Sonochemisch verbesserte Diels-Alder-Reaktionen

Diels-Alder-Reaktionen werden häufig für chemische Synthesen eingesetzt, bei denen Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen gebildet werden müssen. Die Ultraschallbehandlung und ihre sonochemischen Effekte fördern Diels-Alder-Reaktionen äußerst wirksam. Sie ermöglichen höhere Ausbeuten und deutlich kürzere Reaktionszeiten und sind zugleich Bestandteil einer umweltfreundlichen grünen Chemie.

Sonochemisch intensivierte Diels-Alder-Reaktion für die grüne Chemie

Diels-Alder-Reaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen gebildet werden. Die Diels-Alder-Reaktion gilt als thermisch erlaubte [4+2]-Cycloaddition [_π4_s + _π2_s]. Da die ultraschallunterstützte organische Synthese ein umweltfreundlicher und effizienter Syntheseweg ist, der Reaktionsgeschwindigkeiten, Ausbeuten und die Selektivität von Reaktionen erhöht, wird die Beschallung als einfache und zuverlässige Technik häufig in Laboren und in der industriellen Produktion eingesetzt. Der sonochemisch unterstützte Syntheseweg ermöglicht organische Umsetzungen häufig unter Umgebungsbedingungen, während andernfalls drastische Temperatur- und Druckbedingungen erforderlich wären. Dies spart Energiekosten und macht die chemische Synthese zu einem sichereren Verfahren.

Ultraschallunterstützte Diels-Alder-Reaktion mit tief eutektischen Lösungsmitteln

Tief eutektische Lösungsmittel (DES) sind Lösungen von Lewis- oder Brønsted-Säuren und -Basen, die ein eutektisches Gemisch bilden. Da tief eutektische Lösungsmittel nicht brennbar sind, einen niedrigen Dampfdruck und eine geringe Toxizität aufweisen und häufig aus natürlichen Verbindungen hergestellt werden, stellen sie eine sicherere und umweltfreundlichere Lösungsmittelalternative dar. Ultraschallbehandlung und tief eutektische Lösungsmittel wirken bekanntermaßen synergistisch zusammen und werden daher sowohl für chemische Synthesen als auch bei der Ultraschallextraktion eingesetzt. Auch bei ultraschallunterstützten Diels-Alder-Reaktionen ist der Einsatz tief eutektischer Lösungsmittel vorteilhaft. Beispielsweise wird die Beschallung zur Förderung der Diels-Alder-Reaktion mit N-Ethylmaleimid als Dienophil eingesetzt, wobei die Art des Diens in tief eutektischen Lösungsmitteln (DES) sowohl bei konventioneller Erwärmung als auch bei Ultraschallaktivierung variiert wird.
Die Ultraschallaktivierung in Kombination mit tief eutektischen Lösungsmitteln erwies sich als vorteilhaft und lieferte gute Ausbeuten bei drastisch verkürzten Reaktionszeiten.

Durch Ultraschall verbesserte Diels-Alder-Reaktion.
Reaktionsschema nach Marullo et al., 2020

Allgemeine Durchführung der Diels-Alder-Reaktion mit DES und Beschallung

Ultraschallunterstützte Diels-Alder-Reaktionen wurden durchgeführt, indem die Ultraschallsonotrode (Sonotrode / Horn) in das Reaktionsgefäß eingeführt wurde. Bei Verwendung einer Sonotrode mit einem Spitzendurchmesser von 0,5 cm betrug die nominale Ausgangsleistung 70 W. Die Reaktionen wurden bei 40°C unter Beschallung im Pulsbetrieb mit Zyklen von 5 sec EIN und 20 sec AUS durchgeführt. Die durch Ultraschall intensivierte Diels-Alder-Reaktion lieferte gute Ausbeuten in wesentlich kürzerer Zeit als ohne Beschallung (70 min für die sonochemische Reaktion bzw. 24 h für die Reaktion ohne Beschallung).
Zur Bewertung der Energieeffizienz der sonochemisch intensivierten Diels-Alder-Reaktion wurde der Energieverbrauch der Reaktion ohne Beschallung mit dem der ultraschallunterstützten Diels-Alder-Reaktion verglichen. Die Berechnungen ergaben einen Verbrauch von 35.094 kJ/g für die Reaktion ohne Beschallung und von 28,4 kJ/g für die ultraschallunterstützte Reaktion (Ultraschallsonotrode mit einer Ausgangsleistung von 70 W Nettoenergie). Daraus ergibt sich eine Energieeinsparung von 99% für die sonochemisch angetriebene Diels-Alder-Reaktion. All diese Beobachtungen deuten deutlich darauf hin, dass der kombinierte Einsatz tief eutektischer Lösungsmittel (DES) und Ultraschallbestrahlung eine effiziente und energiesparende Methode für wichtige Syntheseprozesse wie die Diels-Alder-Reaktion ist. (Marullo et al., 2020)

Die Wirkung verschiedener tief eutektischer Lösungsmittel in Kombination mit Beschallung

Die besten Ergebnisse für die ultraschallunterstützte Diels-Alder-Reaktion wurden erzielt, wenn die tief eutektischen Lösungsmittel [ChCl]:[Fru] und [TBACl]:[EG] als Lösungsmittel eingesetzt wurden. Der Einsatz von [ChCl]:[Fru] und [TBACl]:[EG] als Lösungsmittel führte zu deutlich kürzeren Reaktionszeiten sowie deutlich höheren Ausbeuten (für [TBACl]:[EG] 73% und 87% sowie für [ChCl]:[Fru] 23 und 75%, jeweils ohne Beschallung bzw. unter sonochemischen Bedingungen).
In einigen Fällen, nämlich wenn [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly] und [AcChCl]:[EG] als Lösungsmittel eingesetzt werden, sind die Ausbeuten mit denen ohne Beschallung vergleichbar; dennoch wird der chemische Prozess durch die Beschallung drastisch beschleunigt.
Die Beschallung funktioniert sehr gut mit viskosen Lösungsmitteln mit niedrigem Dampfdruck wie ionischen Flüssigkeiten (ILs), da diese Bedingungen die Entstehung intensiverer Kavitationseffekte begünstigen. Da tief eutektische Lösungsmittel ähnliche physikalische Eigenschaften wie ionische Flüssigkeiten aufweisen, eignen sie sich gut für den Einsatz in Verbindung mit Ultraschall. Das Zusammenwirken tief eutektischer Lösungsmittel (DES) und der Beschallung senkt den Energiebedarf der Diels-Alder-Reaktion erheblich. Es lassen sich deutliche Verkürzungen der Reaktionszeit von 24 h auf 70 min bei gleichzeitig sehr guten Ausbeuten beobachten. Hinsichtlich der Prozesseffizienz bedeutet dies, dass durch den kombinierten Einsatz tief eutektischer Lösungsmittel (DES) und Ultraschall die 10-fache Materialmenge gegenüber Bedingungen ohne Beschallung verarbeitet werden kann. (Marullo et al., 2020)

Ultraschallunterstützte Diels-Alder-Reaktion oxabicyclischer Alkene

Wei und Kollegen (2004) zeigten, dass die durch Ultraschall geförderte Diels-Alder-Reaktion substituierter Furane mit reaktiven Dienophilen wie Acetylendicarbonsäuredimethylester (DMAD) und Maleinsäuredimethylester funktionalisierte oxabicyclische Alkene in guten Ausbeuten lieferte. Die ultraschallunterstützte regiospezifische Diels-Alder-Cycloaddition von 2-Vinylfuranen mit DMAD lieferte funktionalisierte oxabicyclische Alkene in guter Ausbeute.

Sonochemisch verbesserte Cycloadditionsreaktionen

Bravo und Kollegen (2006) beschrieben eine Reihe sonochemischer Cycloadditionen von Cyclopentadien oder 1,3-Cyclohexadien mit carbonylhaltigen Dienophilen in einer ionischen Flüssigkeit auf Imidazoliumbasis als Reaktionsmedium. Sie zeigten, dass die Ultraschallbehandlung diese Cycloadditionsreaktionen wirksam verbessert und gegenüber den entsprechenden Reaktionen ohne Beschallung zu höheren Ausbeuten und/oder kürzeren Reaktionszeiten führt. Bei einfachen α,β-ungesättigten Dienophilen wie Methylvinylketon oder Acrolein sind die Auswirkungen der Ultraschallaktivierung deutlich erkennbar. Beispielsweise liefert Methylvinylketon innerhalb von 1 h bei milder Beschallung eine Ausbeute von 89%, während die Reaktion ohne Beschallung innerhalb derselben Reaktionszeit nur 52% ergab.

Ultraschallgeräte in jeder Größe für sonochemisch geförderte Diels-Alder-Reaktionen

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren mit Sonotrode und sonochemische Geräte zur Integration in chemische Systeme, beispielsweise für Synthese- und Katalysereaktionen. Ultraschallgeräte von Hielscher werden weltweit als zuverlässige Werkzeuge eingesetzt, um chemische Reaktionen zu fördern, zu intensivieren, zu beschleunigen und zu verbessern.
Die Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics sind in jeder Größe erhältlich, von kleinen Laborgeräten bis hin zu großen Industrieprozessoren für Anwendungen in der Batch- und Durchflusschemie. Die präzise Einstellung der Ultraschallamplitude – des wichtigsten Parameters für sonochemische Anwendungen – ermöglicht den Betrieb der Ultraschallgeräte von Hielscher bei niedrigen bis sehr hohen Amplituden und die exakte Feinabstimmung der Amplitude auf die erforderlichen Ultraschallprozessbedingungen des jeweiligen chemischen Reaktionssystems.
Die Ultraschallgeneratoren von Hielscher verfügen über eine intelligente Software mit automatischer Datenprotokollierung. Alle wichtigen Prozessparameter wie Ultraschallenergie, Temperatur, Druck und Zeit werden automatisch auf einer integrierten SD-Karte gespeichert, sobald das Gerät eingeschaltet wird.
Prozessüberwachung und Datenaufzeichnung sind wichtig für eine kontinuierliche Prozessstandardisierung und die Produktqualität. Durch den Zugriff auf die automatisch aufgezeichneten Prozessdaten können Sie frühere Beschallungsdurchläufe überprüfen und die Ergebnisse bewerten.
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