen Beschallungsversuchen wurde die Hielscher UP50H (50W, 30kHz) Labor-Ultraschallgerät verwendet.

Terpene epoxidation is significantly faster and highly efficient when sonication is applied. Using ultrasound enables to runthe epoxidation reaction of terpenes as catalyst-free reaction.

Hocheffiziente sonochemische Epoxidierung von Terpenen (z. B. Limonendioxid, α-Pinenoxid, β-Pinenoxid, Triepoxid usw.) mit dem Ultraschallgerät UP50H
Bild und Studie: © Charbonneau et al., 2018

Die Zeit, die für die vollständige Umwandlung von Limonen in Limonendioxid mit 100 % Ausbeute unter Sonikation benötigt wurde, betrug nur 4,5 min bei Raumtemperatur. Im Vergleich dazu betrug die Zeit, die für eine 97%ige Ausbeute an Limonendioxid benötigt wurde, bei konventioneller Rührung mit einem Magnetrührer 1,5 h. Die Epoxidierung von α-Pinen wurde ebenfalls mit beiden Rührtechniken untersucht. Die Epoxidierung von α-Pinen zu α-Pinenoxid unter Beschallung benötigte nur 4 Minuten mit einer Ausbeute von 100 %, während die Reaktionszeit im Vergleich zur herkömmlichen Methode 60 Minuten betrug. Bei den anderen Terpenen wurde β-Pinen in nur 4 Minuten in β-Pinenoxid umgewandelt, während Farnesol in 8 Minuten 100 % des Triepoxids lieferte. Carveol, ein Limonenderivat, wurde mit einer Ausbeute von 98 % in Carveoldioxid umgewandelt. Bei der Epoxidierung von Carvon unter Verwendung von Dimethyldioxiran wurde in 5 Minuten 100 % 7,8-Carvonoxid gebildet.
Die Hauptvorteile der sonochemischen Terpenepoxidation sind die Umweltfreundlichkeit des Oxidationsmittels (grüne Chemie) sowie die erheblich verkürzte Reaktionszeit bei der Durchführung dieser Oxidation unter Ultraschallrührung. Mit dieser Epoxidierungsmethode konnte eine 100%ige Umwandlung von Limonen mit einer 100%igen Ausbeute an Limonendioxid in nur 4,5 Minuten erreicht werden, verglichen mit 90 Minuten bei herkömmlicher Rührung. Außerdem wurden im Reaktionsmedium keine Oxidationsprodukte von Limonen, wie Carvon, Carveol und Perrilylalkohol, gefunden. Die Epoxidierung von α-Pinen unter Ultraschall benötigte nur 4 Minuten und ergab 100 % α-Pinenoxid ohne Oxidation des Rings. Andere Terpene wie β-Pinen, Farnesol und Carveol wurden ebenfalls oxidiert, was zu sehr hohen Epoxidausbeuten führte.

Ultrasonically stirred reactor for sonochemical applications including organocatalysis, asymmetric reactions and many other.

Ultraschall-gerührter Reaktor mit dem Ultraschallgerät UP200St für verstärkte organokatalytische Reaktionen.

sonochemische Effekte

Acoustic cavitation as shown here at the Hielscher ultrasonicator UIP1500hdT is used to initiate and promote chemical reactions. Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1500hdT (1500W) ultrasonicator for sonochemical reactions.Als Alternative zu den klassischen Methoden wurden Protokolle auf der Grundlage der Sonochemie eingesetzt, um die Raten einer Vielzahl von Reaktionen zu erhöhen, was zu Produkten führt, die unter milderen Bedingungen mit einer erheblichen Verkürzung der Reaktionszeiten erzeugt werden. Diese Methoden werden als umweltfreundlicher und nachhaltiger beschrieben und sind mit einer größeren Selektivität und einem geringeren Energieverbrauch für die gewünschten Umwandlungen verbunden. Der Mechanismus solcher Methoden beruht auf dem Phänomen der akustischen Kavitation, die durch die Bildung, das Wachstum und den adiabatischen Kollaps von Blasen im flüssigen Medium einzigartige Druck- und Temperaturbedingungen hervorruft. Dieser Effekt verbessert den Stoffaustausch und erhöht die turbulente Strömung in der Flüssigkeit, was die chemischen Umwandlungen erleichtert. In unseren Studien hat der Einsatz von Ultraschall zur Herstellung von Verbindungen in kürzerer Reaktionszeit mit hoher Ausbeute und Reinheit geführt. Diese Eigenschaften haben die Zahl der in pharmakologischen Modellen bewerteten Verbindungen erhöht und dazu beigetragen, den Prozess der Hit-to-Lead-Optimierung zu beschleunigen.
Dieser hohe Energieeintrag kann nicht nur mechanische Effekte in heterogenen Prozessen verstärken, sondern auch neue Reaktivitäten hervorrufen, die zur Bildung unerwarteter chemischer Spezies führen. Was die Sonochemie so einzigartig macht, ist das bemerkenswerte Phänomen der Kavitation, das in einem lokal begrenzten Raum der Mikroblasenumgebung außergewöhnliche Effekte durch wechselnde Hoch-/Tiefdruckzyklen, sehr hohe Temperaturunterschiede, hohe Scherkräfte und Flüssigkeitsströmungen erzeugt.

Beispiele für asymmetrische Reaktionen mit Organokatalysatoren sind:

  • Asymmetrische Diels-Alder-Reaktionen
  • Asymmetrische Michael-Reaktionen
  • Asymmetrische Mannich-Reaktionen
  • Shi-Epoxidierung
  • Organokatalytische Transferhydrierung

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Ultrasonic reactors can significantly improve organocatalytic reactions such as the Mannich reaction.

Inline-Ultraschallsystem mit UIP2000hdT (2000W, 20kHz) für sonochemische Reaktionen, z. B. für verbesserte organokatalytische Reaktionen

Die Vorteile von sonochemisch geförderten organokatalytischen Reaktionen

Die Sonikation wird zunehmend in der organischen Synthese und Katalyse eingesetzt, da sonochemische Effekte eine erhebliche Intensivierung chemischer Reaktionen bewirken. Insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Methoden (z. B. Erhitzen, Rühren) ist die Sonochemie effizienter, bequemer und genau kontrollierbar. Sonikation und Sonochemie bieten mehrere wesentliche Vorteile wie höhere Ausbeuten, höhere Reinheit der Verbindungen und Selektivität, kürzere Reaktionszeiten, geringere Kosten sowie die Einfachheit in der Bedienung und Handhabung des sonochemischen Verfahrens. Diese vorteilhaften Faktoren machen ultraschallgestützte chemische Reaktionen nicht nur effizienter und sicherer, sondern auch umweltfreundlicher.
Es hat sich gezeigt, dass zahlreiche organische Reaktionen bei kürzerer Reaktionszeit und/oder unter milderen Bedingungen zu höheren Ausbeuten führen, wenn sie mit Hilfe der Beschallung durchgeführt werden.

Ultraschall ermöglicht einfache Ein-Topf-Reaktionen

Durch Beschallung können Mehrkomponentenreaktionen als Eintopfreaktionen eingeleitet werden, die die Synthese von strukturell vielfältigen Verbindungen ermöglichen. Solche Eintopfreaktionen werden wegen ihrer hohen Gesamteffizienz und ihrer Einfachheit geschätzt, da die Isolierung und Reinigung von Zwischenprodukten nicht erforderlich ist.

Die Auswirkungen von Ultraschallwellen auf asymmetrische organokatalytische Reaktionen wurden erfolgreich bei verschiedenen Reaktionstypen eingesetzt, darunter Phasentransferkatalysen, Heck-Reaktionen, Hydrierungen, Mannich-Reaktionen, Barbier- und Barbier-ähnliche Reaktionen, Diels-Alder-Reaktionen, Suzuki-Kupplungsreaktionen und Micheal-Addition.

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Hielscher Ultrasonics ist Ihr zuverlässiger Partner, wenn es um leistungsstarke und hochwertige Ultraschallgeräte geht. Hielscher entwickelt, fertigt und vertreibt modernste Ultraschallsonden, Reaktoren und Becherhörner für sonochemische Anwendungen. Alle Geräte werden nach ISO-zertifizierten Verfahren und mit deutscher Präzision in unserem Hauptsitz in Teltow (bei Berlin) hergestellt, um höchste Qualität zu gewährleisten.
Die Palette der Hielscher-Ultraschallgeräte reicht von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu vollindustriellen Ultraschallreaktoren für die chemische Großproduktion. Sonden (auch Sonotroden, Ultraschallhörner oder Spitzen genannt), Boosterhörner und Reaktoren sind in zahlreichen Größen und Geometrien erhältlich. Auch kundenspezifische Ausführungen können für Ihre Anforderungen gefertigt werden.
Seit Hielscher Ultrasonics‘ Ultraschallprozessoren sind in jeder Größe erhältlich, von kleinen Laborgeräten bis hin zu großen industriellen Prozessoren für Batch- und Durchfluss-Chemieanwendungen, so dass Hochleistungsbeschallung leicht in jeden Reaktionsaufbau integriert werden kann. Präzise Einstellung der Ultraschallamplitude – der wichtigste Parameter für sonochemische Anwendungen – ermöglicht es, Hielscher-Ultraschallgeräte bei niedrigen bis sehr hohen Amplituden zu betreiben und die Amplitude exakt auf die erforderlichen Ultraschall-Prozessbedingungen des jeweiligen chemischen Reaktionssystems abzustimmen.
Die Ultraschall-Generatoren von Hielscher verfügt über eine intelligente Software mit automatischer Datenprotokollierung. Alle wichtigen Verarbeitungsparameter wie Ultraschallenergie, Temperatur, Druck und Zeit werden automatisch auf einer eingebauten SD-Karte gespeichert, sobald das Gerät eingeschaltet wird.
Prozessüberwachung und Datenaufzeichnung sind wichtig für eine kontinuierliche Prozessstandardisierung und Produktqualität. Durch Zugriff auf die automatisch aufgezeichneten Prozessdaten können Sie frühere Beschallungsläufe revidieren und das Ergebnis auswerten.
Ein weiteres benutzerfreundliches Feature ist die Browser-Fernsteuerung unserer digitalen Ultraschallsysteme. Per Browser-Fernsteuerung können Sie Ihren Ultraschallprozessor von überall aus starten, stoppen, einstellen und überwachen.
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Warum Hielscher Ultrasonics?

  • hoher Wirkungsgrad
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  • CIP (Clean-in-Place)

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
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
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Was ist Organokatalyse?

Die Organokatalyse ist eine Art der Katalyse, bei der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch den Einsatz eines organischen Katalysators erhöht wird. Dieser Organokatalysator kann aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und anderen nichtmetallischen Elementen bestehen, die in organischen Verbindungen vorkommen. Die Organokatalyse bietet mehrere Vorteile. Da für organokatalytische Reaktionen keine Katalysatoren auf Metallbasis erforderlich sind, sind sie umweltfreundlicher und tragen somit zur grünen Chemie bei. Organokatalysatoren können oft billig und leicht hergestellt werden und ermöglichen umweltfreundlichere Synthesewege.

Asymmetrische Organokatalyse

Die asymmetrische Organokatalyse ist eine asymmetrische oder enantioselektive Reaktion, bei der nur ein Enantiomer des übergebenen Moleküls entsteht. Enantiomere sind Paare von Stereoisomeren, die chiral sind. Ein chirales Molekül lässt sich nicht mit seinem Spiegelbild überlagern, so dass das Spiegelbild tatsächlich ein anderes Molekül ist. Die Herstellung spezifischer Enantiomere ist beispielsweise bei der Herstellung von Arzneimitteln besonders wichtig, da oft nur ein Enantiomer eines Arzneimittelmoleküls eine bestimmte positive Wirkung hat, während das andere Enantiomer keine Wirkung zeigt oder sogar schädlich ist.


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Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.