Sonikaatiolla edistetyt organokatalyyttiset reaktiot

Orgaanisessa kemiassa organokatalyysi on katalyysin muoto, jossa orgaaninen katalyytti lisää kemiallisen reaktion nopeutta. Tämä “orgaaninen katalyytti” Koostuu hiilestä, vedystä, rikistä ja muista orgaanisissa yhdisteissä esiintyvistä ei-metallisista elementeistä. Suuritehoisen ultraäänen soveltaminen kemiallisiin järjestelmiin tunnetaan sonokemiana ja vakiintuneena tekniikkana saantojen lisäämiseksi, reaktionopeuksien parantamiseksi ja reaktionopeuden nopeuttamiseksi. Sonikaatiossa on usein mahdollista vaihtaa kemiallisia reittejä välttäen ei-toivottuja sivutuotteita. Sonokemia voi edistää organokatalyyttisiä reaktioita, mikä tekee niistä tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä.

Epäsymmetrinen organokatalyysi – Parannettu sonikaatiolla

Sonokemia, korkean suorituskyvyn ultraäänen soveltaminen kemiallisiin järjestelmiin, voi parantaa organokatalyyttisiä reaktioita merkittävästi. Epäsymmetrinen organokatalyysi yhdistettynä ultrasonicationiin mahdollistaa usein organokatalyysin muuttamisen ympäristöystävällisemmäksi reitiksi, mikä kuuluu vihreän kemian terminologiaan. Sonikaatio kiihdyttää (epäsymmetristä) organokatalyyttistä reaktiota ja johtaa suurempiin saantoihin, nopeampiin muuntokursseihin, helpompaan tuotteen eristämiseen / puhdistamiseen sekä parempaan selektiivisyyteen ja reaktiivisuuteen. Reaktiokinetiikan ja saannon parantamisen lisäksi ultrasonication voidaan usein yhdistää kestäviin reaktioliuottimiin, kuten ionisiin nesteisiin, syviin eutektisiin liuottimiin, mietoihin, myrkyttömiin liuottimiin ja veteen. Siten sonokemia ei ainoastaan paranna itse (epäsymmetristä) organokatalyyttistä reaktiota, vaan auttaa myös organokatalyyttisten reaktioiden kestävyyttä.

Tutkimukset ovat osoittaneet lukuisia esimerkkejä sonokemiallisesti tehostetuista oragnokatalyyttisistä reaktioista. Esimerkiksi kaksijuosteisia DNA-molekyylejä kiraalisena tukirakenteena käytetään metalli-biomakromolekyylihybridikatalyyttien kokoamiseen epäsymmetrisiä synteesireaktioita varten. G-quadruplex-DNA-pohjaisia katalyyttejä on käytetty epäsymmetrisissä Michael-additio-, Diels-Alder- ja Friedel-Crafts-reaktioissa. (vrt. Zhao ja Shen, 2018)
Inidiumin edistämässä reaktiossa sonikaatio osoittaa hyödyllisiä vaikutuksia, koska sonokemiallisesti ohjattu reaktio kulkee lievemmissä olosuhteissa, mikä säilyttää korkean diasteroselection-tason. Sonokemiallista reittiä käyttämällä saavutettiin hyviä tuloksia β-laktaamihiilihydraattien, β-aminohapon ja spirodiketopiperatsiinien organokatalyyttisestä synteesistä sokerilaktoneista sekä allylaatiosta ja Reformatsky-reaktioista oksiimieettereissä.

Ultraäänellä edistetty organokatalyyttinen lääkesynteesi

Rogozińska-Szymczak ja Mlynarski (2014) raportoivat epäsymmetrisestä Michaelin 4-hydroksikumariinin lisäämisestä α β-tyydyttymättömiin ketoneihin vedessä ilman orgaanisia apuliuottimia – katalysoi orgaaniset primaariset amiinit ja sonikaatio. Enantiomeerisesti puhtaan (S,S)-difenyylietyleenidiamiinin käyttö tarjoaa sarjan tärkeitä farmaseuttisesti aktiivisia yhdisteitä, joiden saanto on hyvä tai erinomainen (73–98%) ja joilla on hyvät enantioselektiivisyydet (jopa 76% ee) ultraäänellä kiihdytettyjen reaktioiden kautta. Tutkijat esittävät tehokkaan sonokemiallisen protokollan antikoagulanttivarfariinin "kiintoaineiden muodostumiselle vedessä" molemmissa enantiomeerisissa muodoissa. Tämä ympäristöystävällinen organokatalyyttinen reaktio ei ole vain skaalautuva, vaan tuottaa myös kohdelääkemolekyylin enantiomeerisesti puhtaassa muodossa.

Terpeenien sonokemiallinen epoksidaatio

(2018) demostoi terpeenien onnistunutta epoksidaatiota sonikaatiossa. Tavanomainen epoksidaatio vaatii katalyytin käyttöä, mutta sonikaatiolla epoksidaatio toimii katalyytittomana reaktiona.
Limoneenidioksidi on keskeinen välituote biopohjaisten polykarbonaattien tai ei-isosyanaattipolyuretaanien kehittämisessä. Sonikaatio mahdollistaa terpeenien katalyytin vapaan epoksidoinnin hyvin lyhyessä reaktioajassa – Samalla saadaan erittäin hyvät saannot. Ultraääniepoksidaation tehokkuuden osoittamiseksi tutkimusryhmä vertasi limoneenin epoksidaatiota limoneenidioksidiin käyttämällä paikan päällä tuotettua dimetyylidioksiraania hapettavana aineena sekä tavanomaisessa sekoituksessa että ultrasonicationissa. Kaikissa sonikaatiokokeissa Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorion ultraäänilaite käytettiin.

Aika, joka tarvitaan limoneenin täydelliseen muuntamiseen limoneenidioksidiksi 100%: n saannolla sonikaatiossa, oli vain 4,5 minuuttia huoneenlämpötilassa. Vertailun vuoksi, kun käytetään tavanomaista sekoitusta magneettisekoittimella, vaadittu aika limoneenidioksidin 97%: n saannon saavuttamiseksi oli 1,5 tuntia. Myös α-pineenin epoksidaatiota on tutkittu molemmilla sekoitustekniikoilla. α-pineenin epoksidointi α-pineenioksidiksi sonikaatiossa vaati vain 4 minuuttia, jolloin saatu saanto oli 100%, kun taas tavanomaiseen menetelmään verrattuna reaktioaika oli 60 min. Kuten muutkin terpeenit, β-pineeni muuttui β-pineenioksidiksi vain 4 minuutissa, kun taas farnesoli tuotti 100% triepoksidista 8 minuutissa. Karveoli, limoneenijohdannainen, muutettiin karveolidioksidiksi, jonka saanto oli 98%. Karvonin epoksidaatioreaktiossa dimetyylidioksiraanilla konversio oli 100% 5 minuutissa tuottaen 7,8-karvonioksidia.
Sonokemiallisen terpeeniepoksidaation tärkeimmät edut ovat hapettimen ympäristöystävällinen luonne (vihreä kemia) sekä merkittävästi lyhentynyt reaktioaika, joka suorittaa tämän hapetuksen ultraäänisekoituksessa. Tämä epoksidointimenetelmä mahdollisti limoneenin 100%: n muuntamisen limoneenidioksidin 100%: n saannolla vain 4,5 minuutissa verrattuna 90 minuuttiin, kun käytetään perinteistä sekoitusta. Lisäksi reaktioväliaineesta ei löytynyt limoneenin hapettumistuotteita, kuten karvonia, karveolia ja perrilyylialkoholia. α-pineenin epoksidointi ultraäänellä kesti vain 4 minuuttia, jolloin saatiin 100% α-pineenioksidia ilman renkaan hapettumista. Muut terpeenit, kuten β-pineeni, farnesoli ja karveoli, ovat myös hapettuneet, mikä johtaa erittäin korkeisiin epoksidisaantoihin.

Sonokemialliset vaikutukset

Vaihtoehtona klassisille menetelmille sonokemiallisia protokollia on käytetty lisäämään monenlaisten reaktioiden nopeutta, mikä johtaa tuotteisiin, jotka syntyvät lievemmissä olosuhteissa ja lyhentävät merkittävästi reaktioaikoja. Näitä menetelmiä on kuvattu ympäristöystävällisemmiksi ja kestävämmiksi, ja ne liittyvät suurempaan selektiivisyyteen ja pienempään energiankulutukseen halutuissa muunnoksissa. Tällaisten menetelmien mekanismi perustuu akustisen kavitaation ilmiöön, joka indusoi ainutlaatuiset paine- ja lämpötilaolosuhteet kuplien muodostumisen, kasvun ja adiabaattisen romahtamisen kautta nestemäisessä väliaineessa. Tämä vaikutus parantaa massansiirtoa ja lisää turbulenttia virtausta nesteessä, mikä helpottaa kemiallisia muutoksia. Tutkimuksissamme ultraäänen käyttö on johtanut yhdisteiden tuotantoon lyhennetyissä reaktioajoissa, joilla on korkeat saannot ja puhtaus. Tällaiset ominaisuudet ovat lisänneet farmakologisissa malleissa arvioitujen yhdisteiden määrää, mikä on osaltaan nopeuttanut osumasta lyijyyn optimointiprosessia.
Sen lisäksi, että tämä korkeaenerginen syöttö voi parantaa mekaanisia vaikutuksia heterogeenisissä prosesseissa, sen tiedetään myös aiheuttavan uusia reaktiivisuuksia, jotka johtavat odottamattomien kemiallisten lajien muodostumiseen. Mikä tekee sonokemiasta ainutlaatuisen, on merkittävä kavitaatioilmiö, joka tuottaa mikrokuplaympäristön paikallisesti suljetussa tilassa poikkeuksellisia vaikutuksia, jotka johtuvat vuorottelevista korkeapaine- / matalapainesykleistä, erittäin korkeista lämpötilaeroista, suurista leikkausvoimista ja nesteen suoratoistosta.

Sonokemiallisesti edistettyjen organokatalyyttisten reaktioiden edut

Sonikaatiota käytetään yhä enemmän orgaanisessa synteesissä ja katalyysissä, koska sonokemialliset vaikutukset osoittavat kemiallisten reaktioiden merkittävää tehostumista. Erityisesti verrattuna perinteisiin menetelmiin (esim. lämmitys, sekoittaminen), sonokemia on tehokkaampaa, kätevämpää ja tarkasti hallittavissa. Sonikaatio ja sonokemia tarjoavat useita merkittäviä etuja, kuten korkeammat saannot, yhdisteiden lisääntynyt puhtaus ja selektiivisyys, lyhyemmät reaktioajat, alhaisemmat kustannukset sekä sonokemiallisen menettelyn käytön ja käsittelyn yksinkertaisuus. Nämä hyödylliset tekijät tekevät ultraäänellä avustetuista kemiallisista reaktioista paitsi tehokkaampia ja säästävämpiä myös ympäristöystävällisempiä.
Lukuisten orgaanisten reaktioiden on osoitettu antavan suurempia saantoja lyhyemmässä reaktioajassa ja / tai lievemmissä olosuhteissa, kun ne suoritetaan sonikaatiolla.

Ultrasonication mahdollistaa yksinkertaiset yhden potin reaktiot

Sonikaatio mahdollistaa monikomponenttisten reaktioiden aloittamisen yhden potin reaktioina, 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 erilaisissa reaktiotyypeissä, mukaan lukien faasinsiirtokatalysaattorit, Heck-reaktiot, hydraus, Mannich-reaktiot, Barbier- ja Barbier-kaltaiset reaktiot, Diels-Alder-reaktiot, Suzuki-kytkentäreaktio ja Micheal-lisäys.

Löydä ihanteellinen ultraäänilaite organokatalyyttiselle reaktiollesi!

Hielscher Ultrasonics on luotettava kumppanisi korkean suorituskyvyn ja laadukkaiden ultraäänilaitteiden suhteen. Hielscher suunnittelee, valmistaa ja jakelee huippuluokan ultraääniantureita, reaktoreita ja kuppisarvia sonokemiallisiin sovelluksiin. Kaikki laitteet valmistetaan ISO-sertifioitujen menetelmien mukaisesti ja saksalaisella tarkkuudella erinomaisen laadun takaamiseksi pääkonttorissamme Teltowissa (lähellä Berliiniä), Saksassa.
Hielscher-ultraäänilaitteiden valikoima vaihtelee kompakteista laboratorioultraäänilaitteista täysin teollisiin ultraäänireaktoreihin laajamittaiseen kemialliseen valmistukseen. Koettimet (tunnetaan myös nimellä sonotrodes, ultraäänisarvet tai kärjet), tehostesarvet ja reaktorit ovat helposti saatavilla useissa kooissa ja geometrioissa. Räätälöityjä versioita voidaan valmistaa myös tarpeidesi mukaan.
Koska Hielscher Ultrasonics’ Ultraääniprosessorit ovat saatavilla missä tahansa koossa pienistä laboratoriolaitteista suuriin teollisiin prosessoreihin erä- ja virtauskemian sovelluksiin, korkean suorituskyvyn sonikaatio voidaan helposti toteuttaa mihin tahansa reaktioasetukseen. Ultraääniamplitudin tarkka säätö – Sonokemiallisten sovellusten tärkein parametri – mahdollistaa Hielscher-ultraäänilaitteiden käytön alhaisilla tai erittäin korkeilla amplitudilla ja hienosäätää amplitudia tarkalleen 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 kytketään päälle.
Prosessien valvonta ja tietojen tallennus ovat tärkeitä prosessien jatkuvan standardoinnin ja tuotteiden laadun kannalta. Käyttämällä automaattisesti tallennettuja prosessitietoja voit tarkistaa aiempia sonikaatioajoja ja arvioida lopputulosta.
Toinen käyttäjäystävällinen ominaisuus on digitaalisten ultraäänijärjestelmiemme selaimen kaukosäädin. Selaimen etäohjauksen avulla voit käynnistää, pysäyttää, säätää ja valvoa ultraääniprosessoriasi etänä mistä tahansa.
Ota yhteyttä nyt saadaksesi lisätietoja korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreistamme, jotka voivat parantaa oragnokatalyyttistä synteesireaktiotasi!

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: