Klikkikemia – miten klikkireaktioita voidaan tehostaa ultraäänikäsittelyllä

Klikkikemian reaktiot, kuten kuparikatalysoidut atsidi–alkyyni-sykloadditioreaktiot (CuAAC), voivat hyötyä suuresti tehoultraäänen käytöstä. Sonokemialliset vaikutukset lisäävät saantoa ja konversioastetta. Lisäksi klikkikemian reaktioiden kokonaistehokkuus paranee. Vihreän kemian menetelmänä ultraäänikäsittely edistää tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä kemiallisia reaktioita.

Ultraäänellä edistetty kuparikatalysoitu atsidi–alkyyni-sykloadditio

Kuparikatalysoitu atsidi–alkyyni-sykloadditio (CuAAC) tunnetaan klikkikemian reaktioiden tärkeimpänä ja merkittävimpänä esimerkkinä. Cravotto ja hänen kollegansa Torinon yliopistosta (Italia) ovat kehittäneet menetelmän atsidien ja alkyynien ultraääniavusteiseen 1,3-dipolaariseen sykloadditioreaktioon, jossa katalyyttinä käytetään metallista kuparia (Cu). Atsidiryhmä osallistuu herkästi tämäntyyppiseen orgaaniseen reaktioon. Atsidiryhmän kyky kytkeytyä alkyyneihin paranee huomattavasti Cu(I):n läsnä ollessa, ja ultraäänikäsittely edistää klikkireaktiota.

Ultraäänellä sekoitettu reaktori sonokemiallisiin sovelluksiin, mukaan lukien klikkikemian reaktiot.

Ultraäänellä sekoitettu reaktori varustettuna ultraäänilaitteella UP200St klikkikemian kemiallisten reaktioiden tehostamiseen.

Sonokemiallisesti tehostetun klikkikemian edut

parempi kytkeytymiskyky
suuremmat saannot
nopeampi reaktio
parempi reaktiokinetiikka
vihreä kemia
helppo ja turvallinen käyttö

Klikkikemian reaktiot hyötyvät suuresti sonokemiallisesta käsittelystä. Ultraäänikäsittely parantaa sykloadditioreaktioiden saantoa ja lisää reaktionopeutta.

Sonokemiallisesti tehostettu klikkikemia: ultraäänikäsittely parantaa kuparikatalysoitua sykloadditiota fenyyliasetyleenin kanssa.
(Tutkimus ja kuva: © Cintas et al., 2010)

Sonokemiallisten reaktioiden edut

Ultraäänisynteesi (sonosynteesi) on noussut yhdeksi kemian arvostetuimmista tehostamismenetelmistä lukuisten etujensa ansiosta. Sonokemiallisesti edistetyt reaktiot ovat tavanomaisia sekoitukseen tai lämpöön perustuvia menetelmiä parempia muun muassa reaktionopeuden, saannon, käytön helppouden, tuotteiden puhtauden ja energiatehokkuuden suhteen. On tieteellisesti osoitettu, että tehoultraäänen käyttö voi edistää kemiallisia reaktioita ja vähentää sekä reaktioaikaa että ei-toivottuja sivureaktioita. Vaihtoehtoisena vihreänä energianlähteenä ultraäänikäsittely tekee monista kemiallisista reaktioista ympäristöystävällisempiä, sillä tarvitaan vähemmän lähtöaineita, miedompia liuottimia ja vähemmän energiaa.

Tässä videossa Hielscherin 200 watin UP200St-ultraäänihomogenisaattori, jossa on 7mm:n sonotrodi, on asennettu lasireaktorin pohjassa olevaan vakiomalliseen lasiliitäntään. Laite voidaan asentaa vaakasuoraan, pystysuoraan tai mihin tahansa muuhun suuntaan. Yhteen reaktoriastiaan voidaan asentaa useita ultraääniantureita esimerkiksi eri korkeuksille. Asennusta sivulta tai pohjasta suositaan usein, koska se toimii paremmin nestepinnan korkeuden vaihdellessa. Ultraäänisekoitus voidaan yhdistää tavanomaisiin yläpuolisiin sekoittimiin.

Sonokemialliset kuparikatalysoidut orgaaniset reaktiot

Ultraäänen ja sonokemian hyödylliset vaikutukset metalleja sisältäviin reaktioihin tunnetaan hyvin. Ultraäänikäsittely edistää passivoivien kerrosten mekaanista poistumista ja tehostaa sekä aineensiirtoa että elektroninsiirtoa metallista orgaaniseen vastaanottajaan.
Ultraääniavusteista klikkisynteesiä on käytetty monenlaisten 1,4-disubstituoitujen 1,2,3-triatsolijohdannaisten valmistamiseen lähtien sekä pienistä molekyyleistä että oligomeereistä, kuten syklodekstriineistä (CD:t). Tällä tehokkaalla ja vihreämmällä menetelmällä kaikki adduktit voidaan syntetisoida 2–4 h:ssa (mukaan lukien reaktioseoksen jälkikäsittely mutta pois lukien karakterisointi). Klikkikemian on osoitettu voivan yhdistää kemian suoraan biologiaan, jolloin siitä tulee aidosti monitieteinen reaktio, jonka sovellettavuus on erittäin laaja.
(vrt. Cintas et al., 2010)

Suljettu panosreaktori valmistajan Hielscher ultraäänilaitteille: tämä reaktori soveltuu ihanteellisesti sonokemiallisiin reaktioihin, mukaan lukien klikkikemian reaktiot, sykloadditiot, orgaanisen kemian reaktiot ja muut reaktiotyypit.

Suljettu ultraäänireaktori sonokemiallisiin reaktioihin, esimerkiksi klikkikemiassa.

Aikaa säästävä klikkikemia ultraäänellä nopeutetun reaktiokinetiikan ansiosta

Ultraäänen käyttö voi nopeuttaa hitaita kemiallisia reaktioita, jotka kestävät panostoimisina tavallisesti useita tunteja. Huomattavasti parantuneen reaktiokinetiikan ansiosta reaktioaika voidaan lyhentää muutamaan minuuttiin. Ultraäänivirtausreaktorin käyttö voi parantaa saantoja merkittävästi ja säästää aikaa, mikä tehostaa huomattavasti tavanomaisesti hitaita synteesejä.

Tehokkaat ultraäänilaitteet sonokemiallisesti tehostettuihin klikkireaktioihin

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja toimittaa tehokkaita anturityyppisiä ultraäänilaitteita, sonokemiallisia reaktoreita ja lisävarusteita vaativiin sonokemiallisiin prosesseihin. Ultraääniprosessorien tehot vaihtelevat 50 watista 16 000 wattiin anturia (sonotrodia / ultraäänitorvea) kohti, joten Hielscher pystyy tarjoamaan kemialliseen reaktioosi parhaiten soveltuvan sonokemiallisen laitteiston.
Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan laadustaan, luotettavuudestaan ja kestävyydestään. Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti tehokkaita ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustavat ratkaisut ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Panostilavuus	Tilavuusvirta	Suositellut laitteet
1–500 mL	10–200 mL/min	UP100H
10–2 000 mL	20–400 mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1–20 L	0,2–4 L/min	UIP2000hdT
10–100 L	2–10 L/min	UIP4000hdT
15–150 L	3–15 L/min	UIP6000hdT
n.a.	10–100 L/min	UIP16000
n.a.	suurempi	laiteryhmä, joka koostuu laitteista UIP16000

Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!

Voimakkaita leikkausvoimia tuottavia ultraäänihomogenisaattoreita käytetään laboratorio-, pöytälaite-, pilotti- ja teollisuusmittakaavan käsittelyssä.

Hielscher Ultrasonics valmistaa tehokkaita ultraäänihomogenisaattoreita sekoitukseen, dispergointiin, emulgointiin ja uuttoon laboratorio-, pilotti- ja teollisuusmittakaavassa.

Liittyvät aiheet

Kirjallisuus / Lähteet

Cintas, Pedro; Barge, Alessandro; Tagliapietra, Silvia; Boffa, Luisa; Cravotto, Giancarlo (2010): Alkyne-azide click reaction catalyzed by metallic copper under ultrasound. Nature Protocols 5, 2010. 607-16.
El-bendary, M.M.; Saleh, T.S.; Al-Bogami, A.S. (2018): Ultrasound Assisted High-Throughput Synthesis of 1,2,3-Triazoles Libraries: A New Strategy for “Click” Copper-Catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition Using Copper(I/II) as a Catalyst. Catalysis Letters 148, 2018. 3797–3810.
Nobel Prize Committee: The click reaction that changed chemistry.
Andrijana Mescic; Anita Salic; Tomislav Gregoric; Bruno Zelic; Silvana Raic- Malic (2017): Continuous flow-ultrasonic synergy in click reactions for the synthesis of novel 1,2,3-triazolyl appended 4,5-unsaturated l-ascorbic acid derivatives. RSC Advances 7, 2017. 791-800.
Salvatore Marullo, Francesca D’Anna, Carla Rizzo, Renato Noto, (2015): The ultrasounds–ionic liquids synergy on the copper catalyzed azide–alkyne cycloaddition between phenylacetylene and 4-azidoquinoline. Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 23, 2015. 317-323.
Arafa, Wael & Nayl, A.A. (2019): Water as a solvent for Ru‐catalyzed click reaction: Highly efficient recyclable catalytic system for triazolocoumarins synthesis. Applied Organometallic Chemistry 2019.

Hyödyllistä tietoa

Klikkikemia palkittiin vuoden 2022 kemian Nobel-palkinnolla

Klikkikemia, jonka käsitteen Sharpless ja hänen työtoverinsa loivat vuonna 2001, on lähes täydellisten reaktioiden luokalle ehdotettu käsite. Nämä reaktiot ovat erittäin tehokkaita, niiden atomitalous on hyvä, niiden soveltamisala on laaja ja ne ovat stereospesifisiä (mutta eivät välttämättä enantioselektiivisiä). Ne tuottavat vain harmittomia sivutuotteita, jotka voidaan poistaa helposti, ja edellyttävät vain yksinkertaisia reaktio-olosuhteita, helposti saatavilla olevia lähtöaineita ja yksinkertaisia tuotteen eristysmenetelmiä.

Tehokasta ultraäänitekniikkaa! Hielscherin tuotevalikoima kattaa koko kirjon kompakteista laboratorion ultraäänilaitteista pöytälaitteisiin ja täyden teollisuusmittakaavan ultraäänijärjestelmiin.

Hielscher Ultrasonics valmistaa tehokkaita ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriomittakaavasta aina teolliseen mittakaavaan.