Reacciones de Diels-Alder mejoradas por sonoquímica

Las reacciones de Diels-Alder se utilizan ampliamente en síntesis químicas en las que deben formarse enlaces carbono-carbono. La ultrasonicación y sus efectos sonoquímicos son muy eficaces para impulsar y favorecer las reacciones de Diels-Alder, lo que permite obtener mayores rendimientos y reducir significativamente el tiempo de reacción, a la vez que contribuye a una química verde respetuosa con el medio ambiente.

Reacción de Diels-Alder mejorada por sonoquímica para la química verde

Las reacciones de Diels-Alder son reacciones químicas en las que se forman enlaces entre átomos de carbono. La reacción de Diels-Alder se clasifica como una cicloadición [4+2] térmicamente permitida [_π4_s + _π2_s]. Puesto que la síntesis orgánica asistida por ultrasonidos es una vía de síntesis verde y eficiente que mejora las velocidades de reacción, los rendimientos y la selectividad de las reacciones, la sonicación es una técnica sencilla y fiable ampliamente utilizada en laboratorios y en la producción industrial. A menudo, la vía favorecida por sonoquímica facilita transformaciones orgánicas en condiciones ambientales que, de otro modo, requerirían condiciones extremas de temperatura y presión, lo que ayuda a ahorrar costes energéticos y convierte la síntesis química en un procedimiento más seguro.

Reacción de Diels-Alder por ultrasonidos con disolventes eutécticos profundos

Los disolventes eutécticos profundos (DES) son soluciones de ácidos y bases de Lewis o Brønsted que forman una mezcla eutéctica. Dado que los disolventes eutécticos profundos no son inflamables, presentan bajas presiones de vapor y baja toxicidad, y suelen elaborarse a partir de compuestos naturales, constituyen una alternativa más segura y respetuosa con el medio ambiente a otros disolventes. Se sabe que la ultrasonicación y los disolventes eutécticos profundos actúan de forma sinérgica, por lo que se utilizan tanto en la síntesis química como en la extracción por ultrasonidos. El uso de disolventes eutécticos profundos también resulta beneficioso en las reacciones de Diels-Alder favorecidas por ultrasonidos. Por ejemplo, la sonicación se utiliza para favorecer la reacción de Diels-Alder empleando N-etilmaleimida como dienófilo y variando la naturaleza del dieno en disolventes eutécticos profundos (DES), tanto con calentamiento convencional como con activación ultrasónica.
El uso de la activación ultrasónica en combinación con disolventes eutécticos profundos demostró ser beneficioso, al proporcionar buenos rendimientos con tiempos de reacción drásticamente reducidos.

Reacción de Diels−Alder mejorada por ultrasonidos.
Esquema adaptado de Marullo et al., 2020

Procedimiento general para la reacción de Diels-Alder con DES y sonicación

Las reacciones de Diels-Alder favorecidas por ultrasonidos se llevaron a cabo introduciendo la sonda ultrasónica (sonotrodo / bocina) en el recipiente de reacción. Al utilizar una sonda ultrasónica con una punta de 0,5 cm de diámetro, la potencia nominal de salida fue de 70 W. Las reacciones se realizaron a 40 °C aplicando sonicación en modo pulsado, con ciclos de 5 sec de activación y 20 sec de desactivación. La reacción de Diels-Alder intensificada por ultrasonidos proporcionó buenos rendimientos en un tiempo mucho menor que en condiciones sin sonicación (70 min y 24 h para las reacciones sonoquímicas y sin sonicación, respectivamente).
Para evaluar la eficiencia energética de la reacción de Diels-Alder intensificada por sonoquímica, se comparó el consumo energético de la reacción de Diels-Alder sin sonicación con el de la reacción favorecida por ultrasonidos. Los cálculos dieron un consumo de 35.094 kJ/g para la reacción sin sonicación y de 28,4 kJ/g para la reacción asistida por ultrasonidos (bocina ultrasónica con una potencia de salida de 70 W de energía neta), respectivamente. Esto supone un ahorro energético del 99% para la reacción de Diels-Alder impulsada por sonoquímica. Todas estas observaciones indican claramente que el uso combinado de disolventes eutécticos profundos (DES) e irradiación ultrasónica es una metodología eficiente y de bajo consumo energético para procesos de síntesis importantes, como la reacción de Diels-Alder. (Marullo et al., 2020)

Efecto de diversos disolventes eutécticos profundos en combinación con la sonicación

Los mejores resultados para la reacción de Diels-Alder favorecida por ultrasonidos se obtuvieron cuando los disolventes eutécticos profundos [ChCl]:[Fru] y [TBACl]:[EG] se utilizan como disolventes. El uso de [ChCl]:[Fru] y [TBACl]:[EG] como disolventes permitió reducir significativamente el tiempo de reacción y mejorar considerablemente el rendimiento (para [TBACl]:[EG] 73% y 87%, y para [ChCl]:[Fru] 23 y 75% en condiciones sin sonicación y sonoquímicas, respectivamente).
En algunos casos, concretamente cuando [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], y [AcChCl]:[EG] se utilizan como disolventes, los rendimientos son comparables a los obtenidos en condiciones sin sonicación, pero la velocidad del proceso químico sigue aumentando drásticamente mediante la sonicación.
La sonicación funciona muy bien con disolventes viscosos y de baja presión de vapor, como los líquidos iónicos (ILs), ya que estas condiciones facilitan la generación de efectos de cavitación más intensos. Dado que los disolventes eutécticos profundos poseen propiedades físicas similares a las de los líquidos iónicos, pueden utilizarse adecuadamente junto con la ultrasonicación. La acción conjunta de los disolventes eutécticos profundos (DES) y la sonicación reduce significativamente la demanda energética de la reacción de Diels-Alder. Se observan reducciones significativas del tiempo de reacción de 24 h a 70 min, al tiempo que se obtienen rendimientos muy buenos. En términos de eficiencia del proceso, esto significa que el uso combinado de disolventes eutécticos profundos (DES) y ultrasonicación permite procesar una cantidad de materiales 10 veces mayor que en condiciones sin sonicación. (Marullo et al., 2020)

Reacción de Diels-Alder por ultrasonidos de alquenos oxabicíclicos

Wei y sus colaboradores (2004) demostraron que la reacción de Diels–Alder de furanos sustituidos con dienófilos reactivos, como el acetilendicarboxilato de dimetilo (DMAD) y el maleato de dimetilo, favorecida por ultrasonicación, proporcionaba alquenos oxabicíclicos funcionalizados con buenos rendimientos. La cicloadición de Diels-Alder regiospecífica de dienos furánicos, favorecida por ultrasonidos, entre furanos 2-vinílicos y DMAD proporcionó alquenos oxabicíclicos funcionalizados con buen rendimiento.

Reacciones de cicloadición mejoradas por sonoquímica

Bravo y sus colaboradores (2006) describieron una serie de cicloadiciones sonoquímicas de ciclopentadieno o 1,3-ciclohexadieno con dienófilos carbonílicos en un líquido iónico basado en imidazolio como medio de reacción. Demostraron que la ultrasonicación mejora eficazmente estas reacciones de cicloadición, al proporcionar mayores rendimientos y/o tiempos de reacción más cortos en comparación con las correspondientes reacciones sin sonicación. Por ejemplo, los efectos de la activación ultrasónica son evidentes en dienófilos α,β-insaturados simples, como la metil vinil cetona o la acroleína. Así, la metil vinil cetona proporciona un rendimiento del 89% en 1 h de sonicación suave, mientras que la reacción sin sonicación solo alcanzó el 52% en el mismo tiempo de reacción.

Ultrasonicadores de todos los tamaños para reacciones de Diels-Alder favorecidas por sonoquímica

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La supervisión del proceso y el registro de datos son importantes para la estandarización continua del proceso y la calidad del producto. Al acceder a los datos del proceso registrados automáticamente, puede revisar ejecuciones anteriores de sonicación y evaluar los resultados.
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