Reacciones Diels-Alder mejoradas por métodos sonoquímicos

Las reacciones de Diels-Alder se utilizan ampliamente en síntesis químicas, en las que deben formarse enlaces atómicos carbono-carbono. La ultrasonicación y sus efectos sonoquímicos son muy eficaces para impulsar y promover las reacciones de Diels-Alder, lo que se traduce en mayores rendimientos, una reducción significativa del tiempo de reacción y, al mismo tiempo, forma parte de la química ecológica respetuosa con el medio ambiente.

Reacción Diels-Alder potenciada por la 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] permitida térmicamente [_π4_s + _π2_s]. Dado que la síntesis orgánica asistida por ultrasonidos es una ruta sintética ecológica y eficiente, que mejora las velocidades de reacción, los rendimientos y la selectividad de las reacciones, la sonicación es una técnica sencilla y fiable muy utilizada en laboratorios y en la producción industrial. A menudo, la ruta promovida sonoquímicamente facilita la transformación orgánica en condiciones ambientales que, de otro modo, requerirían condiciones drásticas de temperatura y presión, lo que ayuda a ahorrar costes energéticos y convierte la síntesis química en un procedimiento ahorrador.

Reacción ultrasónica de Diels-Alder 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, poseen bajas presiones de vapor y toxicidad, y a menudo se fabrican a partir de compuestos naturales, son una alternativa de disolvente más respetuosa con el medio ambiente. Se sabe que la ultrasonicación y los disolventes eutécticos profundos actúan conjuntamente 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 es beneficioso en las reacciones de Diels-Alder promovidas por ultrasonidos. Por ejemplo, la sonicación se utiliza para promover la reacción de Diels-Alder utilizando N-etilmaleimida como dienófilo, cambiando la naturaleza del dieno en disolventes eutécticos profundos (DES) tanto bajo calentamiento convencional como bajo activación ultrasónica.
El uso de la activación ultrasónica en combinación con disolventes eutécticos profundos resultó beneficioso, proporcionando buenos rendimientos en tiempos de reacción drásticamente reducidos.

Reacción Diels-Alder mejorada por ultrasonidos.
esquema adaptado de Marullo et al., 2020

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

Las reacciones de Diels-Alder promovidas por ultrasonidos se llevaron a cabo insertando la sonda ultrasónica (sonotrodo/cuerno) en el recipiente de reacción. Utilizando una sonda ultrasónica con punta de 0,5 cm de diámetro, la potencia nominal de salida fue de 70 W. Las reacciones se realizaron a 40°C aplicando la sonicación en modo pulso con ciclos de 5 seg ON y 20 seg OFF. La reacción de Diels-Alder intensificada por ultrasonidos dio buenos rendimientos en un tiempo mucho más corto que en condiciones silenciosas (70 min y 24 h para las reacciones sonoquímica y silenciosa, respectivamente).
Para evaluar la eficiencia energética de la reacción de Diels-Alder intensificada sonoquímicamente, se comparó el consumo de energía de la reacción de Diels-Alder silenciosa y la promovida ultrasónicamente. Los cálculos dieron un consumo de 35.094 kJ/g para la reacción silenciosa 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 se traduce en un ahorro del 99% de energía para la reacción de Diels-Alder impulsada sonoquímicamente. Todas estas observaciones sugieren fuertemente que el uso combinado de disolventes eutécticos profundos (DES) y la irradiación por ultrasonidos es una metodología eficiente y de ahorro energético para procesos sintéticos importantes como la reacción de Diels-Alder. (Marullo et al., 2020)

Efecto de varios disolventes eutécticos profundos en combinación con la sonicación

Los mejores resultados para la reacción de Diels-Alder promovida por ultrasonidos se obtuvieron cuando se utilizaron como disolventes los disolventes eutécticos profundos [ChCl]:[Fru] y [TBACl]:[EG]. El uso de [ChCl]:[Fru] y [TBACl]:[EG] como disolventes permitió reducciones significativas en el tiempo de reacción, así como mejoras significativas en el rendimiento (para [TBACl]:[EG] 73% y 87%, y para [ChCl]:[Fru] 23 y 75% en condiciones silenciosas y sonoquímicas, respectivamente).
En algunos casos, concretamente cuando se utilizan [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly] y [AcChCl]:[EG] como disolventes, los rendimientos son comparables a los obtenidos en condiciones silenciosas, pero la velocidad del proceso químico sigue mejorando drásticamente con la sonicación.
La sonicación funciona muy bien con disolventes viscosos y de baja presión de vapor, como los líquidos iónicos (LI), 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 interacción combinada de los disolventes eutécticos profundos (DES) y la sonicación reduce significativamente la demanda energética de la reacción Diels-Alder. Se observan reducciones significativas del tiempo de reacción, de 24 h a 70 min, al tiempo que se obtienen muy buenos rendimientos. En cuanto a la eficiencia del proceso, esto significa que el uso combinado de disolventes eutécticos profundos (DES) y ultrasonidos permite procesar una cantidad de materiales 10 veces mayor que en condiciones silenciosas. (Marullo et al., 2020)

Reacción ultrasónica de Diels-Alder de alquenos oxabicíclicos

Wei y sus colegas (2004) demostraron que la ultrasonicación promovía la reacción de Diels-Alder de furanos sustituidos con dienófilos reactivos como el acetilendicarboxilato de dimetilo (DMAD) y el maleato de dimetilo, lo que producía alquenos oxabicíclicos funcionalizados en buenos rendimientos. La reacción promovida por ultrasonidos de la cicloadición Diels-Alder regiespecífica de furanos 2-vinílicos con DMAD proporcionó alquenos oxabicíclicos funcionalizados en buenos rendimientos.

Reacciones de cicloadición mejoradas sonoquímicamente

Bravo y colaboradores (2006) describieron una serie de cicloadiciones sonoquímicas en las que intervenían ciclopentadieno o 1,3-ciclohexadieno con dienófilos carbonilo en un líquido iónico a base de imidazolio como medio de reacción. Demostraron que la ultrasonicación mejora eficazmente estas reacciones de cicloadición, dando lugar a mayores rendimientos y/o reduciendo los tiempos de reacción en comparación con las reacciones silenciosas correspondientes. Por ejemplo, en el caso de dienófilos α,β-insaturados simples como la metilvinilcetona o la acroleína, los efectos de la activación ultrasónica son evidentes. Por ejemplo, la metil vinil cetona da lugar a un rendimiento del 89% en 1 h de sonicación suave, mientras que la reacción silenciosa proporciona sólo el 52% en el mismo tiempo de reacción.

Ultrasonicadores de cualquier tamaño para reacciones Diels-Alder promovidas sonoquímicamente

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Los generadores de ultrasonidos de Hielscher disponen de un software inteligente con protocolización automática de datos. Todos los parámetros de procesamiento importantes, como la energía ultrasónica, la temperatura, la presión y el tiempo, se almacenan automáticamente en una tarjeta SD integrada en cuanto se enciende el dispositivo.
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 las ejecuciones de sonicación anteriores y evaluar el resultado.
Otra función de fácil manejo es el control remoto por navegador de nuestros sistemas ultrasónicos digitales. Mediante el control remoto por navegador, puede iniciar, detener, ajustar y supervisar su procesador ultrasónico a distancia desde cualquier lugar.
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En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: