Οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις που προάγονται με κατεργασία με υπερήχους

Στην οργανική χημεία, η οργανοκατάλυση είναι μια μορφή κατάλυσης στην οποία η ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης αυξάνεται μέσω ενός οργανικού καταλύτη. Αυτός ο «οργανοκαταλύτης» αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο, θείο και άλλα μη μεταλλικά στοιχεία που απαντούν σε οργανικές ενώσεις. Η εφαρμογή υπερήχων υψηλής ισχύος σε χημικά συστήματα είναι γνωστή ως ηχοχημεία και αποτελεί μια καθιερωμένη τεχνική για την αύξηση των αποδόσεων, τη βελτίωση των ρυθμών αντίδρασης και την επιτάχυνση των αντιδράσεων. Με την κατεργασία με υπερήχους, συχνά καθίσταται δυνατή η αλλαγή των χημικών οδών, αποφεύγοντας ανεπιθύμητα παραπροϊόντα. Η ηχοχημεία μπορεί να προάγει τις οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις, καθιστώντας τες πιο αποδοτικές και φιλικές προς το περιβάλλον.

Ασύμμετρη οργανοκατάλυση – Βελτίωση με κατεργασία με υπερήχους

Η ηχοχημεία, δηλαδή η εφαρμογή υπερήχων υψηλής απόδοσης σε χημικά συστήματα, μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις. Η ασύμμετρη οργανοκατάλυση σε συνδυασμό με την κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει συχνά τη μετατροπή της οργανοκατάλυσης σε μια πιο φιλική προς το περιβάλλον οδό, εντάσσοντάς την έτσι στην έννοια της πράσινης χημείας. Η κατεργασία με υπερήχους επιταχύνει την (ασύμμετρη) οργανοκαταλυτική αντίδραση και οδηγεί σε υψηλότερες αποδόσεις, ταχύτερους ρυθμούς μετατροπής, ευκολότερη απομόνωση/καθαρισμό του προϊόντος και βελτιωμένη εκλεκτικότητα και δραστικότητα. Εκτός από τη συμβολή της στη βελτίωση της κινητικής και της απόδοσης της αντίδρασης, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί συχνά να συνδυαστεί με βιώσιμους διαλύτες αντίδρασης, όπως ιοντικά υγρά, βαθέως ευτηκτικούς διαλύτες, ήπιους, μη τοξικούς διαλύτες και νερό. Με αυτόν τον τρόπο, η ηχοχημεία όχι μόνο βελτιώνει την ίδια την (ασύμμετρη) οργανοκαταλυτική αντίδραση, αλλά συμβάλλει και στη βιωσιμότητα των οργανοκαταλυτικών αντιδράσεων.

Η έρευνα έχει αναδείξει πολυάριθμα παραδείγματα οργανοκαταλυτικών αντιδράσεων που εντατικοποιούνται ηχοχημικά. Για παράδειγμα, δίκλωνα μόρια DNA χρησιμοποιούνται ως χειρόμορφος σκελετός για τη συναρμολόγηση υβριδικών καταλυτών μετάλλου–βιομακρομορίου για αντιδράσεις ασύμμετρης σύνθεσης. Καταλύτες που βασίζονται σε G-τετραπλό DNA έχουν εφαρμοστεί σε ασύμμετρη προσθήκη Michael και σε αντιδράσεις Diels-Alder και Friedel-Crafts. (πρβλ. Zhao και Shen, 2018)
Για την αντίδραση που προάγεται από inidium, η κατεργασία με υπερήχους παρουσιάζει ευεργετικές επιδράσεις, καθώς η ηχοχημικά υποβοηθούμενη αντίδραση πραγματοποιείται υπό ηπιότερες συνθήκες, διατηρώντας έτσι υψηλά επίπεδα διαστερεοεκλεκτικότητας. Με τη χρήση της ηχοχημικής οδού επιτεύχθηκαν καλά αποτελέσματα στην οργανοκαταλυτική σύνθεση β-λακταμικών υδατανθράκων, β-αμινοξέος και σπειροδικετοπιπεραζινών από λακτόνες σακχάρων, καθώς και σε αντιδράσεις αλλυλίωσης και Reformatsky σε αιθέρες οξιμών.

Οργανοκαταλυτική σύνθεση φαρμάκων που προάγεται με υπερήχους

Οι Rogozińska-Szymczak και Mlynarski (2014) αναφέρουν την ασύμμετρη προσθήκη Michael της 4-υδροξυκουμαρίνης σε α,β-ακόρεστες κετόνες πάνω σε νερό, χωρίς οργανικούς συνδιαλύτες – με κατάλυση από οργανικές πρωτοταγείς αμίνες και κατεργασία με υπερήχους. Η χρήση εναντιομερικά καθαρής (S,S)-διφαινυλαιθυλενοδιαμίνης παρέχει μια σειρά σημαντικών φαρμακολογικά δραστικών ενώσεων με καλές έως εξαιρετικές αποδόσεις (73–98%) και καλή εναντιοεκλεκτικότητα (έως 76% ee), μέσω αντιδράσεων που επιταχύνονται με υπερήχους. Οι ερευνητές παρουσιάζουν ένα αποδοτικό ηχοχημικό πρωτόκολλο για τον σχηματισμό του αντιπηκτικού βαρφαρίνη και στις δύο εναντιομερείς μορφές, με «στερεά πάνω σε νερό». Αυτή η φιλική προς το περιβάλλον οργανοκαταλυτική αντίδραση όχι μόνο μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγαλύτερη κλίμακα, αλλά παρέχει επίσης το μόριο του φαρμάκου-στόχου σε εναντιομερικά καθαρή μορφή.

Ηχοχημική εποξείδωση τερπενίων

Οι Charbonneau et al. (2018) κατέδειξαν την επιτυχή εποξείδωση τερπενίων υπό κατεργασία με υπερήχους. Η συμβατική εποξείδωση απαιτεί τη χρήση καταλύτη, αλλά με την κατεργασία με υπερήχους η εποξείδωση πραγματοποιείται ως αντίδραση χωρίς καταλύτη.
Το διοξείδιο του λιμονενίου είναι ένα βασικό ενδιάμεσο μόριο για την ανάπτυξη πολυανθρακικών βιολογικής προέλευσης ή πολυουρεθανών χωρίς ισοκυανικά. Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την εποξείδωση τερπενίων χωρίς καταλύτη εντός πολύ σύντομου χρόνου αντίδρασης – παρέχοντας ταυτόχρονα πολύ καλές αποδόσεις. Για να καταδείξει την αποτελεσματικότητα της εποξείδωσης με υπερήχους, η ερευνητική ομάδα συνέκρινε την εποξείδωση του λιμονενίου προς διοξείδιο του λιμονενίου, χρησιμοποιώντας διμεθυλοδιοξιράνιο που παραγόταν επιτόπου ως οξειδωτικό μέσο, τόσο υπό συμβατική ανάδευση όσο και υπό κατεργασία με υπερήχους. Για όλες τις δοκιμές κατεργασίας με υπερήχους ο εργαστηριακός επεξεργαστής υπερήχων Hielscher UP50H (50W, 30kHz) χρησιμοποιήθηκε.

Ο χρόνος που απαιτήθηκε για την πλήρη μετατροπή του λιμονενίου σε διοξείδιο του λιμονενίου με απόδοση 100% υπό κατεργασία με υπερήχους ήταν μόλις 4,5 min σε θερμοκρασία δωματίου. Συγκριτικά, όταν χρησιμοποιείται συμβατική ανάδευση με μαγνητικό αναδευτήρα, ο απαιτούμενος χρόνος για την επίτευξη απόδοσης 97% σε διοξείδιο του λιμονενίου ήταν 1,5 h. Η εποξείδωση του α-πινενίου έχει επίσης μελετηθεί με τη χρήση και των δύο τεχνικών ανάδευσης. Η εποξείδωση του α-πινενίου προς οξείδιο του α-πινενίου υπό κατεργασία με υπερήχους απαίτησε μόλις 4 min, με επιτευχθείσα απόδοση 100%, ενώ, συγκριτικά, με τη συμβατική μέθοδο ο χρόνος αντίδρασης ήταν 60 min. Όσον αφορά άλλα τερπένια, το β-πινένιο μετατράπηκε σε οξείδιο του β-πινενίου σε μόλις 4 min, ενώ η φαρνεσόλη έδωσε το τριεποξείδιο με απόδοση 100% σε 8 min. Η καρβεόλη, ένα παράγωγο του λιμονενίου, μετατράπηκε σε διοξείδιο της καρβεόλης με απόδοση 98%. Στην αντίδραση εποξείδωσης της καρβόνης με τη χρήση διμεθυλοδιοξιρανίου, η μετατροπή ήταν 100% σε 5 min, παράγοντας οξείδιο της 7,8-καρβόνης.
Τα κύρια πλεονεκτήματα της ηχοχημικής εποξείδωσης τερπενίων είναι ο φιλικός προς το περιβάλλον χαρακτήρας του οξειδωτικού μέσου (πράσινη χημεία), καθώς και ο σημαντικά μειωμένος χρόνος αντίδρασης κατά την εκτέλεση αυτής της οξείδωσης υπό ανάδευση με υπερήχους. Αυτή η μέθοδος εποξείδωσης επέτρεψε την επίτευξη μετατροπής του λιμονενίου κατά 100%, με απόδοση 100% σε διοξείδιο του λιμονενίου, σε μόλις 4,5 min, σε σύγκριση με 90 min όταν χρησιμοποιείται παραδοσιακή ανάδευση. Επιπλέον, δεν βρέθηκαν στο μέσο αντίδρασης προϊόντα οξείδωσης του λιμονενίου, όπως καρβόνη, καρβεόλη και αλκοόλη perrilyl. Η εποξείδωση του α-πινενίου υπό υπερήχους απαίτησε μόλις 4 min, δίνοντας οξείδιο του α-πινενίου με απόδοση 100% χωρίς οξείδωση του δακτυλίου. Άλλα τερπένια, όπως το β-πινένιο, η φαρνεσόλη και η καρβεόλη, έχουν επίσης οξειδωθεί, οδηγώντας σε πολύ υψηλές αποδόσεις εποξειδίων.

Ηχοχημικές επιδράσεις

Ως εναλλακτική λύση στις κλασικές μεθόδους, έχουν χρησιμοποιηθεί πρωτόκολλα βασισμένα στην ηχοχημεία για την αύξηση της ταχύτητας μιας μεγάλης ποικιλίας αντιδράσεων, με αποτέλεσμα την παραγωγή προϊόντων υπό ηπιότερες συνθήκες και με σημαντική μείωση των χρόνων αντίδρασης. Οι μέθοδοι αυτές έχουν περιγραφεί ως πιο φιλικές προς το περιβάλλον και βιώσιμες και συνδέονται με μεγαλύτερη εκλεκτικότητα και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας για τους επιθυμητούς μετασχηματισμούς. Ο μηχανισμός αυτών των μεθόδων βασίζεται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης, το οποίο δημιουργεί μοναδικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας μέσω του σχηματισμού, της ανάπτυξης και της αδιαβατικής κατάρρευσης φυσαλίδων στο υγρό μέσο. Αυτό το φαινόμενο βελτιώνει τη μεταφορά μάζας και αυξάνει την τυρβώδη ροή στο υγρό, διευκολύνοντας τους χημικούς μετασχηματισμούς. Στις μελέτες μας, η χρήση υπερήχων έχει οδηγήσει στην παραγωγή ενώσεων σε μειωμένους χρόνους αντίδρασης, με υψηλές αποδόσεις και καθαρότητα. Τα χαρακτηριστικά αυτά έχουν αυξήσει τον αριθμό των ενώσεων που αξιολογούνται σε φαρμακολογικά μοντέλα, συμβάλλοντας στην επιτάχυνση της διαδικασίας βελτιστοποίησης από αρχικές δραστικές ενώσεις σε ενώσεις-οδηγούς.
Αυτή η εισαγωγή υψηλής ενέργειας μπορεί όχι μόνο να ενισχύσει τα μηχανικά φαινόμενα σε ετερογενείς διεργασίες, αλλά είναι επίσης γνωστό ότι προκαλεί νέες μορφές αντιδραστικότητας που οδηγούν στον σχηματισμό μη αναμενόμενων χημικών ειδών. Αυτό που καθιστά την ηχοχημεία μοναδική είναι το αξιοσημείωτο φαινόμενο της σπηλαίωσης, το οποίο δημιουργεί, σε έναν τοπικά περιορισμένο χώρο του περιβάλλοντος των μικροφυσαλίδων, εξαιρετικά φαινόμενα λόγω εναλλασσόμενων κύκλων υψηλής πίεσης / χαμηλής πίεσης, πολύ μεγάλων διαφορών θερμοκρασίας, ισχυρών δυνάμεων διάτμησης και ροής του υγρού.

Τα πλεονεκτήματα των οργανοκαταλυτικών αντιδράσεων που προάγονται ηχοχημικά

Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην οργανική σύνθεση και την κατάλυση, καθώς τα ηχοχημικά φαινόμενα επιφέρουν σημαντική εντατικοποίηση των χημικών αντιδράσεων. Ιδιαίτερα σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους (π.χ. θέρμανση, ανάδευση), η ηχοχημεία είναι πιο αποδοτική, εύχρηστη και μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια. Η κατεργασία με υπερήχους και η ηχοχημεία προσφέρουν αρκετά σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως υψηλότερες αποδόσεις, αυξημένη καθαρότητα των ενώσεων και εκλεκτικότητα, μικρότερους χρόνους αντίδρασης, χαμηλότερο κόστος, καθώς και απλότητα στην εκτέλεση και τον χειρισμό της ηχοχημικής διαδικασίας. Αυτοί οι ευνοϊκοί παράγοντες καθιστούν τις χημικές αντιδράσεις που υποβοηθούνται από υπερήχους όχι μόνο πιο αποτελεσματικές και ασφαλείς, αλλά και πιο φιλικές προς το περιβάλλον.
Έχει αποδειχθεί ότι πολυάριθμες οργανικές αντιδράσεις παρέχουν υψηλότερες αποδόσεις σε μικρότερο χρόνο αντίδρασης και / ή υπό ηπιότερες συνθήκες όταν πραγματοποιούνται με κατεργασία με υπερήχους.

Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει απλές αντιδράσεις ενός δοχείου

Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την έναρξη αντιδράσεων πολλαπλών συστατικών ως αντιδράσεων ενός δοχείου, οι οποίες επιτρέπουν τη σύνθεση ενώσεων με ποικίλες δομές. Τέτοιες αντιδράσεις ενός δοχείου εκτιμώνται για την υψηλή συνολική αποδοτικότητα και την απλότητά τους, καθώς δεν απαιτείται απομόνωση και καθαρισμός των ενδιαμέσων.

Οι επιδράσεις των υπερηχητικών κυμάτων στις ασύμμετρες οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία σε διάφορους τύπους αντιδράσεων, όπως κατάλυση μεταφοράς φάσης, αντιδράσεις Heck, υδρογόνωση, αντιδράσεις Mannich, αντιδράσεις Barbier και αντιδράσεις παρόμοιες με τις Barbier, αντιδράσεις Diels-Alder, αντίδραση σύζευξης Suzuki και προσθήκη Michael.

Βρείτε την ιδανική συσκευή υπερήχων για την οργανοκαταλυτική σας αντίδραση!

Η Hielscher Ultrasonics είναι ο αξιόπιστος συνεργάτης σας για εξοπλισμό υπερήχων υψηλής απόδοσης και υψηλής ποιότητας. Η Hielscher σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει ακροδέκτες υπερήχων, αντιδραστήρες και κεφαλές υπερήχων τύπου κυπέλλου τελευταίας τεχνολογίας για ηχοχημικές εφαρμογές. Όλος ο εξοπλισμός κατασκευάζεται με διαδικασίες πιστοποιημένες κατά ISO και με γερμανική ακρίβεια για ανώτερη ποιότητα, στην έδρα μας στο Teltow (κοντά στο Βερολίνο), στη Γερμανία.
Η γκάμα συσκευών υπερήχων της Hielscher εκτείνεται από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων έως πλήρως βιομηχανικούς αντιδραστήρες υπερήχων για χημική παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Ακροδέκτες (γνωστοί επίσης ως ηχοτρόδια, κέρατα υπερήχων ή άκρα), ενισχυτικά κέρατα και αντιδραστήρες είναι άμεσα διαθέσιμα σε πολυάριθμα μεγέθη και γεωμετρίες. Μπορούν επίσης να κατασκευαστούν εξατομικευμένες εκδόσεις σύμφωνα με τις απαιτήσεις σας.
Καθώς οι επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics διατίθενται σε κάθε μέγεθος, από μικρές εργαστηριακές συσκευές έως μεγάλους βιομηχανικούς επεξεργαστές για χημικές εφαρμογές κατά παρτίδες και σε ροή, η κατεργασία με υπερήχους υψηλής απόδοσης μπορεί να ενσωματωθεί εύκολα σε οποιαδήποτε διάταξη αντίδρασης. Η ακριβής ρύθμιση του πλάτους ταλάντωσης των υπερήχων – της σημαντικότερης παραμέτρου για τις ηχοχημικές εφαρμογές – επιτρέπει τη λειτουργία των συσκευών υπερήχων της Hielscher σε χαμηλά έως πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης και τη λεπτομερή προσαρμογή του πλάτους ακριβώς στις απαιτούμενες συνθήκες της διεργασίας υπερήχων για το συγκεκριμένο σύστημα χημικής αντίδρασης.
Η γεννήτρια υπερήχων της Hielscher διαθέτει έξυπνο λογισμικό με αυτόματη καταγραφή δεδομένων. Όλες οι σημαντικές παράμετροι επεξεργασίας, όπως η ενέργεια υπερήχων, η θερμοκρασία, η πίεση και ο χρόνος, αποθηκεύονται αυτόματα σε ενσωματωμένη κάρτα SD μόλις ενεργοποιηθεί η συσκευή.
Η παρακολούθηση της διεργασίας και η καταγραφή δεδομένων είναι σημαντικές για τη συνεχή τυποποίηση της διεργασίας και την ποιότητα του προϊόντος. Με την πρόσβαση στα δεδομένα διεργασίας που καταγράφονται αυτόματα, μπορείτε να επανεξετάσετε προηγούμενες κατεργασίες με υπερήχους και να αξιολογήσετε το αποτέλεσμα.
Ένα ακόμη εύχρηστο χαρακτηριστικό είναι ο τηλεχειρισμός των ψηφιακών μας συστημάτων υπερήχων μέσω προγράμματος περιήγησης. Μέσω του τηλεχειρισμού από πρόγραμμα περιήγησης μπορείτε να εκκινείτε, να διακόπτετε, να ρυθμίζετε και να παρακολουθείτε τον επεξεργαστή υπερήχων σας εξ αποστάσεως, από οπουδήποτε.
Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το πώς οι ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης που διαθέτουμε μπορούν να βελτιώσουν την αντίδραση οργανοκαταλυτικής σύνθεσής σας!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: