Orgaanilises keemias on organokatalüsaator katalüüsi vorm, milles keemilise reaktsiooni kiirust suurendab orgaaniline katalüsaator. See “organokatalüsist” koosneb süsinikust, vesinikust, väävlist ja muudest orgaanilistes ühendites leiduvatest mittemetaalelementidest. Suure võimsusega ultraheli rakendamine keemilistele süsteemidele on tuntud kui sonokeemia ja väljakujunenud meetod saagikuse suurendamiseks, reaktsioonikiiruse parandamiseks ja reaktsioonikiiruse kiirendamiseks. Ultrahelitöötluse korral on sageli võimalik vahetada keemilisi teid, vältides soovimatuid kõrvalsaadusi. Sonokeemia võib soodustada organokatalüütilisi reaktsioone, muutes need tõhusamaks ja keskkonnasõbralikumaks.

Asümmeetriline organokatalüsüüs – Täiendatud ultrahelitöötlusega

Sonokeemia, suure jõudlusega ultraheli rakendamine keemilistes süsteemides, võib oluliselt parandada organokatalüütilisi reaktsioone. Asümmeetriline organokatalüsaator koos ultraheliga võimaldab sageli muuta organokatalüsaatorit keskkonnasõbralikumaks marsruudiks, langedes seeläbi rohelise keemia terminoloogia alla. Ultrahelitöötlus kiirendab (asümmeetrilist) organokatlüütilist reaktsiooni ja toob kaasa suurema saagikuse, kiiremad konversioonimäärad, lihtsama toote isoleerimise/puhastamise ning parema selektiivsuse ja reaktsioonivõime. Lisaks reaktsiooni kineetika ja saagikuse parandamisele võib ultraheliuuringut sageli kombineerida jätkusuutlike reaktsioonilahustitega, nagu ioonsed vedelikud, sügavad eutektilised lahustid, kerged, mittetoksilised lahustid ja vesi. Seega ei paranda sonokeemia mitte ainult (asümmeetrilist) organokaltlüütilist reaktsiooni, vaid aitab kaasa ka organokatalüütiliste reaktsioonide jätkusuutlikkusele.

Uuringud on näidanud mitmesuguseid näiteid sonokeemiliselt intensiivistunud oragnokatalüütiliste reaktsioonide kohta. Näiteks kasutatakse metalli-biomakromolekulide hübriidkatalüsaatorite kokkupanemiseks asümmeetriliste sünteesireaktsioonide jaoks kahekordseid luhtunud DNA molekule. G-quadruplex DNA-põhiseid katalüsaatoreid on rakendatud asümmeetrilises Michaeli, Diels-Lepp'i ja Friedel-Craftsi reaktsioonides. (vrd Zhao ja Shen, 2018)
Inidiumi soodustatud reaktsiooni puhul on ultrahelitöötlusel kasulik mõju, kuna sonokeemiliselt juhitud reaktsioon kulgeb kergemates tingimustes, säilitades seeläbi kõrge diasteroosi taseme. Kasutades sonokeemilist teed, saavutati head tulemused β-laktami süsivesikute organokatalüütilise sünteesi, β aminohappe ja spirodiketopiperasiinide kohta suhkrulaktoonidest, samuti allülatsiooni ja Reformatski reaktsioonide kohta oksimeetrieetritel.

Ultraheli propageeritud organokatalüütiline ravimi süntees

Rogozińska-Szymczak ja Mlynarski (2014) teatavad asümmeetrilise Michaeli lisamisest α,β küllastumata ketoonidele vees ilma orgaaniliste kaaslahustiteta – katalüüsitud orgaaniliste primaarsete amiinide ja ultrahelitöötluse abil. Enantiomeeriliselt puhta (S,S)-difenüületüleendiamiini kasutamine võimaldab mitmeid olulisi farmaatsialiselt aktiivseid ühendeid hea kuni suurepärase saagikusega (73–98%) ja hea enantioselektivsusega (kuni 76% ee) ultraheliga kiirendatud reaktsioonide kaudu. Teadlased esitavad tõhusa sonokeemilise protokolli antikoagulant-varfariini "tahkete ainete" moodustumiseks mõlemas enantiomeerses vormis. See keskkonnasõbralik organokatalüütiline reaktsioon ei ole mitte ainult skaleeritav, vaid annab ka sihtravimi molekuli enantiomeeriliselt puhtal kujul.

Terpeenide sonokeemiline epoksüdatsioon

Charbonneau et al. (2018) lammutas ultrahelitöötluse all terpeenide eduka epoksüdatsiooni. Tavaline epoksüdatsioon nõuab katalüsaatori kasutamist, kuid ultrahelitöötlusega toimub epoksüdatsioon katalüsaatorivaba reaktsioonina.
Limoneandioksiid on peamine vahemolekul biopõhiste polükarbonaatide või mitteisotsüanaadi polüuretaanide väljatöötamiseks. Ultrahelitöötlus võimaldab terpeenide katalüsaatorivaba epoksüdatsiooni väga lühikese reaktsiooniaja jooksul – samal ajal andes väga head saaki. Ultraheli epoksüdatsiooni tõhususe demonstreerimiseks võrdles uurimisrühm limonene epoksüdatsiooni limoneandioksiidiga, kasutades in situ loodud dimetüüldioksiraaani oksüdeerijana nii tavapärase agitatsiooni kui ka ultraheliuuringu ajal. Kõigi ultrahelitöötluskatsete puhul Hielscher UP50H (50W, 30kHz) labori ultrasonikaator kasutatud.

Aeg, mis kulub limonene'i täielikuks muundamiseks limoneandiks 100% saagisega ultrahelitöötluse all, oli toatemperatuuril vaid 4,5 min. Võrdluseks, kui kasutatakse tavapärast agitatsiooni magnetseguriga, oli limoneedioksiidi 97% saagikuse saavutamiseks vajalik aeg 1,5 h. Α-männi epoksüdatsiooni on uuritud ka mõlema agitatsioonitehnika abil. α-männi epoksüdeerimine α-männioksiidile ultrahelitöötluse all nõudis ainult 4 min saadud saagisega 100%, samas kui võrreldes tavapärase meetodiga oli reaktsiooniaeg 60 min. Nagu ka teiste terpeenide puhul, muudeti β-pineen β-pineenoksiidiks vaid 4 minutiga, samas kui farnesool andis 8 minutiga 100% triepoksiidist. Limusiini derivaat Carveol muudeti 98% saagisega karveldioksiidiks. Etüüldioksiraini kasutavate karvoonide epoksüdatsioonireaktsioonis oli muundumine 100% 5 minutis, tekitades 7,8-karvogeenset oksiidi.
Sonokeemilise terpeeni epoksüdatsiooni peamised eelised on oksüdeerija keskkonnasõbralikkus (roheline keemia) ja oluliselt vähenenud reaktsiooniaeg selle oksüdatsiooni läbiviimisel ultraheli agitatsiooni ajal. See epoksüdatsioonimeetod võimaldas saavutada limoneeni 100% muundamise 100% limoneedidioksiidi saagisega vaid 4,5 min võrreldes 90 min-ga, kui kasutatakse traditsioonilist agitatsiooni. Lisaks ei leitud reaktsioonikeskkonnas limoneenoksüdatsioonisaadusi, nagu karvone, karveool ja perrilüülalkohol. α-männi epoksüdatsioon ultraheli all nõudis ainult 4 min, andes 100% α-männioksiidist ilma rõnga oksüdeerimiseta. Oksüdeeritud on ka teisi terpeene, nagu β-pinene, farnesool ja karveol, mis põhjustab väga suurt epoksiidi saagikust.

sonokeemiline toime

Alternatiivina klassikalistele meetoditele on sonokeemilisi protokolle kasutatud mitmesuguste reaktsioonide kiiruse suurendamiseks, mille tulemuseks on kergemates tingimustes tekkivad tooted, mille reaktsiooniaeg on oluliselt vähenenud. Neid meetodeid on kirjeldatud kui keskkonnasõbralikumaid ja säästvamaid ning neid seostatakse suurema selektiivsuse ja väiksema energiatarbimisega soovitud muundumiste puhul. Selliste meetodite mehhanism põhineb akustilise kavitatsiooni nähtusel, mis tekitab unikaalseid rõhu- ja temperatuuritingimusi vedelas keskkonnas mullide moodustumise, kasvu ja adiabaatilise kokkuvarisemise kaudu. See toime parandab massiülekannet ja suurendab turbulentset voolu vedelikus, hõlbustades keemilisi muundumisi. Meie uuringutes on ultraheli kasutamine viinud ühendite tootmiseni vähenenud reaktsiooniaegadel, millel on kõrge saagikus ja puhtus. Sellised omadused on suurendanud farmakoloogilistes mudelites hinnatud ühendite arvu, aidates kiirendada plii optimeerimise protsessi.
See suure energiatarbega sisend mitte ainult ei suurenda mehaanilist mõju heterogeensetes protsessides, vaid on teada, et see põhjustab ka uusi taastegevusi, mis põhjustavad ootamatute keemiliste liikide moodustumist. Mis muudab sonokeemia ainulaadseks, on tähelepanuväärne kavitatsiooni nähtus, mis tekitab mikromulli keskkonna lokaalselt piiratud ruumis erakordseid mõjusid vahelduvate kõrgsurve / madalrõhutsüklite, väga kõrge temperatuuri diferentsiaalide, kõrge nihkejõudude ja vedeliku voogesituse tõttu.

Sonokeemiliselt soodustatud organokatalüütiliste reaktsioonide eelised

Ultrahelitöötlust kasutatakse üha enam orgaanilises sünteesis ja katalüüsis, kuna sonokeemilised toimed näitavad keemiliste reaktsioonide olulist intensiivistumist. Eriti võrreldes traditsiooniliste meetoditega (nt kuumutamine, segamine) on sonokeemia tõhusam, mugavam ja täpselt juhitav. Ultrahelitöötlus ja sonokeemia pakuvad mitmeid olulisi eeliseid, nagu suurem saagikus, ühendite suurenenud puhtus ja selektiivsus, lühemad reaktsiooniajad, madalamad kulud, samuti sonokeemilise protseduuri kasutamise ja käsitsemise lihtsus. Need kasulikud tegurid muudavad ultraheli abil keemilised reaktsioonid mitte ainult tõhusamaks ja säästlikumaks, vaid ka keskkonnasõbralikumaks.
On tõestatud, et arvukad orgaanilised reaktsioonid annavad suurema saagikuse lühema reaktsiooniaja jooksul ja / või kergemates tingimustes ultrahelitöötluse abil.

Ultraheli võimaldab lihtsaid ühe poti reaktsioone

Ultrahelitöötlus võimaldab algatada mitmekomponendilisi reaktsioone ühe poti reaktsioonidena, mis tagavad struktuuriliselt mitmekesiste ühendite sünteesi. Selliseid ühe poti reaktsioone hinnatakse kõrge üldise tõhususe ja nende lihtsuse poolest, kuna vahesaaduste isoleerimine ja puhastamine ei ole vajalik.

Ultraheli lainete mõju asümmeetrilistele organokatalüütilistele reaktsioonidele on edukalt rakendatud erinevates reaktsioonitüüpides, sealhulgas faasiülekande katalüüsid, Hecki reaktsioonid, hüdrogeenimine, Mannichi reaktsioonid, Barbieri ja Barbieri-laadsed reaktsioonid, Diels-Lepa reaktsioonid, Suzuki sidumisreaktsioon ja Micheali lisamine.

Leidke oma organokatalüütilise reaktsiooni jaoks ideaalne ultrasonikaator!

Hielscher Ultrasonics on teie usaldusväärne partner, kui tegemist on suure jõudlusega, kvaliteetsete ultraheli seadmetega. Hielscher projekteerib, toodab ja levitab tipptasemel ultraheli sonde, reaktoreid ja tassi sarved sonokeemilisteks rakendusteks. Kõik seadmed on toodetud ISO sertifitseeritud protseduuride alusel ja saksa täpsusega, et saavutada suurepärane kvaliteet meie peakontoris Teltowis (Berliini lähedal), Saksamaal.
Hielscheri ultrasonikaatorite portfell ulatub kompaktsetest laborite ultrasonikaatoritest kuni suuremahulise keemiatööstuse täielikult tööstuslike ultraheli reaktoriteni. Sondid (tuntud ka kui sonotroodid, ultraheli sarved või näpunäited), võimendussarved ja reaktorid on kergesti kättesaadavad paljudes suurustes ja geomeetria. Kohandatud versioone saab toota ka teie vajadustele vastavaks.
Alates Hielscheri ultraheli’ ultraheli protsessorid on saadaval igas suuruses alates väikestest laboriseadmetest kuni suurte tööstuslike protsessoriteni partii- ja voolukeemia rakendustejaoks, suure jõudlusega ultrahelitöötlust saab hõlpsasti rakendada mis tahes reaktsiooni seadistusse. Ultraheli amplituudi täpne reguleerimine – sonokeemiliste rakenduste kõige olulisem parameeter – võimaldab kasutada Hielscheri ultrasonikaatoreid madalal kuni väga kõrgel amplituudil ja viimistleda amplituudi täpselt konkreetse keemilise reaktsioonisüsteemi vajalike ultraheli protsessi tingimustega.
Hielscheri ultraheli generaatoril on nutikas tarkvara, millel on automaatne andmete protokollimine. Kõik olulised töötlemisparameetrid, nagu ultraheli energia, temperatuur, rõhk ja aeg, salvestatakse automaatselt sisseehitatud SD-kaardile niipea, kui seade on sisse lülitatud.
Protsesside jälgimine ja andmete salvestamine on olulised protsessi pidevaks standardimiseks ja toote kvaliteediks. Automaatselt salvestatud protsessiandmetele juurde pääsedes saate vaadata varasemaid ultrahelitöötluse käike ja hinnata tulemust.
Teine kasutajasõbralik funktsioon on meie digitaalsete ultraheli süsteemide brauseri kaugjuhtimine. Brauseri kaugjuhtimispuldi kaudu saate oma ultraheli protsessorit käivitada, peatada, reguleerida ja jälgida eemalt kõikjalt.
Võtke meiega nüüd ühendust, et saada lisateavet meie suure jõudlusega ultraheli homogenisaatorite kohta, mis võivad parandada teie oragnokalüütilist sünteesireaktsiooni!

Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest: