Ultraäänikäsittelyllä edistetyt organokatalyyttiset reaktiot

Orgaanisessa kemiassa organokatalyysi on katalyysin muoto, jossa orgaaninen katalyytti nopeuttaa kemiallista reaktiota. Tämä ”organokatalyytti” koostuu hiilestä, vedystä, rikistä ja muista orgaanisissa yhdisteissä esiintyvistä epämetalleista. Suuritehoisen ultraäänen käyttö kemiallisissa järjestelmissä tunnetaan sonokemiana, ja se on vakiintunut menetelmä saantojen kasvattamiseen, reaktionopeuksien parantamiseen ja reaktioiden nopeuttamiseen. Ultraäänikäsittelyn avulla on usein mahdollista muuttaa kemiallisia reaktioreittejä ja välttää ei-toivottuja sivutuotteita. Sonokemia voi edistää organokatalyyttisiä reaktioita ja tehdä niistä tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä.

Asymmetrinen organokatalyysi – parannettuna ultraäänikäsittelyllä

Sonokemia eli tehokkaan ultraäänen käyttö kemiallisissa järjestelmissä voi parantaa organokatalyyttisiä reaktioita merkittävästi. Asymmetrisen organokatalyysin yhdistäminen ultraäänikäsittelyyn mahdollistaa usein organokatalyysin muuttamisen ympäristöystävällisemmäksi reaktioreitiksi, jolloin se kuuluu vihreän kemian käsitteistön piiriin. Ultraäänikäsittely nopeuttaa (asymmetristä) organokatalyyttistä reaktiota ja johtaa suurempiin saantoihin, nopeampaan konversioon, helpompaan tuotteen eristämiseen ja puhdistamiseen sekä parempaan selektiivisyyteen ja reaktiivisuuteen. Reaktiokinetiikan ja saannon parantamisen lisäksi ultraäänikäsittely voidaan usein yhdistää kestävän kehityksen mukaisiin reaktioliuottimiin, kuten ionisiin nesteisiin, syväeutektisiin liuottimiin, mietoihin ja myrkyttömiin liuottimiin sekä veteen. Näin sonokemia parantaa itse (asymmetristä) organokatalyyttistä reaktiota ja tukee myös organokatalyyttisten reaktioiden kestävyyttä.

Tutkimuksissa on osoitettu lukuisia esimerkkejä sonokemiallisesti tehostetuista organokatalyyttisistä reaktioista. Esimerkiksi kaksijuosteisia DNA-molekyylejä käytetään kiraalisena runkona metallin ja biomakromolekyylin muodostamien hybridikatalyyttien kokoamiseen asymmetrisiä synteesireaktioita varten. G-kvadrupleksi-DNA:han perustuvia katalyyttejä on käytetty asymmetrisissä Michael-additioissa sekä Diels–Alder- ja Friedel–Crafts-reaktioissa. (vrt. Zhao ja Shen, 2018)
inidium-aineen edistämässä reaktiossa ultraäänikäsittelyllä on hyödyllisiä vaikutuksia, sillä sonokemiallisesti ohjattu reaktio tapahtuu lievemmissä olosuhteissa ja säilyttää siten korkean diastereoselektiivisyyden. Sonokemiallisella reaktioreitillä saavutettiin hyviä tuloksia β-laktaamihiilihydraattien, β-aminohapon ja spirodiketopiperatsiinien organokatalyyttisessä synteesissä sokerilaktoneista sekä oksiimieetterien allylointi- ja Reformatsky-reaktioissa.

Ultraäänellä edistetty organokatalyyttinen lääkeainesynteesi

Rogozińska-Szymczak ja Mlynarski (2014) kuvaavat 4-hydroksikumariinin asymmetristä Michael-additiota α,β-tyydyttymättömiin ketoneihin veden pinnalla ilman orgaanisia apuliuottimia – orgaanisten primääristen amiinien ja ultraäänikäsittelyn katalysoimana. Enantiomeerisesti puhtaan (S,S)-difenyyletyleenidiamiinin käyttö tuottaa joukon tärkeitä farmaseuttisesti aktiivisia yhdisteitä hyvillä tai erinomaisilla saannoilla (73–98%) ja hyvällä enantioselektiivisyydellä (jopa 76% ee) ultraäänellä nopeutetuissa reaktioissa. Tutkijat esittävät tehokkaan sonokemiallisen menetelmän antikoagulantti varfariinin muodostamiseen molempina enantiomeerimuotoina siten, että kiinteät aineet reagoivat veden pinnalla. Tämä ympäristöystävällinen organokatalyyttinen reaktio on skaalattavissa ja tuottaa myös tavoitellun lääkeainemolekyylin enantiomeerisesti puhtaassa muodossa.

Terpeenien sonokemiallinen epoksidointi

Charbonneau ym. (2018) osoittivat terpeenien onnistuneen epoksidoinnin ultraäänikäsittelyssä. Tavanomainen epoksidointi edellyttää katalyytin käyttöä, mutta ultraäänikäsittelyssä epoksidointi tapahtuu katalyytittömänä reaktiona.
Limoneenidioksidi on keskeinen välituotemolekyyli biopohjaisten polykarbonaattien tai isosyanaatittomien polyuretaanien kehittämisessä. Ultraäänikäsittely mahdollistaa terpeenien katalyytittömän epoksidoinnin erittäin lyhyessä reaktioajassa – ja tuottaa samalla erittäin hyviä saantoja. Ultraääniepoksidoinnin tehokkuuden osoittamiseksi tutkimusryhmä vertasi limoneenin epoksidointia limoneenidioksidiksi sekä tavanomaisella sekoituksella että ultraäänikäsittelyllä käyttäen hapettimena in situ tuotettua dimetyylidioksiraania. Kaikissa ultraäänikäsittelykokeissa käytettiin Hielscher UP50H (50W, 30kHz) -laboratorioultraäänilaitetta .

Limoneenin täydellinen muuntaminen limoneenidioksidiksi 100%:n saannolla ultraäänikäsittelyssä kesti huoneenlämpötilassa vain 4,5 min. Vertailun vuoksi tavanomaisella magneettisekoittimella sekoitettaessa limoneenidioksidin 97%:n saannon saavuttamiseen tarvittiin 1,5 h. Myös α-pineenin epoksidointia on tutkittu molemmilla sekoitusmenetelmillä. α-pineenin epoksidointi α-pineenioksidiksi ultraäänikäsittelyssä vaati vain 4 min, ja saanto oli 100%, kun taas tavanomaisella menetelmällä reaktioaika oli 60 min. Muista terpeeneistä β-pineeni muunnettiin β-pineenioksidiksi vain 4 minuutissa, kun taas farnesolista saatiin triepoksidia 100%:n saannolla 8 minuutissa. Karveoli, limoneenin johdannainen, muunnettiin karveolidioksidiksi 98%:n saannolla. Karvonin epoksidointireaktiossa dimetyylidioksiraanilla konversio oli 100% 5 minuutissa, ja tuotteena muodostui 7,8-karvonioksidia.
Terpeenien sonokemiallisen epoksidoinnin tärkeimmät edut ovat hapettimen ympäristöystävällisyys (vihreä kemia) sekä merkittävästi lyhyempi reaktioaika, kun hapetus suoritetaan ultraäänisekoituksessa. Tällä epoksidointimenetelmällä saavutettiin limoneenin 100%:n konversio ja limoneenidioksidin 100%:n saanto vain 4,5 minuutissa, kun perinteisellä sekoituksella aikaa tarvittiin 90 min. Lisäksi reaktioväliaineesta ei löytynyt limoneenin hapetustuotteita, kuten karvonia, karveolia tai perrilyl-alkoholia. α-pineenin epoksidointi ultraäänellä vaati vain 4 min ja tuotti α-pineenioksidia 100%:n saannolla ilman renkaan hapettumista. Myös muita terpeenejä, kuten β-pineeniä, farnesolia ja karveolia, on hapetettu erittäin suurilla epoksidisaannoilla.

Sonokemialliset vaikutukset

Klassisten menetelmien vaihtoehtona sonokemiaan perustuvia menetelmiä on käytetty monenlaisten reaktioiden nopeuttamiseen, jolloin tuotteita muodostuu lievemmissä olosuhteissa ja reaktioajat lyhenevät merkittävästi. Näitä menetelmiä on kuvattu ympäristöystävällisemmiksi ja kestävämmiksi, ja niihin liittyy suurempi selektiivisyys ja pienempi energiankulutus tavoitelluissa muunnoksissa. Tällaisten menetelmien mekanismi perustuu akustiseen kavitaatioon, joka synnyttää ainutlaatuiset paine- ja lämpötilaolosuhteet nestemäisessä väliaineessa tapahtuvan kuplien muodostumisen, kasvun ja adiabaattisen luhistumisen kautta. Tämä vaikutus parantaa aineensiirtoa ja lisää nesteen turbulenttista virtausta, mikä helpottaa kemiallisia muunnoksia. Tutkimuksissamme ultraäänen käyttö on mahdollistanut yhdisteiden valmistamisen lyhyemmissä reaktioajoissa suurella saannolla ja puhtaudella. Nämä ominaisuudet ovat lisänneet farmakologisissa malleissa arvioitujen yhdisteiden määrää ja auttaneet nopeuttamaan alustavien osumayhdisteiden optimointia johtoyhdisteiksi.
Tämä suuri energiansyöttö voi tehostaa mekaanisia vaikutuksia heterogeenisissä prosesseissa, ja sen tiedetään myös synnyttävän uusia reaktiivisuuksia, jotka johtavat odottamattomien kemiallisten lajien muodostumiseen. Sonokemiasta tekee ainutlaatuisen merkittävä kavitaatioilmiö, joka synnyttää mikrokuplan ympäristön paikallisesti rajatussa tilassa poikkeuksellisia vaikutuksia vuorottelevien korkeapaine- ja matalapainesyklien, erittäin suurten lämpötilaerojen, voimakkaiden leikkausvoimien ja nestevirtauksen vuoksi.

Sonokemiallisesti edistettyjen organokatalyyttisten reaktioiden edut

Ultraäänikäsittelyä käytetään yhä enemmän orgaanisessa synteesissä ja katalyysissä, sillä sonokemialliset vaikutukset tehostavat kemiallisia reaktioita huomattavasti. Erityisesti perinteisiin menetelmiin (esim. lämmitys, sekoitus) verrattuna sonokemia on tehokkaampaa, vaivattomampaa ja tarkasti säädettävissä. Ultraäänikäsittely ja sonokemia tarjoavat useita merkittäviä etuja, kuten suuremmat saannot, yhdisteiden paremman puhtauden ja paremman selektiivisyyden, lyhyemmät reaktioajat, pienemmät kustannukset sekä sonokemiallisen menetelmän käytön ja käsittelyn yksinkertaisuuden. Nämä hyödylliset tekijät tekevät ultraääniavusteisista kemiallisista reaktioista tehokkaampia, turvallisempia ja ympäristöystävällisempiä.
Lukuisten orgaanisten reaktioiden on osoitettu tuottavan suurempia saantoja lyhyemmässä reaktioajassa ja/tai lievemmissä olosuhteissa, kun ne suoritetaan ultraäänikäsittelyllä.

Ultraäänikäsittely mahdollistaa yksinkertaiset yhden astian reaktiot

Ultraäänikäsittely mahdollistaa monikomponenttireaktioiden käynnistämisen yhden astian reaktioina, joilla voidaan syntetisoida rakenteeltaan monipuolisia yhdisteitä. Tällaisia yhden astian reaktioita arvostetaan niiden suuren kokonaistehokkuuden ja yksinkertaisuuden vuoksi, sillä välituotteiden eristämistä ja puhdistamista ei tarvita.

Ultraääniaaltojen vaikutuksia asymmetrisiin organokatalyyttisiin reaktioihin on hyödynnetty onnistuneesti erilaisissa reaktiotyypeissä, kuten faasinsiirtokatalyysissä, Heck-reaktioissa, vetytyksessä, Mannich-reaktioissa, Barbier-reaktioissa ja Barbier-tyyppisissä reaktioissa, Diels–Alder-reaktioissa, Suzuki-kytkentäreaktiossa ja Michael-additiossa.

Löydä ihanteellinen ultraäänilaite organokatalyyttiseen reaktioosi!

Hielscher Ultrasonics on luotettava kumppanisi, kun tarvitset tehokkaita ja laadukkaita ultraäänilaitteita. Hielscher suunnittelee, valmistaa ja toimittaa uusinta tekniikkaa edustavia ultraäänikoettimia, reaktoreita ja kuppimaisia ultraäänitorvia sonokemiallisiin sovelluksiin. Kaikki laitteet valmistetaan ISO-sertifioitujen menettelyjen mukaisesti ja saksalaisella tarkkuudella ensiluokkaisen laadun varmistamiseksi päätoimipaikassamme Teltowissa (lähellä Berliiniä), Saksassa.
Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita kompakteista laboratorioultraäänilaitteista täysin teollisiin ultraäänireaktoreihin suuren mittakaavan kemikaalituotantoa varten. Koettimia (joita kutsutaan myös sonotrodeiksi, ultraäänitorviksi tai kärjiksi), amplitudinvahvistimia ja reaktoreita on helposti saatavilla lukuisissa eri ko’oissa ja geometrioissa. Myös vaatimuksiisi mukautettuja versioita voidaan valmistaa.
Koska Hielscher Ultrasonics tarjoaa kaikenkokoisia ultraääniprosessoreita pienistä laboratoriolaitteista suuriin teollisiin prosessoreihin panos- ja virtauskemian sovelluksiin, tehokas ultraäänikäsittely voidaan helposti ottaa käyttöön missä tahansa reaktiojärjestelyssä. Ultraääniamplitudin – sonokemiallisten sovellusten tärkeimmän parametrin – tarkka säätö mahdollistaa Hielscher Ultrasonics -yrityksen ultraäänilaitteiden käytön pienistä erittäin suuriin amplitudeihin sekä amplitudin hienosäädön täsmälleen kyseisen kemiallisen reaktiojärjestelmän vaatimien ultraääniprosessiolosuhteiden mukaiseksi.
Hielscher Ultrasonics -yrityksen ultraäänigeneraattorissa on älykäs ohjelmisto, joka tallentaa tiedot automaattisesti. Kaikki tärkeät käsittelyparametrit, kuten ultraäänienergia, lämpötila, paine ja aika, tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille heti, kun laite kytketään päälle.
Prosessin seuranta ja tietojen tallennus ovat tärkeitä prosessin jatkuvan standardoinnin ja tuotteen laadun kannalta. Automaattisesti tallennettujen prosessitietojen avulla voit tarkastella aiempia ultraäänikäsittelyajoja ja arvioida tuloksia.
Toinen käyttäjäystävällinen ominaisuus on digitaalisten ultraäänijärjestelmiemme selainpohjainen etäohjaus. Selainpohjaisella etäohjauksella voit käynnistää, pysäyttää, säätää ja seurata ultraääniprosessoriasi etänä mistä tahansa.
Ota meihin yhteyttä nyt ja tutustu siihen, miten tehokkaat ultraäänihomogenisaattorimme voivat parantaa organokatalyyttistä synteesireaktiotasi!

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: