Οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις που προωθούνται από υπερήχους

Στην οργανική χημεία, η οργανοκατάλυση είναι μια μορφή κατάλυσης στην οποία ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης αυξάνεται από έναν οργανικό καταλύτη. Αυτό “οργανοκαταλύτης” αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο, θείο και άλλα μη μεταλλικά στοιχεία που βρίσκονται σε οργανικές ενώσεις. Η εφαρμογή υπερήχων υψηλής ισχύος σε χημικά συστήματα είναι γνωστή ως sonochemistry και μια καθιερωμένη τεχνική για την αύξηση των αποδόσεων, τη βελτίωση των ρυθμών αντίδρασης και την επιτάχυνση της ταχύτητας αντίδρασης. Υπό υπερήχους, γίνεται συχνά δυνατή η εναλλαγή χημικών οδών αποφεύγοντας ανεπιθύμητα υποπροϊόντα. Η ηχοχημεία μπορεί να προωθήσει οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις καθιστώντας τις πιο αποτελεσματικές και φιλικές προς το περιβάλλον.

Ασύμμετρη οργανοκατάλυση – Βελτιωμένη από κατεργασία με υπερήχους

Η Sonochemistry, η εφαρμογή υπερήχων υψηλής απόδοσης σε χημικά συστήματα, μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις. Η ασύμμετρη οργανοκατάλυση σε συνδυασμό με υπερήχους συχνά επιτρέπει τη μετατροπή της οργανοκατάλυσης σε μια φιλικότερη προς το περιβάλλον διαδρομή, με αποτέλεσμα να εμπίπτει στην ορολογία της πράσινης χημείας. Κατεργασία με υπερήχους επιταχύνει (ασύμμετρη) οργανοκαταλυτική αντίδραση και οδηγεί σε υψηλότερες αποδόσεις, ταχύτερα ποσοστά μετατροπής, ευκολότερη απομόνωση / καθαρισμό προϊόντων, και βελτιωμένη επιλεκτικότητα και αντιδραστικότητα. Εκτός από τη συμβολή στη βελτίωση της κινητικής αντίδρασης και της απόδοσης, υπερήχους μπορεί συχνά να συνδυαστεί με βιώσιμους διαλύτες αντίδρασης, όπως ιοντικά υγρά, βαθιά ευτηκτικούς διαλύτες, ήπιους, μη τοξικούς διαλύτες και νερό. Με αυτόν τον τρόπο, η sonochemistry όχι μόνο βελτιώνει την ίδια την (ασύμμετρη) οργανοκαταλυτική αντίδραση, αλλά βοηθά επίσης στη βιωσιμότητα των οργανοκαταλυτικών αντιδράσεων.

Η έρευνα έχει δείξει πολλαπλά παραδείγματα για sonoχημικά ενισχυμένες oragnocatalytic αντιδράσεις. Για παράδειγμα, δίκλωνα μόρια DNA ως χειροειδές ικρίωμα χρησιμοποιούνται για τη συναρμολόγηση υβριδικών καταλυτών μετάλλων-βιομακρομορίων για αντιδράσεις ασύμμετρης σύνθεσης. Καταλύτες με βάση το DNA G-quadruplex έχουν εφαρμοστεί σε ασύμμετρες αντιδράσεις προσθήκης Michael, Diels-Alder και Friedel-Crafts. (πρβλ. Zhao και Shen, 2018)
Για την αντίδραση που προωθείται από το ινίδιο, υπερήχηση δείχνει ευεργετικά αποτελέσματα, δεδομένου ότι η sonoχημικά οδηγούμενη αντίδραση τρέχει υπό ηπιότερες συνθήκες, διατηρώντας έτσι υψηλά επίπεδα διαστεροεπιλογής. Χρησιμοποιώντας τη sonochemical οδό, επιτεύχθηκαν καλά αποτελέσματα στην οργανοκαταλυτική σύνθεση υδατανθράκων β-λακτάμης, β-αμινοξέων και σπιροδικετοπιπεραζινών από λακτόνες σακχάρων καθώς και αντιδράσεις αλληλοποίησης και Reformatsky σε αιθέρες οξίμης.

Υπερήχων προωθείται οργανοκαταλυτική σύνθεση φαρμάκων

Οι Rogozińska-Szymczak και Mlynarski (2014) αναφέρουν την ασύμμετρη προσθήκη 4-υδροξυκουμαρίνης Michael σε α,β-ακόρεστες κετόνες σε νερό χωρίς οργανικούς συνδιαλύτες – καταλύεται από οργανικές πρωτογενείς αμίνες και υπερήχους. Η εφαρμογή εναντιομερώς καθαρής (S,S)-διφαινυλαιθυλενοδιαμίνης παρέχει μια σειρά σημαντικών φαρμακευτικών δραστικών ενώσεων σε καλές έως άριστες αποδόσεις (73-98%) και με καλές εναντιοεκλεκτικότητες (έως 76% ee) μέσω αντιδράσεων που επιταχύνονται με υπερήχους. Οι ερευνητές παρουσιάζουν ένα αποτελεσματικό sonochemical πρωτόκολλο για το σχηματισμό «στερεών στο νερό» του αντιπηκτικού βαρφαρίνης και στις δύο εναντιομερείς μορφές. Αυτή η φιλική προς το περιβάλλον οργανοκαταλυτική αντίδραση δεν είναι μόνο κλιμακούμενη, αλλά αποδίδει επίσης το μόριο φαρμάκου στόχου σε εναντιομερώς καθαρή μορφή.

Ηχοχημική εποξείδωση τερπενίων

Οι Charbonneau et al. (2018) αποδοκίμασαν την επιτυχή εποξείδωση των τερπενίων υπό υπερήχους. Η συμβατική εποξείδωση απαιτεί τη χρήση καταλύτη, αλλά με υπερήχους η εποξείδωση λειτουργεί ως αντίδραση χωρίς καταλύτη.
Το διοξείδιο του λιμονενίου είναι ένα βασικό ενδιάμεσο μόριο για την ανάπτυξη βιοανθρακικών πολυανθρακικών ή μη ισοκυανικών πολυουρεθανών. Κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την ελεύθερη εποξείδωση του καταλύτη των τερπενίων μέσα σε πολύ σύντομο χρόνο αντίδρασης – Ταυτόχρονα δίνοντας πολύ καλές αποδόσεις. Προκειμένου να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητα της υπερηχητικής εποξείδωσης, η ερευνητική ομάδα συνέκρινε την εποξείδωση του λιμονενίου με το διοξείδιο του λιμονενίου χρησιμοποιώντας in-situ-generated dimethyl dioxirane ως οξειδωτικό παράγοντα υπό συμβατική διέγερση και υπερήχους. Για όλες τις δοκιμές υπερήχων το Hielscher UP50H (50W, 30kHz) εργαστήριο υπερήχων χρησιμοποιήθηκε.

Ο χρόνος που απαιτείται για την πλήρη μετατροπή του λιμονενίου σε διοξείδιο του λιμονενίου με απόδοση 100% υπό υπερήχους ήταν μόνο 4,5 λεπτά σε θερμοκρασία δωματίου. Συγκριτικά, όταν χρησιμοποιείται συμβατική ανάδευση χρησιμοποιώντας μαγνητικό αναδευτήρα, ο απαιτούμενος χρόνος για να επιτευχθεί απόδοση 97% διοξειδίου του λιμονενίου ήταν 1,5 ώρα. Η εποξείδωση του α-πινενίου έχει επίσης μελετηθεί χρησιμοποιώντας και τις δύο τεχνικές ανάδευσης. Η εποξείδωση του α-πινενίου σε οξείδιο του α-πινενίου υπό υπερήχους απαιτούσε μόνο 4 λεπτά με λαμβανόμενη απόδοση 100%, ενώ σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο ο χρόνος αντίδρασης ήταν 60 λεπτά. Όσον αφορά τα άλλα τερπένια, το β-πινένιο μετατράπηκε σε οξείδιο του β-πινενίου σε μόλις 4 λεπτά, ενώ η φαρνεσόλη απέδωσε το 100% του τριεποξειδίου σε 8 λεπτά. Το Carveol, ένα παράγωγο λιμονενίου, μετατράπηκε σε διοξείδιο του καρβεολίου με απόδοση 98%. Στην αντίδραση εποξείδωσης της καρβόνης χρησιμοποιώντας διμεθυλοδιοξιράνιο η μετατροπή ήταν 100% σε 5 λεπτά παράγοντας οξείδιο 7,8-καρβόνης.
Τα κύρια πλεονεκτήματα της ηχοχημικής εποξείδωσης τερπενίων είναι η φιλική προς το περιβάλλον φύση του οξειδωτικού παράγοντα (πράσινη χημεία) καθώς και ο σημαντικά μειωμένος χρόνος αντίδρασης που εκτελεί αυτή την οξείδωση υπό υπερηχητική ανάδευση. Αυτή η μέθοδος εποξείδωσης επέτρεψε την επίτευξη 100% μετατροπής λιμονενίου με απόδοση 100% διοξειδίου του λιμονενίου σε μόλις 4,5 λεπτά σε σύγκριση με 90 λεπτά όταν χρησιμοποιείται παραδοσιακή ανάδευση. Επιπλέον, δεν βρέθηκαν προϊόντα οξείδωσης του λιμονενίου, όπως καρβόνη, καρβεόλη και περριλυλική αλκοόλη, στο μέσο αντίδρασης. Η εποξείδωση του α-πινενίου υπό υπερήχους απαιτούσε μόνο 4 λεπτά, αποδίδοντας το 100% του οξειδίου του α-πινενίου χωρίς οξείδωση του δακτυλίου. Άλλα τερπένια όπως β-πινένιο, φαρνεσόλη και καρβεόλη έχουν επίσης οξειδωθεί, οδηγώντας σε πολύ υψηλές αποδόσεις εποξειδίου.

sonochemical επιδράσεις

Ως εναλλακτική λύση στις κλασικές μεθόδους, έχουν χρησιμοποιηθεί πρωτόκολλα βασισμένα σε sonochemical για την αύξηση των ρυθμών μιας ευρείας ποικιλίας αντιδράσεων, με αποτέλεσμα προϊόντα που παράγονται υπό ηπιότερες συνθήκες με σημαντική μείωση των χρόνων αντίδρασης. Αυτές οι μέθοδοι έχουν περιγραφεί ως πιο φιλικές προς το περιβάλλον και βιώσιμες και συνδέονται με μεγαλύτερη επιλεκτικότητα και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας για τους επιθυμητούς μετασχηματισμούς. Ο μηχανισμός τέτοιων μεθόδων βασίζεται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης, η οποία προκαλεί μοναδικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας μέσω του σχηματισμού, της ανάπτυξης και της αδιαβατικής κατάρρευσης φυσαλίδων στο υγρό μέσο. Αυτό το αποτέλεσμα 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. Τέτοια χαρακτηριστικά έχουν αυξήσει τον αριθμό των ενώσεων που αξιολογούνται σε φαρμακολογικά μοντέλα, συμβάλλοντας στην επιτάχυνση της διαδικασίας βελτιστοποίησης του χτυπήματος σε μόλυβδο.
Όχι μόνο αυτή η εισροή υψηλής ενέργειας μπορεί να ενισχύσει τις μηχανικές επιδράσεις σε ετερογενείς διαδικασίες, αλλά είναι επίσης γνωστό ότι προκαλεί νέες αντιδράσεις που οδηγούν στο σχηματισμό απροσδόκητων χημικών ειδών. Αυτό που κάνει τη sonochemistry μοναδική είναι το αξιοσημείωτο φαινόμενο της σπηλαίωσης, το οποίο δημιουργεί σε έναν τοπικά περιορισμένο χώρο του περιβάλλοντος μικροφυσαλίδων εξαιρετικά αποτελέσματα λόγω εναλλασσόμενων κύκλων υψηλής πίεσης / χαμηλής πίεσης, διαφορών πολύ υψηλής θερμοκρασίας, δυνάμεων υψηλής διάτμησης και ροής υγρών.

Τα πλεονεκτήματα των ηχοχημικά προωθούμενων οργανοκαταλυτικών αντιδράσεων

Κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην οργανική σύνθεση και κατάλυση, δεδομένου ότι sonochemical επιδράσεις δείχνουν μια σημαντική εντατικοποίηση των χημικών αντιδράσεων. Ειδικά σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους (π.χ. θέρμανση, ανάδευση), η sonochemistry είναι πιο αποτελεσματική, βολική και με ακρίβεια ελεγχόμενη. Κατεργασία με υπερήχους και sonochemistry προσφέρουν πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως υψηλότερες αποδόσεις, αυξημένη καθαρότητα των ενώσεων και επιλεκτικότητα, μικρότερους χρόνους αντίδρασης, χαμηλότερο κόστος, καθώς και την απλότητα στη λειτουργία και το χειρισμό της sonochemical διαδικασίας. Αυτοί οι ευεργετικοί παράγοντες καθιστούν υπερηχητικά υποβοηθούμενες χημικές αντιδράσεις όχι μόνο πιο αποτελεσματικές και σωτήριες, αλλά και φιλικότερες προς το περιβάλλον.
Πολυάριθμες οργανικές αντιδράσεις έχουν αποδειχθεί ότι δίνουν υψηλότερες αποδόσεις σε μικρότερο χρόνο αντίδρασης ή / και υπό ηπιότερες συνθήκες όταν εκτελούνται με υπερήχους.

Υπερήχους επιτρέπει απλές αντιδράσεις ενός δοχείου

Κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την έναρξη αντιδράσεων πολλαπλών συστατικών ως αντιδράσεις ενός δοχείου που παρέχουν τη σύνθεση δομικά διαφορετικών ενώσεων. Τέτοιες αντιδράσεις ενός δοχείου αποτιμώνται για υψηλή συνολική απόδοση και απλότητα, καθώς δεν απαιτείται απομόνωση και καθαρισμός ενδιάμεσων προϊόντων.

Οι επιδράσεις των κυμάτων υπερήχων σε ασύμμετρες οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία σε διάφορους τύπους αντιδράσεων, συμπεριλαμβανομένων των καταλυτών μεταφοράς φάσης, των αντιδράσεων Heck, της υδρογόνωσης, των αντιδράσεων Mannich, των αντιδράσεων τύπου Barbier και Barbier, των αντιδράσεων Diels-Alder, της αντίδρασης σύζευξης Suzuki και της προσθήκης Micheal.

Βρείτε τον ιδανικό υπερηχητικό για την οργανοκαταλυτική σας αντίδραση!

Hielscher Υπέρηχοι είναι αξιόπιστος συνεργάτης σας, όταν πρόκειται για υψηλής απόδοσης, υψηλής ποιότητας υπερήχων εξοπλισμού. Hielscher σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει υπερσύγχρονους υπερηχητικούς ανιχνευτές, αντιδραστήρες και κέρατα κυπέλλου για sonochemical εφαρμογές. Όλος ο εξοπλισμός κατασκευάζεται σύμφωνα με πιστοποιημένες διαδικασίες ISO και με γερμανική ακρίβεια για ανώτερη ποιότητα στην έδρα μας στο Teltow (κοντά στο Βερολίνο) της Γερμανίας.
Το χαρτοφυλάκιο των υπερήχων Hielscher κυμαίνεται από συμπαγείς υπερήχους εργαστηρίου σε πλήρως βιομηχανικούς υπερηχητικούς αντιδραστήρες για μεγάλης κλίμακας χημική κατασκευή. Ανιχνευτές (επίσης γνωστοί ως sonotrodes, υπερηχητικά κέρατα ή άκρες), ενισχυτικά κέρατα, και αντιδραστήρες είναι άμεσα διαθέσιμα σε πολλά μεγέθη και γεωμετρίες. Προσαρμοσμένες εκδόσεις μπορούν επίσης να κατασκευαστούν για τις απαιτήσεις σας.
Δεδομένου ότι Hielscher Υπέρηχοι’ Οι επεξεργαστές υπερήχων είναι διαθέσιμοι σε οποιοδήποτε μέγεθος από μικρές εργαστηριακές συσκευές έως μεγάλους βιομηχανικούς επεξεργαστές για εφαρμογές χημείας παρτίδας και ροής, η υπερήχηση υψηλής απόδοσης μπορεί εύκολα να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε ρύθμιση αντίδρασης. Ακριβής ρύθμιση του πλάτους υπερήχων – Η πιο σημαντική παράμετρος για sonochemical εφαρμογές – επιτρέπει τη λειτουργία Hielscher υπερήχων σε χαμηλά έως πολύ υψηλά πλάτη και να τελειοποιήσει το πλάτος ακριβώς στις απαιτούμενες συνθήκες υπερήχων διαδικασία του συγκεκριμένου συστήματος χημικών αντιδράσεων.
Η γεννήτρια υπερήχων της Hielscher διαθέτει ένα έξυπνο λογισμικό με αυτόματο πρωτόκολλο δεδομένων. Όλες οι σημαντικές παράμετροι επεξεργασίας όπως η υπερηχητική ενέργεια, η θερμοκρασία, η πίεση και ο χρόνος αποθηκεύονται αυτόματα σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD μόλις ενεργοποιηθεί η συσκευή.
Η παρακολούθηση της διαδικασίας και η καταγραφή δεδομένων είναι σημαντικές για τη συνεχή τυποποίηση της διαδικασίας και την ποιότητα των προϊόντων. Με την πρόσβαση στα αυτόματα καταγεγραμμένα δεδομένα διαδικασίας, μπορείτε να αναθεωρήσετε προηγούμενες εκτελέσεις υπερήχων και να αξιολογήσετε το αποτέλεσμα.
Ένα άλλο φιλικό προς το χρήστη χαρακτηριστικό είναι το τηλεχειριστήριο του προγράμματος περιήγησης των ψηφιακών συστημάτων υπερήχων μας. Μέσω απομακρυσμένου ελέγχου προγράμματος περιήγησης μπορείτε να ξεκινήσετε, να σταματήσετε, να ρυθμίσετε και να παρακολουθείτε τον υπερηχητικό επεξεργαστή σας από οπουδήποτε.
Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης που μπορούν να βελτιώσουν την αντίδραση ορανοκαταλυτικής σύνθεσης!

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