Orgaanisessa kemiassa organokatalyysi on katalyysin muoto, jossa orgaaninen katalyytti lisää kemiallisen reaktion tahtia. Tämä “organocatalyst” koostuu hiilestä, vedystä, rikistä ja muista orgaanisista yhdisteistä löytyvästä ei-eteismetallista. Suuritehoisen ultraäänen soveltaminen kemiallisiin järjestelmiin tunnetaan sonokemiana ja vakiintuneena tekniikkana, jolla lisätään saantoja, parannetaan reaktionopeutta ja nopeutetaan reaktionopeutta. Sonikaatiossa on usein mahdollista vaihtaa kemiallisia reittejä välttäen ei-toivottuja sivutuotteita. Sonokemia voi edistää organokatalyyttisiä reaktioita, mikä tekee niistä tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä.

Asymmetrinen organokatalyysi – Parannettu sonikaatiolla

Sonokemia, korkean suorituskyvyn ultraäänen soveltaminen kemiallisiin järjestelmiin, voi parantaa organokatalyyttisiä reaktioita merkittävästi. Asymmetrinen organokatalyysi yhdistettynä ultrasonicationiin mahdollistaa usein organokatalyysin muuttamisen ympäristöystävällisemmäksi reitiksi, mikä jää vihreän kemian terminologian alle. Sonikaatio nopeuttaa (asymmetristä) organokatalyyttistä reaktiota ja johtaa suurempaan saantoon, nopeampiin muuntoasteihin, tuotteiden eristämisen/puhdistuksen helpottamiseen sekä valikoivuuden ja reaktiivisuuden paranemiseen. Reaktiokinetiikan ja tuoton parantamisen lisäksi ultrasonication voidaan usein yhdistää kestäviin reaktioliuottimiin, kuten ioninesteiden, syvien eutektisten liuottimien, mietojen, myrkyttömyyden liuottimista ja veteen. Näin ollen sonokemia ei ainoastaan paranna (epäsymmetristä) organoktalyyttistä reaktiota, vaan myös auttaa organokatalyyttisten reaktioiden kestävyyttä.

Tutkimukset ovat osoittaneet moninaisia esimerkkejä sonokemiallisesti tehostetuista oragnokatalyyttisistä reaktioista. Esimerkiksi kaksisäikeistä DNA-molekyyliä chiral-telineenä käytetään metalli-biomakromolekyylihybridikatalyyttien kokoamiseksi asymmetrisiä synteesireaktioita varten. G-nelinkertaisia DNA-pohjaisia katalysaattoreita on käytetty michaelin, diels-alderin ja Friedel-Craftsin reaktioissa. (vrt. Zhao ja Shen, 2018)
Inidiumin edistämän reaktion osalta sonikaatio osoittaa myönteisiä vaikutuksia, koska sonokemiallisesti ajava reaktio toimii lievemmissä olosuhteissa, mikä säilyttää korkean diasteroselection- tason. Sonokemiallista reittiä käyttäen saavutettiin hyviä tuloksia β- laktaamin hiilihydraattien, β- aminohapon ja sokerilaktonien spirodiketopiperatsiinien organokatalyyttisynteesistä sekä allylaatio- ja reformatskireaktioista oksiimieettereilla.

Ultraäänellä edistänyt organokatalyyttinen lääkesynteesi

Rogozińska-Szymczak ja Mlynarski (2014) raportoivat 4-hydroksikumariinin epäsymmetrisestä Michael-lisäyksestä α β-tyydyttymättömiin ketoniin vedessä, jossa ei ole orgaanisia rinnakkaisliuottimia – orgaanisten primaariamiinien ja sonikaatioiden katalysointi. Enantiomeerisesti puhtaan (S,S)-difenyyliyleenediamiinin käyttö tarjoaa joukon tärkeitä farmaseuttisesti aktiivisia yhdisteitä hyvästä erinomaiseen saantoon (73–98%) ja hyvillä enantioselektiivisyyksillä (jopa 76% ee) ultraäänen nopeuttamana reaktiona. Tutkijat esittävät tehokkaan sonokemiallisen protokollan antikoagulanttivarfariinin "kiintoaineille vedessä" molemmissa enantiomeerissä muodoissa. Tämä ympäristöystävällinen organokatalyyttinen reaktio ei ole vain skaalautuva, vaan tuottaa myös kohde-lääkemolekyylin enantiomeerisesti puhtaassa muodossa.

Terpeenien sonokemiallinen epoksidaatio

Charbonneau et al. (2018) demosti terpeenien onnistuneen epoksidoinnin sonikaatiossa. Tavanomainen epoksidaatio vaatii katalyytin käyttöä, mutta sonikaatiolla epoksidaatio toimii katalysaattorittomana reaktiona.
Limoseenidioksidi on keskeinen välimolekyyli biopohjaisia polykarbonaatteja tai isosyanaattipolyuretaaneja varten. Sonikaatio mahdollistaa terpeenien katalyytin vapaan epoksidoinnin hyvin lyhyessä reaktioajassa – samalla antaa erittäin hyvät tuotot. Ultraääni-epoksidaation tehon osoittamiseksi tutkimusryhmä vertasi limoneenin epoksidaatiota limusiinidioksidiin käyttämällä in situ -tuotettua dimetyylidioksiraania hapettavana aineena sekä tavanomaisen agitoinnin että ultrasonicationin aikana. Kaikissa sonikaatiokokeissa Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorio ultraääni käytettiin.

Aika, joka tarvittiin limoneenin muuntamiseen limusiinidioksidiksi 100%: n tuotolla sonikaatiossa, oli vain 4,5 minuuttia huoneenlämmössä. Vertailun vuoksi, kun käytetään tavanomaista kiihtymystä magneettisekoittimella, tarvittava aika limusiinidioksidin 97%: n saantoon oli 1, 5 h. Myös α epoksidaatiota on tutkittu molemmilla agitaatiotekniikoilla. Α-α-männynoksidin epoksidaatio sonikaatiossa vaati vain 4 min ja saatu saanto 100%, kun taas tavanomaiseen menetelmään verrattuna reaktioaika oli 60 min. Kuten muutkin terpeenit, β-mänty muutettiin β-männynoksidiksi vain 4 minuutissa, kun taas farnesoli tuotti 100% triepoksidista 8 minuutissa. Carveol, limonenejohdannainen, muunnettiin karveolidioksidiksi 98%: n tuotolla. Karvonin epoksidaatioreaktiossa dimetyyliditoksiraanilla muuntaminen oli 100% 5 minuutissa tuottaen 7,8-karvonioksidia.
Sonokemiallisen terpeenin epoksidoinnin tärkeimmät edut ovat hapettavan aineen (vihreän kemian) ympäristöystävällinen luonne sekä merkittävästi lyhennetyn reaktioajan suorittaminen tämän hapettumisen suorittamiseksi ultraääniagitaatiossa. Tämä epoksidaatiomenetelmä mahdollisti limoneenin 100%: n muuntamisen 100%: n limusiinidioksidin saannolla vain 4, 5 minuutissa verrattuna 90 minuutin ajan, kun käytetään perinteistä agitaatiota. Reaktioliuoksesta ei myöskään löytynyt limoneenin hapetustuotteita, kuten karvonia, karveolia ja perrilyylialkoholia. Α-männyn epoksidaatio ultraäänellä vaati vain 4 min, mikä tuotti 100% α-männynoksidista ilman sormuksen hapettumista. Myös muut terpeenit, kuten β,farnesol ja karveoli, ovat hapettuneita, mikä on johtanut erittäin korkeisiin epoksidisaunnoksiin.

sonokemialliset vaikutukset

Vaihtoehtona klassisille menetelmille on käytetty sonokemiallisia protokollia monenlaisten reaktioiden määrän lisäämiseksi, minkä seurauksena tuotteet on tuotettu lievemmissä olosuhteissa ja reaktioajat ovat merkittävästi lykänneet. Näitä menetelmiä on kuvattu ympäristöystävällisemmiksi ja kestävämmiksi, ja ne liittyvät suurempaan valikoivuuteen ja pienempään energiankulutukseen halutuissa muunnoksissa. Tällaisten menetelmien mekanismi perustuu akustisen kavitaatioilmiön ilmiöön, joka aiheuttaa ainutlaatuisia paine- ja lämpötilaolosuhteita nestemäisen väliaseen kuplien muodostumisen, kasvun ja adiabaattisen romahduksen kautta. Tämä vaikutus parantaa massansiirtoa ja lisää nesteen turbulenttia virtausta, mikä helpottaa kemiallisia muunnoksia. Tutkimuksissamme ultraäänen käyttö on johtanut yhdisteiden tuotantoon lyhennettynä reaktioaikana, jolla on suuri saanto ja puhtaus. Tällaiset ominaisuudet ovat lisänneet farmakologisissa malleissa arvioitujen yhdisteiden määrää, mikä on nopeuttanut osumaa lyijyn optimointiprosessiin.
Sen lisäksi, että tämä korkeaenerkas syöttö voi parantaa mekaanisia vaikutuksia heterogeenisissä prosesseissa, sen tiedetään myös aiheuttavan uusia reaktiivisuuksia, jotka johtavat odottamattomien kemiallisten lajien muodostumiseen. Sonokemiasta tekee ainutlaatuisen kavitaatioilmiö, joka tuottaa mikrokuplaympäristön paikallisesti suljetussa tilassa poikkeuksellisia vaikutuksia, jotka johtuvat vuorottelevien korkeapaine- / matalapainesyklien, erittäin korkean lämpötilan erojen, korkean leikkausvoiman ja nesteen suoratoiston vuoksi.

Sonokemiallisesti edistettyjen organokatalyyttisten reaktioiden edut

Sonikaatiota käytetään yhä enemmän orgaanisessa synteesissä ja katalyysissä, koska sonokemialliset vaikutukset osoittavat kemiallisten reaktioiden voimistuvan merkittävästi. Erityisesti verrattuna perinteisiin menetelmiin (esim. lämmitys, sekoittaminen), sonokemia on tehokkaampaa, kätevämpää ja tarkasti säätökelpoista. Sonikaatio ja sonokemia tarjoavat useita merkittäviä etuja, kuten korkeammat tuotot, yhdisteiden lisääntyneen puhtauden ja valikoivuuden, lyhyemmät reaktioajat, alhaisemmat kustannukset sekä yksinkertaisuuden sonokemiallisen menettelyn toiminnassa ja käsittelyssä. Nämä hyödylliset tekijät tekevät ultraäänellä avustetuista kemiallisista reaktioista paitsi tehokkaampia ja säästäjämpiä, myös ympäristöystävällisempiä.
Lukuisat orgaaniset reaktiot ovat osoittautuneet korkeammaksi tuotoksiksi lyhyemmässä reaktioajassa ja / tai lievemmissä olosuhteissa, kun ne suoritetaan sonikaatiolla.

Ultrasonication mahdollistaa yksinkertaiset yhden potin reaktiot

Sonikaatio mahdollistaa monipäisten reaktioiden aloittamisen yhden potin reaktioiksi, jotka tarjoavat rakenteellisesti monimuotoisten yhdisteiden synteesin. Tällaisia yhden potin reaktioita arvostetaan korkean kokonaistehokkuuden ja yksinkertaisuuden vuoksi, koska välituotteiden eristämistä ja puhdistamista ei tarvita.

Ultraääniaaltojen vaikutuksia epäsymmetrisiin organokatalyyttisiin reaktioihin on sovellettu menestyksekkäästi eri reaktiotyypeissä, mukaan lukien faasinsiirtokatalyysit, Heck-reaktiot, hydraus, Mannich-reaktiot, Barbierin ja Barbierin kaltaiset reaktiot, Diels-Alder-reaktiot, Suzuki-kytkentäreaktio ja Micheal-lisäys.

Löydä ihanteellinen ultraäänilaite organokatalyyttiseen reaktioon!

Hielscher Ultrasonics on luotettava kumppanisi, kun kyse on korkealaatuisista ja laadukkaista ultraäänilaitteista. Hielscher suunnittelee, valmistaa ja jakelee huippumoderneja ultraäänimittapäitä, reaktoreita ja kuppisarvia sonokemiallisiin sovelluksiin. Kaikki laitteet valmistetaan ISO-sertifioiduilla menettelyillä ja saksalaisella tarkkuudella erinomaiseen laatuun pääkonttorissamme Teltowissa (lähellä Berliiniä), Saksassa.
Hielscher-ultraääniastiat vaihtelevat kompaktista laboratorion ultraäänipuhdista täysin teollisiin ultraäänireaktoreihin laajamittaiseen kemialliseen valmistukseen. Mittapäät (tunnetaan myös nimellä sonotrodit, ultraäänisarvet tai kärjet), tehostesarvet ja reaktorit ovat helposti saatavilla lukuisissa koossa ja geometrioissa. Räätälöityjä versioita voidaan valmistaa myös sinun tarpeisiisi.
Koska Hielscher Ultrasonics’ ultraääniprosessorit ovat saatavana missä tahansa koossa pienistä laboratoriolaitteista suuriin teollisiin prosessoritteisiin erä- ja virtauskemiasovelluksiin, tehokas sonikaatio voidaan helposti toteuttaa mihin tahansa reaktioasetuksiin. Ultraäänia amplitudien tarkka säätö – tärkein parametri sonokemiallisissa sovelluksissa – mahdollistaa Hielscher-ultraääniaintenttien käytön matalilla tai erittäin korkeilla amplitudilla ja hienosäätää amplitudia täsmälleen tietyn kemiallisen reaktiojärjestelmän vaadittuihin ultraääniprosessiolosuhteisiin.
Hielscherin ultraäänigeneraattorissa on älykäs ohjelmisto, jossa on automaattinen dataprotokolla. Kaikki tärkeät käsittelyparametrit, kuten ultraäänienergia, lämpötila, paine ja aika, tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille heti, kun laite on kytketty päälle.
Prosessien valvonta ja tietojen tallentaminen ovat tärkeitä prosessien jatkuvan standardoinnin ja tuotteiden laadun kannalta. Kun käytät automaattisesti tallennettuja prosessitietoja, voit muuttaa aiempia sonikaatioajoja ja arvioida tuloksia.
Toinen käyttäjäystävällinen ominaisuus on digitaalisten ultraäänijärjestelmiemme selaimen kaukosäädin. Etäselaimen ohjaimella voit käynnistää, pysäyttää, säätää ja seurata ultraääniprosessoriasi etänä mistä tahansa.
Ota yhteyttä nyt oppiaksesi lisää korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattorit voivat parantaa oragnokatalyyttistä synteesireaktiotasi!

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: