Sonikeerimisega kiirendatud organokatalüütilised reaktsioonid

Orgaanilises keemias on organokatalüüs katalüüsi vorm, mille puhul keemilise reaktsiooni kiirust suurendab orgaaniline katalüsaator. See „organokatalüsaator“ koosneb süsinikust, vesinikust, väävlist ja teistest mittemetallilistest elementidest, mida leidub orgaanilistes ühendites. Suure võimsusega ultraheli rakendamist keemilistes süsteemides nimetatakse sonokeemiaks ning see on väljakujunenud meetod saagiste suurendamiseks, reaktsioonikiiruse parandamiseks ja reaktsiooni kiirendamiseks. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) korral on sageli võimalik keemilisi reaktsiooniteid muuta, vältides soovimatuid kõrvalsaadusi. Sonokeemia võib organokatalüütilisi reaktsioone edendada, muutes need tõhusamaks ja keskkonnasõbralikumaks.

Asümmeetriline organokatalüüs – täiustatud ultraheli töötlusega

Sonokeemia ehk suure jõudlusega ultraheli rakendamine keemilistes süsteemides võib organokatalüütilisi reaktsioone oluliselt parandada. Asümmeetrilise organokatalüüsi kombineerimine ultraheli töötlusega võimaldab organokatalüüsi sageli muuta keskkonnasõbralikumaks, mistõttu see kuulub rohelise keemia valdkonda. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) kiirendab (asümmeetrilist) organokatalüütilist reaktsiooni ning toob kaasa suuremad saagised, kiiremad konversioonimäärad, lihtsama produkti eraldamise/puhastamise ning parema selektiivsuse ja reaktiivsuse. Lisaks reaktsioonikineetika ja saagise parandamisele saab ultraheli töötlust sageli kombineerida säästvate reaktsioonilahustitega, näiteks ioonsete vedelike, sügaveutektiliste lahustite, leebete mittetoksiliste lahustite ja veega. Seega ei paranda sonokeemia mitte ainult (asümmeetrilist) organokatalüütilist reaktsiooni ennast, vaid toetab ka organokatalüütiliste reaktsioonide jätkusuutlikkust.

Uuringud on näidanud arvukalt näiteid sonokeemiliselt intensiivistatud organokatalüütiliste reaktsioonide kohta. Näiteks kasutatakse kaksikahelalisi DNA molekule kiraalse karkassina, et koostada metall-biomakromolekul hübriidkatalüsaatoreid asümmeetrilisteks sünteesireaktsioonideks. G-kvadrupleks-DNA-põhiseid katalüsaatoreid on rakendatud asümmeetrilistes Michaeli liitumis-, Diels-Alderi ja Friedel-Craftsi reaktsioonides. (vrd Zhao ja Shen, 2018)
Inidium-promotseeritud reaktsiooni puhul on ultraheli töötlusel soodne mõju, kuna sonokeemiliselt käivitatud reaktsioon kulgeb leebemates tingimustes, säilitades samal ajal kõrge diastereoselektsiooni taseme. Sonokeemilist teed kasutades saavutati häid tulemusi β-laktaamsüsivesikute, β-aminohappe ja spirodiketopiperasiinide organokatalüütilisel sünteesil suhkrulaktoonidest ning oksiimeetrite allüülimis- ja Reformatsky reaktsioonides.

Ultraheliga edendatud organokatalüütiline ravimisüntees

Rogozińska-Szymczak ja Mlynarski (2014) kirjeldavad 4-hüdroksükumariini asümmeetrilist Michaeli liitumist α,β-küllastumata ketoonidele vees ilma orgaaniliste kaaslahustiteta – katalüüsijateks orgaanilised primaarsed amiinid ja ultraheli töötlus. Enantiomeerselt puhta (S,S)-difenüületüleendiamiini kasutamine annab ultraheliga kiirendatud reaktsioonide kaudu rea olulisi farmatseutiliselt aktiivseid ühendeid heade kuni suurepäraste saagistega (73–98%) ja heade enantioselektiivsustega (kuni 76% ee). Teadlased esitavad tõhusa sonokeemilise protokolli antikoagulandi varfariini „tahkete ainete vees“ moodustamiseks mõlemas enantiomeerses vormis. See keskkonnasõbralik organokatalüütiline reaktsioon on mitte ainult skaleeritav, vaid annab ka sihtravimimolekuli enantiomeerselt puhtal kujul.

Terpeenide sonokeemiline epoksüdeerimine

Charbonneau et al. (2018) demonstreerisid terpeenide edukat epoksüdeerimist ultraheli töötluse (sonikeerimise) käigus. Tavapärane epoksüdeerimine nõuab katalüsaatori kasutamist, kuid sonikeerimisel kulgeb epoksüdeerimine katalüsaatorivaba reaktsioonina.
Limoneendioksiid on võtmetähtsusega vaheühend biopõhiste polükarbonaatide või isotsüanaadivabade polüuretaanide arendamisel. Sonikeerimine võimaldab terpeenide katalüsaatorivaba epoksüdeerimist väga lühikese reaktsiooniajaga – andes samal ajal väga häid saagiseid. Ultraheliga epoksüdeerimise tõhususe demonstreerimiseks võrdles uurimisrühm limoneeni epoksüdeerimist limoneendioksiidiks, kasutades oksüdeerijana in situ genereeritud dimetüüldioksiraani nii tavapärase segamise kui ka ultraheli töötluse tingimustes. Kõigi sonikeerimiskatsete puhul Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratoorne sonikaator oli kasutusel.

Aeg, mis kulus limoneeni täielikuks muundamiseks limoneendioksiidiks 100% saagisega sonikeerimisel, oli toatemperatuuril vaid 4,5 min. Võrdluseks: kui kasutati tavapärast segamist magnetsegajaga, oli limoneendioksiidi 97% saagise saavutamiseks vajalik aeg 1,5 h. α-pineeni epoksüdeerimist on samuti uuritud mõlema segamismeetodiga. α-pineeni epoksüdeerimine α-pineenoksiidiks sonikeerimisel nõudis vaid 4 min ja saagis oli 100%, samas kui tavapärase meetodi puhul oli reaktsiooniaeg 60 min. Mis puutub teistesse terpeenidesse, siis β-pineen muundati β-pineenoksiidiks vaid 4 min jooksul, farnesool andis aga 100% triepoksiidi 8 min jooksul. Karveool, limoneeni derivaat, muundati karveooldioksiidiks saagisega 98%. Karvooni epoksüdeerimisreaktsioonis dimetüüldioksiraaniga oli muundumine 100% 5 min jooksul, andes 7,8-karvoonoksiidi.
Sonokeemilise terpeenide epoksüdeerimise peamised eelised on oksüdeerija keskkonnasõbralik olemus (roheline keemia) ning oluliselt lühenenud reaktsiooniaeg selle oksüdeerimise läbiviimisel ultraheli abil segades. See epoksüdeerimismeetod võimaldas saavutada limoneeni 100% muundumise limoneendioksiidi 100% saagisega vaid 4,5 min jooksul, võrreldes 90 min-ga tavapärase segamise korral. Lisaks ei leitud reaktsioonikeskkonnast limoneeni oksüdatsiooniprodukte, näiteks karvooni, karveooli ja perrilyl-alkoholi. α-pineeni epoksüdeerimine ultraheli toimel nõudis vaid 4 min, andes 100% α-pineenoksiidi ilma tsükli oksüdeerumiseta. Ka teisi terpeene, nagu β-pineen, farnesool ja karveool, on oksüdeeritud, mis on viinud väga kõrgete epoksiidi saagisteni.

Sonokeemilised efektid

Klassikaliste meetodite alternatiivina on sonokeemilisi protokolle kasutatud väga mitmesuguste reaktsioonide kiiruste suurendamiseks, mille tulemusel saadakse tooteid leebemates tingimustes ja oluliselt lühema reaktsiooniajaga. Neid meetodeid on kirjeldatud keskkonnasõbralikumate ja jätkusuutlikumatena ning need on seotud suurema selektiivsuse ja väiksema energiatarbimisega soovitud muundamisel. Selliste meetodite mehhanism põhineb akustilise kavitatsiooni nähtusel, mis tekitab vedelas keskkonnas mullide moodustumise, kasvu ja adiabaatilise kokkuvarisemise kaudu ainulaadsed rõhu- ja temperatuuritingimused. See efekt parandab massiülekannet ja suurendab turbulentset voolu vedelikus, soodustades keemilisi muundumisi. Meie uuringutes on ultraheli kasutamine võimaldanud toota ühendeid lühema reaktsiooniajaga ning suure saagise ja puhtusega. Sellised omadused on suurendanud farmakoloogilistes mudelites hinnatud ühendite arvu, aidates kiirendada hit-to-lead optimeerimise protsessi.
See suure energiahulgaga sisend mitte ainult ei võimenda mehaanilisi efekte heterogeensetes protsessides, vaid on teadaolevalt ka võimeline esile kutsuma uusi reaktsioonivõimeid, mis viivad ootamatute keemiliste liikide tekkeni. Sonokeemia ainulaadsuse teeb kavitatsiooni tähelepanuväärne nähtus, mis tekitab mikromulli keskkonna lokaalselt piiratud ruumis erakordseid efekte, mis tulenevad vahelduvatest kõrg- ja madalrõhutsüklitest, väga suurtest temperatuurierinevustest, tugevatest nihkejõududest ja vedeliku voolamisest.

Sonokeemiliselt soodustatud organokatalüütiliste reaktsioonide eelised

Ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutatakse orgaanilises sünteesis ja katalüüsis üha enam, kuna sonokeemilised efektid intensiivistavad keemilisi reaktsioone oluliselt. Eriti võrreldes traditsiooniliste meetoditega (nt kuumutamine, segamine) on sonokeemia tõhusam, mugavam ja täpsemalt kontrollitav. Ultraheli töötlus ja sonokeemia pakuvad mitmeid olulisi eeliseid, nagu suuremad saagised, ühendite suurem puhtus ja selektiivsus, lühemad reaktsiooniajad, madalamad kulud ning sonokeemilise protseduuri lihtne kasutamine ja käsitsemine. Need soodsad tegurid muudavad ultraheli abil toimuvad keemilised reaktsioonid mitte ainult tõhusamaks ja ohutumaks, vaid ka keskkonnasõbralikumaks.
Mitmete orgaaniliste reaktsioonide puhul on tõestatud, et ultraheli töötlust kasutades saadakse suuremad saagised lühema reaktsiooniajaga ja / või leebemates tingimustes.

Ultraheli töötlus võimaldab lihtsaid üheanumareaktsioone

Ultraheli töötlus võimaldab algatada mitmekomponentseid reaktsioone üheanumareaktsioonidena, mis võimaldavad sünteesida struktuurilt mitmekesiseid ühendeid. Selliseid üheanumareaktsioone hinnatakse nende suure üldise tõhususe ja lihtsuse tõttu, kuna vaheühendeid ei ole vaja eraldada ega puhastada.

Ultraheli lainete mõju asümmeetrilistele organokatalüütilistele reaktsioonidele on edukalt rakendatud mitmesugustes reaktsioonitüüpides, sealhulgas faasidevahelises katalüüsis, Heck’i reaktsioonides, hüdrogeenimises, Mannichi reaktsioonides, Barbier’ ja Barbier’-laadsetes reaktsioonides, Diels-Alderi reaktsioonides, Suzuki sidumisreaktsioonis ja Michaeli liitumisreaktsioonis.

Leidke oma organokatalüütilise reaktsiooni jaoks ideaalne ultraheli homogenisaator!

Hielscher Ultrasonics on teie usaldusväärne partner, kui vajate suure jõudlusega ja kvaliteetseid ultraheliseadmeid. Hielscher projekteerib, toodab ja turustab tipptasemel ultraheli sonde, reaktoreid ja kausssonotroode (cup-horn) sonokeemiliste rakenduste jaoks. Kõik seadmed valmistatakse ISO-sertifitseeritud protseduuride kohaselt ja saksa täpsusega ning need on kõrgeima kvaliteediga meie peakontoris Teltowis (Berliini lähedal) Saksamaal.
Hielscheri ultrahelitöötlusseadmete valik ulatub kompaktsetest laboratoorsetest sonikaatoritest täielikult tööstuslike ultraheli reaktoriteni suuremahuliseks keemiliseks tootmiseks. Sonde (tuntud ka kui sonotroode, ultraheli sarvi või otsakuid), võimendussarvi ja reaktoreid on kohe saadaval mitmes erinevas suuruses ja geomeetrias. Soovi korral saab valmistada ka teie nõuetele vastavaid kohandatud versioone.
Kuna Hielscher Ultrasonicsi ultraheliprotsessorid on saadaval igas suuruses – väikestest laboriseadmetest kuni suurte tööstuslike protsessoriteni perioodiliste ja voolukeemia rakenduste jaoks –, saab suure jõudlusega ultraheli töötluse (sonikeerimise) hõlpsasti integreerida mis tahes reaktsiooniseadmesse. Ultraheli amplituudi täpne reguleerimine – sonokeemiliste rakenduste kõige olulisem parameeter – võimaldab Hielscheri sonikaatoreid kasutada madalatel kuni väga kõrgetel amplituudidel ning häälestada amplituudi täpselt vastavalt konkreetse keemilise reaktsioonisüsteemi nõutavatele ultraheliprotsessi tingimustele.
Hielscheri ultraheligeneraatoritel on nutikas tarkvara automaatse andmete protokollimisega. Kõik olulised töötlusparameetrid, nagu ultraheli energia, temperatuur, rõhk ja aeg, salvestatakse seadme sisselülitamisel automaatselt sisseehitatud SD-kaardile.
Protsessi jälgimine ja andmete salvestamine on olulised pideva protsessi standardimise ja tootekvaliteedi jaoks. Automaatselt salvestatud protsessiandmetele juurde pääsedes saate eelnevaid ultraheli töötluse (sonikeerimise) käike üle vaadata ja tulemust hinnata.
Teine kasutajasõbralik funktsioon on meie digitaalsete ultraheli süsteemide brauseri kaugjuhtimine. Brauseri kaugjuhtimise kaudu saate oma ultraheliprotsessorit kaugelt kust tahes käivitada, peatada, reguleerida ja jälgida.
Võtke meiega kohe ühendust, et teada saada rohkem selle kohta, kuidas meie suure jõudlusega ultraheli homogenisaatorid saavad parandada teie organokatalüütilist sünteesireaktsiooni!

Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest: