Réactions organocatalytiques favorisées par la sonication
En chimie organique, l'organocatalyse est une forme de catalyse dans laquelle la vitesse d'une réaction chimique est augmentée par un catalyseur organique. Cette forme d'organocatalyse “organocatalyseur” se compose de carbone, d'hydrogène, de soufre et d'autres éléments non métalliques présents dans les composés organiques. L'application d'ultrasons de forte puissance à des systèmes chimiques est connue sous le nom de sonochimie et constitue une technique bien établie pour augmenter les rendements, améliorer les taux de réaction et accélérer la vitesse de réaction. Sous sonication, il devient souvent possible de changer de voie chimique en évitant les sous-produits indésirables. La sonochimie peut favoriser les réactions organocatalytiques en les rendant plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement.
Organocatalyse asymétrique – Amélioration par sonication
La sonochimie, c'est-à-dire l'application d'ultrasons à haute performance dans les systèmes chimiques, peut améliorer considérablement les réactions organocatalytiques. L'organocatalyse asymétrique combinée aux ultrasons permet souvent de transformer l'organocatalyse en une voie plus respectueuse de l'environnement, relevant ainsi de la terminologie de la chimie verte. La sonication accélère la réaction organocatalytique (asymétrique) et conduit à des rendements plus élevés, à des taux de conversion plus rapides, à une isolation/purification plus facile des produits et à une amélioration de la sélectivité et de la réactivité. En plus de contribuer à l'amélioration de la cinétique et du rendement de la réaction, les ultrasons peuvent souvent être combinés avec des solvants de réaction durables, tels que les liquides ioniques, les solvants eutectiques profonds, les solvants doux et non toxiques et l'eau. Ainsi, la sonochimie améliore non seulement la réaction organocatalytique (asymétrique) elle-même, mais contribue également à la durabilité des réactions organocatalytiques.
Pour la réaction promue par l'inidium, la sonication a des effets bénéfiques puisque la réaction sonochimique se déroule dans des conditions plus douces, préservant ainsi des niveaux élevés de diastéréosélection. En utilisant la voie sonochimique, de bons résultats ont été obtenus pour la synthèse organocatalytique de glucides β-lactames, d'acides β-aminés et de spirodikétopipérazines à partir de lactones de sucre, ainsi que pour les réactions d'allylation et de Reformatsky sur les éthers d'oxime.
Synthèse organocatalytique de médicaments favorisée par les ultrasons
Rogozińska-Szymczak et Mlynarski (2014) rapportent l'addition de Michael asymétrique de la 4-hydroxycoumarine sur des cétones α,β-insaturées sur l'eau sans co-solvants organiques – catalysée par des amines primaires organiques et la sonication. L'application de (S,S)-diphényléthylènediamine énantiomériquement pure permet d'obtenir une série d'importants composés pharmaceutiquement actifs avec des rendements bons à excellents (73-98%) et de bonnes énantiosélectivités (jusqu'à 76% ee) par le biais de réactions accélérées par les ultrasons. Les chercheurs présentent un protocole sonochimique efficace pour la formation de "solides sur l'eau" de l'anticoagulant warfarine sous ses deux formes énantiomériques. Cette réaction organocatalytique respectueuse de l'environnement est non seulement extensible, mais elle permet également d'obtenir la molécule médicamenteuse cible sous une forme énantiomériquement pure.

La sonication favorise l'addition de Michael asymétrique de la 4-hydroxycoumarine aux cétones α,β-insaturées sur l'eau sans co-solvants organiques.
Photo et étude : ©Rogozińska-Szymczak et Mlynarski ; 2014.
Epoxydation sonochimique des terpènes
Charbonneau et al. (2018) ont démontré l'époxydation réussie de terpènes sous sonication. L'époxydation conventionnelle nécessite l'utilisation d'un catalyseur, mais avec la sonication, l'époxydation se déroule comme une réaction sans catalyseur.
Le dioxyde de limonène est une molécule intermédiaire clé pour le développement de polycarbonates biosourcés ou de polyuréthanes sans isocyanate. La sonication permet l'époxydation sans catalyseur des terpènes dans un temps de réaction très court. – tout en donnant de très bons rendements. Afin de démontrer l'efficacité de l'époxydation par ultrasons, l'équipe de recherche a comparé l'époxydation du limonène en dioxyde de limonène en utilisant le diméthyl dioxirane généré in situ comme agent oxydant sous agitation conventionnelle et sous ultrasons. Pour tous les essais de sonification, le Hielscher UP50H (50W, 30kHz) ultrasons de laboratoire a été utilisé.

Époxydation sonochimique hautement efficace des terpènes (p. ex. dioxyde de limonène, oxyde d'α-pinène, oxyde de β-pinène, triepoxyde, etc.) avec l'ultrasonificateur UP50H
image et étude : © Charbonneau et al., 2018
Le temps nécessaire pour convertir complètement le limonène en dioxyde de limonène avec un rendement de 100 % sous sonication n'était que de 4,5 minutes à température ambiante. En comparaison, lors d'une agitation conventionnelle à l'aide d'un agitateur magnétique, le temps nécessaire pour atteindre un rendement de 97 % de dioxyde de limonène était de 1,5 h. L'époxydation de l'α-pinène a également été étudiée à l'aide des deux techniques d'agitation. L'époxydation de l'α-pinène en oxyde d'α-pinène sous sonication n'a nécessité que 4 minutes avec un rendement de 100 %, alors qu'avec la méthode conventionnelle, le temps de réaction était de 60 minutes. En ce qui concerne les autres terpènes, le β-pinène a été converti en oxyde de β-pinène en seulement 4 minutes, tandis que le farnésol a donné 100 % du triépoxyde en 8 minutes. Le carvéol, un dérivé du limonène, a été converti en dioxyde de carvéol avec un rendement de 98 %. Dans la réaction d'époxydation de la carvone à l'aide du diméthyl dioxirane, la conversion a été de 100 % en 5 minutes, produisant de l'oxyde de 7,8-carvone.
Les principaux avantages de l'époxydation sonochimique des terpènes sont la nature écologique de l'agent oxydant (chimie verte) ainsi que la réduction significative du temps de réaction pour réaliser cette oxydation sous agitation ultrasonique. Cette méthode d'époxydation a permis d'atteindre une conversion de 100 % du limonène avec un rendement de 100 % de dioxyde de limonène en seulement 4,5 minutes, contre 90 minutes avec l'agitation traditionnelle. En outre, aucun produit d'oxydation du limonène, tel que la carvone, le carvéol et l'alcool perrilylique, n'a été trouvé dans le milieu réactionnel. L'époxydation de l'α-pinène sous ultrasons n'a nécessité que 4 minutes et a permis d'obtenir 100 % d'oxyde d'α-pinène sans oxydation de l'anneau. D'autres terpènes tels que le β-pinène, le farnésol et le carvéol ont également été oxydés, conduisant à des rendements très élevés en époxydes.

Réacteur à agitation ultrasonique avec le ultrasonateur UP200St pour intensifier les réactions organocatalytiques.
effets sonochimiques
Comme alternative aux méthodes classiques, des protocoles basés sur la sonochimie ont été utilisés pour augmenter la vitesse d'une grande variété de réactions, ce qui permet d'obtenir des produits générés dans des conditions plus douces avec une réduction significative des temps de réaction. Ces méthodes ont été décrites comme étant plus respectueuses de l'environnement et durables et sont associées à une plus grande sélectivité et à une plus faible consommation d'énergie pour les transformations souhaitées. Le mécanisme de ces méthodes est basé sur le phénomène de cavitation acoustique, qui induit des conditions uniques de pression et de température par la formation, la croissance et l'effondrement adiabatique de bulles dans le milieu liquide. Cet effet améliore le transfert de masse et augmente le flux turbulent dans le liquide, facilitant ainsi les transformations chimiques. Dans nos études, l'utilisation des ultrasons a permis de produire des composés en des temps de réaction réduits, avec des rendements et une pureté élevés. Ces caractéristiques ont permis d'augmenter le nombre de composés évalués dans des modèles pharmacologiques, contribuant ainsi à accélérer le processus d'optimisation.
Non seulement cet apport de haute énergie peut renforcer les effets mécaniques dans les processus hétérogènes, mais il est également connu pour induire de nouvelles réactivités conduisant à la formation d'espèces chimiques inattendues. Ce qui rend la sonochimie unique, c'est le phénomène remarquable de la cavitation, qui génère dans un espace localement confiné de l'environnement des microbulles des effets extraordinaires dus à l'alternance de cycles haute pression / basse pression, à des différentiels de température très élevés, à des forces de cisaillement importantes et à l'écoulement de liquide.
- Réactions de Diels-Alder asymétriques
- Réactions de Michael asymétriques
- Réactions de Mannich asymétriques
- Époxydation du Shi
- hydrogénation par transfert organocatalytique

Système ultrasonique en ligne avec UIP2000hdT (2000W, 20kHz) pour les réactions sonochimiques, par exemple pour améliorer les réactions organocatalytiques
Avantages des réactions organocatalytiques à promotion sonochimique
La sonication est de plus en plus utilisée dans la synthèse organique et la catalyse, car les effets sonochimiques permettent d'intensifier considérablement les réactions chimiques. Comparée aux méthodes traditionnelles (chauffage, agitation, etc.), la sonochimie est plus efficace, plus pratique et plus facile à contrôler. La sonication et la sonochimie offrent plusieurs avantages majeurs tels que des rendements plus élevés, une pureté accrue des composés et une plus grande sélectivité, des temps de réaction plus courts, des coûts plus faibles, ainsi que la simplicité d'utilisation et de manipulation de la procédure sonochimique. Ces facteurs bénéfiques rendent les réactions chimiques assistées par ultrasons non seulement plus efficaces et plus économiques, mais aussi plus respectueuses de l'environnement.
Il a été prouvé que de nombreuses réactions organiques donnaient des rendements plus élevés dans des temps de réaction plus courts et/ou dans des conditions plus douces lorsqu'elles étaient effectuées par sonication.
L'ultrasonication permet des réactions simples en un seul pot
La sonication permet d'initier des réactions multicomposants en tant que réactions en une seule fois, ce qui permet de synthétiser des composés structurellement diversifiés. Ces réactions en une seule étape sont appréciées pour leur efficacité globale élevée et leur simplicité puisqu'il n'est pas nécessaire d'isoler et de purifier les intermédiaires.
Les effets des ondes ultrasonores sur les réactions organocatalytiques asymétriques ont été appliqués avec succès à divers types de réactions, notamment les catalyseurs de transfert de phase, les réactions de Heck, l'hydrogénation, les réactions de Mannich, les réactions de Barbier et les réactions de type Barbier, les réactions de Diels-Alder, la réaction de couplage de Suzuki et l'addition de Micheal.
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Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
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1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Littérature / Références
- 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.
Qu'il faut savoir
Qu'est-ce que l'organocatalyse ?
L'organocatalyse est un type de catalyse dans lequel la vitesse d'une réaction chimique est augmentée par l'utilisation d'un catalyseur organique. Ce catalyseur organique peut être constitué de carbone, d'hydrogène, de soufre et d'autres éléments non métalliques présents dans les composés organiques. L'organocatalyse présente plusieurs avantages. Comme les réactions organocatalytiques ne nécessitent pas de catalyseurs à base de métaux, elles sont plus respectueuses de l'environnement et contribuent ainsi à la chimie verte. Les organocatalyseurs sont souvent bon marché et faciles à produire, ce qui permet d'utiliser des voies de synthèse plus écologiques.
Organocatalyse asymétrique
L'organocatalyse asymétrique est la réaction asymétrique ou énantiosélective, qui ne produit qu'un seul énantiomère des molécules transmises. Les énantiomères sont des paires de stéréoisomères qui sont chiraux. Une molécule chirale n'est pas superposable à son image miroir, de sorte que l'image miroir est en fait une molécule différente. Par exemple, la production d'énantiomères spécifiques est particulièrement importante dans la production de produits pharmaceutiques, où souvent un seul énantiomère d'une molécule de médicament offre un certain effet positif, tandis que l'autre énantiomère n'a aucun effet ou est même nocif.

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