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.

La recherche a montré de nombreux exemples de réactions oragnocatalytiques intensifiées par sonochimie. Par exemple, des molécules d'ADN à double brin sont utilisées comme échafaudage chiral afin d'assembler des catalyseurs hybrides métal-biomacromolécule pour des réactions de synthèse asymétriques. Des catalyseurs à base d'ADN G-quadruplex ont été utilisés dans des réactions asymétriques d'addition de Michael, de Diels-Alder et de Friedel-Crafts. (cf. Zhao et Shen, 2018)
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.

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.

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.

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.

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.

Trouvez l'ultrasoniseur idéal pour votre réaction organocatalytique !

Hielscher Ultrasonics est votre partenaire de confiance lorsqu'il s'agit d'équipements ultrasoniques de haute performance et de haute qualité. Hielscher conçoit, fabrique et distribue des sondes ultrasoniques, des réacteurs et des cornets de pointe pour les applications sonochimiques. Tous les équipements sont fabriqués selon des procédures certifiées ISO et avec une précision allemande pour une qualité supérieure dans notre siège social à Teltow (près de Berlin), en Allemagne.
La gamme d'ultrasons Hielscher s'étend des ultrasons de laboratoire compacts aux réacteurs ultrasoniques industriels pour la fabrication de produits chimiques à grande échelle. Les sondes (également appelées sonotrodes, cornets à ultrasons ou pointes), les cornets amplificateurs et les réacteurs sont disponibles dans de nombreuses tailles et géométries. Des versions personnalisées peuvent également être fabriquées pour répondre à vos besoins.
Depuis Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs à ultrasons sont disponibles dans toutes les tailles, des petits appareils de laboratoire aux grands processeurs industriels. Pour les applications de chimie par lots et en flux, une sonication de haute performance peut être facilement mise en œuvre dans n'importe quelle configuration de réaction. Réglage précis de l'amplitude des ultrasons – le paramètre le plus important pour les applications sonochimiques – permet de faire fonctionner les ultrasons Hielscher à des amplitudes faibles à très élevées et d'ajuster précisément l'amplitude aux conditions de traitement ultrasonique requises pour le système de réaction chimique spécifique.
Les générateurs d'ultrasons Hielscher sont dotés d'un logiciel intelligent avec enregistrement automatique des données. Tous les paramètres de traitement importants, tels que l'énergie ultrasonique, la température, la pression et le temps, sont automatiquement enregistrés sur une carte SD intégrée dès que l'appareil est mis en marche.
La surveillance du processus et l'enregistrement des données sont importants pour la normalisation continue du processus et la qualité du produit. En accédant aux données de processus enregistrées automatiquement, vous pouvez réviser les cycles de sonication précédents et en évaluer les résultats.
Une autre fonction conviviale est la commande à distance par navigateur de nos systèmes numériques à ultrasons. Grâce à la commande à distance par navigateur, vous pouvez démarrer, arrêter, régler et surveiller votre processeur à ultrasons à distance, où que vous soyez.
Contactez-nous dès maintenant pour en savoir plus sur nos homogénéisateurs ultrasoniques haute performance qui peuvent améliorer votre réaction de synthèse oragnocatalytique !

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :