واکنش‌های ارگانوکاتالیزی تقویت‌شده با فراصوت‌دهی
در شیمی آلی، ارگانوکاتالیز نوعی کاتالیز است که در آن سرعت یک واکنش شیمیایی به‌وسیلهٔ یک کاتالیزگر آلی افزایش می‌یابد. این «ارگانوکاتالیزگر» از کربن، هیدروژن، گوگرد و دیگر عناصر نافلزی موجود در ترکیبات آلی تشکیل شده است. اعمال فراصوت پرتوان به سامانه‌های شیمیایی، سونوشیمی نام دارد و روشی تثبیت‌شده برای افزایش بازده، بهبود نرخ واکنش و شتاب‌بخشیدن به واکنش است. در شرایط فراصوت‌دهی، اغلب می‌توان مسیرهای شیمیایی را تغییر داد و از تشکیل محصولات جانبی ناخواسته جلوگیری کرد. سونوشیمی می‌تواند واکنش‌های ارگانوکاتالیزی را تقویت کند و آن‌ها را کارآمدتر و سازگارتر با محیط‌زیست سازد.
ارگانوکاتالیز نامتقارن – بهبودیافته با فراصوت‌دهی
سونوشیمی، یعنی اعمال فراصوت با عملکرد بالا به سامانه‌های شیمیایی، می‌تواند واکنش‌های ارگانوکاتالیزی را به‌طور چشمگیری بهبود دهد. ترکیب ارگانوکاتالیز نامتقارن با فراصوت‌دهی اغلب امکان تبدیل ارگانوکاتالیز به مسیری سازگارتر با محیط‌زیست را فراهم می‌کند و ازاین‌رو آن را در چارچوب شیمی سبز قرار می‌دهد. فراصوت‌دهی به واکنش ارگانوکاتالیزی (نامتقارن) شتاب می‌بخشد و موجب بازده بالاتر، نرخ تبدیل سریع‌تر، جداسازی/خالص‌سازی آسان‌تر محصول و بهبود گزینش‌پذیری و واکنش‌پذیری می‌شود. فراصوت‌دهی، علاوه بر کمک به بهبود سینتیک و بازده واکنش، اغلب می‌تواند با حلال‌های پایدار واکنش، مانند مایعات یونی، حلال‌های یوتکتیک عمیق، حلال‌های ملایم و غیرسمی و آب ترکیب شود. به‌این‌ترتیب، سونوشیمی نه‌تنها خود واکنش ارگانوکاتالیزی (نامتقارن) را بهبود می‌دهد، بلکه به پایداری زیست‌محیطی واکنش‌های ارگانوکاتالیزی نیز کمک می‌کند.
فراصوت‌دهی واکنش‌های ارگانوکاتالیزی را تقویت می‌کند و موجب بهبود نرخ تبدیل، افزایش بازده و گزینش‌پذیری می‌شود.
در واکنش تقویت‌شده با ایندیم، فراصوت‌دهی آثار سودمندی نشان می‌دهد، زیرا واکنش پیش‌برده‌شده به‌روش سونوشیمیایی در شرایط ملایم‌تری انجام می‌شود و در نتیجه سطوح بالای دیاستریوگزینش‌پذیری حفظ می‌شود. با استفاده از مسیر سونوشیمیایی، نتایج خوبی در سنتز ارگانوکاتالیزی کربوهیدرات‌های β-لاکتام، اسید β-آمینه و اسپیرو‌دی‌کتوپیپرازین‌ها از لاکتون‌های قندی، و نیز در آلیل‌دارکردن و واکنش‌های Reformatsky روی اترهای اکسیم به دست آمده است.
سنتز ارگانوکاتالیزی دارو با تقویت فراصوتی
Rogozińska-Szymczak and Mlynarski (2014) واکنش افزایشی نامتقارن Michael بین 4-هیدروکسی‌کومارین و کتون‌های α,β-غیراشباع را بر روی آب و بدون کمک‌حلال‌های آلی گزارش کرده‌اند – واکنشی که با آمین‌های نوع اول آلی و فراصوت‌دهی کاتالیز می‌شود. استفاده از (S,S)-دی‌فنیل‌اتیلن‌دی‌آمین خالص از نظر انانتیومری، از طریق واکنش‌های تسریع‌شده با فراصوت، مجموعه‌ای از ترکیبات مهم با فعالیت دارویی را با بازده خوب تا عالی (73–98%) و انانتیوگزینش‌پذیری خوب (تا 76% ee) فراهم می‌کند. پژوهشگران دستورکاری سونوشیمیایی و کارآمد برای تولید داروی ضدانعقاد وارفارین در هر دو شکل انانتیومری با روش «جامدات بر روی آب» ارائه می‌کنند. این واکنش ارگانوکاتالیزی سازگار با محیط‌زیست نه‌تنها مقیاس‌پذیر است، بلکه مولکول دارویی هدف را نیز به‌شکل خالص از نظر انانتیومری تولید می‌کند.
فراصوت‌دهی واکنش افزایشی نامتقارن Michael بین 4-هیدروکسی‌کومارین و کتون‌های α,β-غیراشباع را بر روی آب و بدون کمک‌حلال‌های آلی تقویت می‌کند.
تصویر و پژوهش: ©Rogozińska-Szymczak and Mlynarski; 2014.
اپوکسیداسیون سونوشیمیایی ترپن‌ها
Charbonneau et al. (2018) اپوکسیداسیون موفق ترپن‌ها را در شرایط فراصوت‌دهی نشان دادند. اپوکسیداسیون متداول به استفاده از کاتالیزگر نیاز دارد، اما با فراصوت‌دهی، اپوکسیداسیون به‌صورت واکنشی بدون کاتالیزگر انجام می‌شود.
لیمونن دی‌اکسید یک مولکول واسطهٔ کلیدی برای توسعهٔ پلی‌کربنات‌های زیست‌پایه یا پلی‌یورتان‌های غیرایزوسیاناتی است. فراصوت‌دهی اپوکسیداسیون بدون کاتالیزگر ترپن‌ها را در زمان واکنش بسیار کوتاهی امکان‌پذیر می‌کند – و هم‌زمان بازده بسیار خوبی به دست می‌دهد. برای نشان‌دادن اثربخشی اپوکسیداسیون فراصوتی، گروه پژوهشی اپوکسیداسیون لیمونن به لیمونن دی‌اکسید را با استفاده از دی‌متیل دی‌اکسیران تولیدشده درجا به‌عنوان عامل اکسنده، در هر دو حالت هم‌زدن متداول و فراصوت‌دهی مقایسه کرد. در تمام آزمایش‌های فراصوت‌دهی، از سونیکاتور آزمایشگاهی Hielscher UP50H (50W, 30kHz) استفاده شد.
اپوکسیداسیون سونوشیمیایی بسیار کارآمد ترپن‌ها (برای مثال، لیمونن دی‌اکسید، α-پینن اکسید، β-پینن اکسید، تری‌اپوکسید و غیره) با سونیکاتور UP50H
تصویر و پژوهش: © Charbonneau et al., 2018
زمان لازم برای تبدیل کامل لیمونن به لیمونن دی‌اکسید با بازده 100% در شرایط فراصوت‌دهی، در دمای اتاق تنها 4٫5 min بود. در مقابل، با استفاده از هم‌زدن متداول با همزن مغناطیسی، زمان لازم برای دستیابی به بازده 97% لیمونن دی‌اکسید، 1٫5 h بود. اپوکسیداسیون α-پینن نیز با هر دو روش هم‌زدن بررسی شده است. اپوکسیداسیون α-پینن به α-پینن اکسید در شرایط فراصوت‌دهی تنها به 4 min نیاز داشت و بازده 100% حاصل شد، درحالی‌که زمان واکنش در روش متداول 60 min بود. در مورد دیگر ترپن‌ها، β-پینن تنها در 4 min به β-پینن اکسید تبدیل شد، درحالی‌که فارنزول در 8 min تری‌اپوکسید را با بازده 100% تولید کرد. کاروئول، یکی از مشتقات لیمونن، با بازده 98% به کاروئول دی‌اکسید تبدیل شد. در واکنش اپوکسیداسیون کاروون با استفاده از دی‌متیل دی‌اکسیران، تبدیل در 5 min به 100% رسید و 7,8-کاروون اکسید تولید شد.
مزایای اصلی اپوکسیداسیون سونوشیمیایی ترپن‌ها، ماهیت سازگار با محیط‌زیست عامل اکسنده (شیمی سبز) و نیز کاهش چشمگیر زمان واکنش با انجام این اکسایش تحت هم‌زدن فراصوتی است. این روش اپوکسیداسیون دستیابی به تبدیل 100% لیمونن با بازده 100% لیمونن دی‌اکسید را تنها در 4٫5 min امکان‌پذیر کرد، در مقایسه با 90 min هنگام استفاده از هم‌زدن سنتی. افزون بر این، هیچ‌یک از محصولات اکسایش لیمونن، مانند کاروون، کاروئول و پریلیل الکل، در محیط واکنش یافت نشد. اپوکسیداسیون α-پینن تحت فراصوت تنها به 4 min نیاز داشت و α-پینن اکسید را با بازده 100% و بدون اکسایش حلقه تولید کرد. دیگر ترپن‌ها، مانند β-پینن، فارنزول و کاروئول، نیز اکسید شده‌اند و بازده بسیار بالایی از اپوکسیدها به دست داده‌اند.
راکتور با هم‌زدن فراصوتی مجهز به سونیکاتور UP200St برای تشدید واکنش‌های ارگانوکاتالیزی.
اثرات سونوشیمیایی
دستورکارهای مبتنی بر سونوشیمی به‌عنوان جایگزینی برای روش‌های کلاسیک، برای افزایش سرعت طیف گسترده‌ای از واکنش‌ها به کار رفته‌اند و به تولید محصولات در شرایط ملایم‌تر و با کاهش چشمگیر زمان واکنش منجر شده‌اند. این روش‌ها سازگارتر با محیط‌زیست و پایدارتر توصیف شده‌اند و برای تبدیل‌های موردنظر با گزینش‌پذیری بیشتر و مصرف انرژی کمتر همراه‌اند. سازوکار این روش‌ها بر پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی استوار است که از طریق تشکیل، رشد و فروپاشی بی‌درروی حباب‌ها در محیط مایع، شرایط منحصربه‌فردی از فشار و دما ایجاد می‌کند. این اثر انتقال جرم را بهبود می‌دهد و جریان آشفته را در مایع افزایش می‌دهد و در نتیجه تبدیل‌های شیمیایی را تسهیل می‌کند. در مطالعات ما، استفاده از فراصوت به تولید ترکیبات با بازده و خلوص بالا در زمان‌های واکنش کوتاه‌تر منجر شده است. این ویژگی‌ها تعداد ترکیبات ارزیابی‌شده در مدل‌های داروشناختی را افزایش داده‌اند و به تسریع فرایند بهینه‌سازی ترکیبات اولیهٔ فعال به ترکیبات پیشرو کمک کرده‌اند.
این ورودی انرژی بالا نه‌تنها می‌تواند اثرات مکانیکی را در فرایندهای ناهمگن تقویت کند، بلکه به ایجاد واکنش‌پذیری‌های جدیدی نیز شناخته می‌شود که به تشکیل گونه‌های شیمیایی غیرمنتظره می‌انجامند. آنچه سونوشیمی را منحصربه‌فرد می‌کند، پدیدهٔ چشمگیر کاویتاسیون است که در فضای موضعی و محدود پیرامون ریزحباب، بر اثر چرخه‌های متناوب فشار بالا / فشار پایین، اختلاف دماهای بسیار زیاد، نیروهای برشی شدید و جریان مایع، اثراتی فوق‌العاده ایجاد می‌کند.
- واکنش‌های نامتقارن Diels-Alder
- واکنش‌های نامتقارن Michael
- واکنش‌های نامتقارن Mannich
- اپوکسیداسیون Shi
- هیدروژناسیون انتقالی ارگانوکاتالیزی
سامانهٔ فراصوتی درون‌خطی مجهز به UIP2000hdT (2000W, 20kHz) برای واکنش‌های سونوشیمیایی، برای مثال برای بهبود واکنش‌های ارگانوکاتالیزی
مزایای واکنش‌های ارگانوکاتالیزی تقویت‌شده به‌روش سونوشیمیایی
فراصوت‌دهی به‌طور فزاینده‌ای در سنتز آلی و کاتالیز به کار می‌رود، زیرا اثرات سونوشیمیایی موجب تشدید چشمگیر واکنش‌های شیمیایی می‌شوند. سونوشیمی، به‌ویژه در مقایسه با روش‌های سنتی (مانند گرم‌کردن و هم‌زدن)، کارآمدتر، آسان‌تر و با دقت بیشتری قابل‌کنترل است. فراصوت‌دهی و سونوشیمی چندین مزیت عمده، از جمله بازده بالاتر، افزایش خلوص ترکیبات و گزینش‌پذیری، زمان واکنش کوتاه‌تر، هزینه‌های کمتر و نیز سادگی اجرا و کار با روش سونوشیمیایی ارائه می‌دهند. این عوامل سودمند، واکنش‌های شیمیایی به‌کمک فراصوت را نه‌تنها مؤثرتر و ایمن‌تر، بلکه سازگارتر با محیط‌زیست نیز می‌کنند.
ثابت شده است که بسیاری از واکنش‌های آلی، هنگامی که با فراصوت‌دهی انجام می‌شوند، در زمان واکنش کوتاه‌تر و / یا در شرایط ملایم‌تر، بازده بالاتری به دست می‌دهند.
فراصوت‌دهی امکان انجام واکنش‌های سادهٔ تک‌ظرفی را فراهم می‌کند
فراصوت‌دهی امکان آغاز واکنش‌های چندجزئی را به‌صورت واکنش‌های تک‌ظرفی فراهم می‌کند که سنتز ترکیباتی با ساختارهای متنوع را ممکن می‌سازند. این واکنش‌های تک‌ظرفی به‌دلیل کارایی کلی بالا و سادگی ارزشمند هستند، زیرا به جداسازی و خالص‌سازی مواد واسطه نیاز ندارند.
اثرات امواج فراصوت بر واکنش‌های ارگانوکاتالیزی نامتقارن، با موفقیت در انواع مختلف واکنش‌ها به کار گرفته شده‌اند؛ از جمله کاتالیز انتقال فاز، واکنش‌های Heck، هیدروژناسیون، واکنش‌های Mannich، واکنش‌های Barbier و شبهBarbier، واکنش‌های Diels-Alder، واکنش جفت‌شدن Suzuki و واکنش افزایشی Michael.
سونیکاتور ایدئال برای واکنش ارگانوکاتالیزی خود را بیابید!
Hielscher Ultrasonics شریک قابل‌اعتماد شما در زمینهٔ تجهیزات فراصوتی با عملکرد و کیفیت بالا است. Hielscher پروب‌ها، راکتورها و هورن‌های فنجانی فراصوتی پیشرفته را برای کاربردهای سونوشیمیایی طراحی، تولید و عرضه می‌کند. تمام تجهیزات در دفتر مرکزی ما در Teltow (نزدیک برلین)، آلمان، طبق رویه‌های دارای گواهی ISO و با دقت آلمانی برای دستیابی به کیفیت برتر تولید می‌شوند.
مجموعهٔ سونیکاتورهای Hielscher از سونیکاتورهای آزمایشگاهی جمع‌وجور تا راکتورهای فراصوتی کاملاً صنعتی برای تولید مواد شیمیایی در مقیاس بزرگ را در بر می‌گیرد. پروب‌ها (که با نام سونوتْرود، هورن فراصوتی یا نوک فراصوتی نیز شناخته می‌شوند)، هورن‌های تقویت‌کننده و راکتورها در اندازه‌ها و شکل‌های هندسی متعدد به‌راحتی در دسترس‌اند. نسخه‌های سفارشی نیز می‌توانند مطابق نیازهای شما تولید شوند.
ازآنجاکه پردازشگرهای فراصوتی Hielscher Ultrasonics در هر اندازه‌ای، از دستگاه‌های کوچک آزمایشگاهی تا پردازشگرهای بزرگ صنعتی برای کاربردهای شیمی ناپیوسته و جریان پیوسته، عرضه می‌شوند، فراصوت‌دهی با عملکرد بالا را می‌توان به‌آسانی در هر آرایش واکنشی پیاده‌سازی کرد. تنظیم دقیق دامنهٔ فراصوت – مهم‌ترین پارامتر برای کاربردهای سونوشیمیایی – امکان کار با سونیکاتورهای Hielscher در دامنه‌های پایین تا بسیار بالا و تنظیم ظریف دامنه را دقیقاً متناسب با شرایط موردنیاز فرایند فراصوتی در سامانهٔ واکنش شیمیایی مشخص فراهم می‌کند.
مولد فراصوت Hielscher از نرم‌افزاری هوشمند با ثبت خودکار داده‌ها برخوردار است. تمام پارامترهای مهم پردازش، مانند انرژی فراصوت، دما، فشار و زمان، به‌محض روشن‌شدن دستگاه به‌طور خودکار روی یک کارت SD داخلی ذخیره می‌شوند.
پایش فرایند و ثبت داده‌ها برای استانداردسازی مستمر فرایند و کیفیت محصول اهمیت دارند. با دسترسی به داده‌های فرایندی که به‌طور خودکار ثبت شده‌اند، می‌توانید اجراهای پیشین فراصوت‌دهی را بازبینی و نتایج را ارزیابی کنید.
یکی دیگر از ویژگی‌های کاربرپسند سامانه‌های فراصوتی دیجیتال ما، کنترل از راه دور از طریق مرورگر است. با کنترل از راه دور مبتنی بر مرورگر، می‌توانید پردازشگر فراصوتی خود را از هر مکانی راه‌اندازی، متوقف، تنظیم و پایش کنید.
همین حالا با ما تماس بگیرید تا بیشتر بدانید که هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالای ما چگونه می‌توانند واکنش سنتز ارگانوکاتالیزی شما را بهبود دهند!
- کارایی بالا
- فناوری پیشرفته
- قابلیت اطمینان و استحکام
- ناپیوسته و درون‌خطی
- برای هر حجم
- نرم‌افزار هوشمند
- قابلیت‌های هوشمند (مانند ثبت داده‌ها)
- کاربری بسیار آسان و راحت
- CIP (شست‌وشو در محل)
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- Domini, Claudia; Alvarez, Mónica; Silbestri, Gustavo; Cravotto, Giancarlo; Cintas, Pedro (2017): Merging Metallic Catalysts and Sonication: A Periodic Table Overview. Catalysts 7, 2017.
- Rogozińska-Szymczak, Maria; Mlynarski, Jacek (2014): Asymmetric synthesis of warfarin and its analogues on water. Tetrahedron: Asymmetry, Volume 25, Issues 10–11, 2014. 813-820.
- Charbonneau, Luc; Foster, Xavier; Kaliaguine, Serge (2018): Ultrasonic and Catalyst-Free Epoxidation of Limonene and Other Terpenes Using Dimethyl Dioxirane in Semibatch Conditions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 2018.
- Zhao, H.; Shen, K. (2016): G-quadruplex DNA-based asymmetric catalysis of michael addition: Effects of sonication, ligands, and co-solvents. Biotechnology Progress 8;32(4), 2016. 891-898.
- Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
- Martín-Aranda, Rosa; Ortega-Cantero, E.; Rojas-Cervantes, M.; Vicente, Miguel Angel; Bañares-Muñoz, M.A. (2002): Sonocatalysis and Basic Clays. Michael Addition Between Imidazole and Ethyl Acrylate. Catalysis Letters. 84, 2002. 201-204.
- Ji-Tai Li; Hong-Guang Dai; Wen-Zhi Xu; Tong-Shuang Li (2006): Michael addition of indole to α,β-unsaturated ketones catalysed by silica sulfuric acid under ultrasonic irradiation. Journal of Chemical Research 2006. 41-42.
دانستنی‌های مفید
ارگانوکاتالیز چیست؟
ارگانوکاتالیز نوعی کاتالیز است که در آن سرعت یک واکنش شیمیایی با استفاده از یک کاتالیزگر آلی افزایش می‌یابد. این ارگانوکاتالیزگر می‌تواند از کربن، هیدروژن، گوگرد و دیگر عناصر نافلزی موجود در ترکیبات آلی تشکیل شده باشد. ارگانوکاتالیز چندین مزیت دارد. ازآنجاکه واکنش‌های ارگانوکاتالیزی به کاتالیزگرهای فلزی نیاز ندارند، سازگارتر با محیط‌زیست هستند و ازاین‌رو به شیمی سبز کمک می‌کنند. ارگانوکاتالیزگرها را اغلب می‌توان به‌آسانی و با هزینهٔ کم تولید کرد و آن‌ها مسیرهای سنتز سبزتری را امکان‌پذیر می‌سازند.
ارگانوکاتالیز نامتقارن
ارگانوکاتالیز نامتقارن، واکنشی نامتقارن یا انانتیوگزینشی است که تنها یک انانتیومر از مولکول‌های دارای دست‌سانی تولید می‌کند. انانتیومرها جفت‌هایی از استریوایزومرهای کایرال هستند. یک مولکول کایرال بر تصویر آینه‌ای خود منطبق نمی‌شود، بنابراین تصویر آینه‌ای آن در واقع مولکولی متفاوت است. برای مثال، تولید انانتیومرهای مشخص در ساخت داروها اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا اغلب تنها یک انانتیومر از یک مولکول دارویی اثر مثبت معینی دارد، درحالی‌که انانتیومر دیگر بی‌اثر یا حتی زیان‌آور است.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در اندازه‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.