Technologie des ultrasons Hielscher

Et ultra-sons Induced amélioré Catalyse de transfert de phase

Haute ultrasons de puissance est bien connu pour sa contribution à diverses réactions chimiques. Ceci est la soi-disant sonochimie. réactions hétérogènes - et en particulier des réactions de transfert de phase - sont des champs d'application potentiels de très ultrasons de puissance. En raison de l'énergie mécanique et sonochimique appliquée aux réactifs, les réactions peuvent être Initiez, la vitesse de réaction peut être considérablement améliorée, ainsi que des taux de conversion plus élevés, des rendements plus élevés et de meilleurs produits peut être atteint. L'évolutivité linéaire des ultrasons et la disponibilité des ultrasons fiable Industriel équipements font de cette technique une solution intéressante pour la production chimique.
Glass reactor for targeted and reliable sonication processes

Ultrasons en verre cellulaire débit

la catalyse de transfert de phase

La catalyse par transfert de phase (PTC) est une forme particulière de catalyse hétérogène et connue comme une méthodologie pratique pour la synthèse organique. En utilisant un catalyseur de transfert de phase, il devient possible de solubiliser des réactifs ioniques, qui sont souvent solubles dans une phase aqueuse mais insolubles dans une phase organique. Cela signifie que PTC est une solution alternative pour surmonter le problème d'hétérogénéité dans une réaction dans laquelle l'interaction entre deux substances situées dans différentes phases d'un mélange est inhibée en raison de l'incapacité des réactifs à se réunir. (Esen et al 2010) Les avantages généraux de la catalyse par transfert de phase sont les faibles efforts de préparation, les procédures expérimentales simples, les conditions réactionnelles douces, les taux de réaction élevés, les sélectivités élevées et l'utilisation de réactifs peu coûteux et respectueux de l'environnement. les sels et les solvants, et la possibilité de mener des préparations à grande échelle (Ooi et al., 2007).
Une variété de réactions liquide-liquide et liquide-solide ont été intensifiée et faite sélective en utilisant des catalyseurs de transfert de phase simple (PT) tels que quats, le polyethylene glycol-400, etc., qui permettent aux espèces ioniques à être transportés à partir de la phase aqueuse à phase organique. Ainsi, les problèmes liés à la très faible solubilité des réactifs organiques dans la phase aqueuse peuvent être surmontés. Dans les industries de pesticides et pharmaceutiques, PTC est largement utilisé et a changé les fondamentaux de l'entreprise. (Sharma 2002)

ultrasons de puissance

L'application des ultrasons de puissance est un outil bien connu pour créer extrêmement fine émulsions. Dans la chimie de ces émulsions de taille extrêmement fines sont utilisées pour améliorer les réactions chimiques. Cela signifie que la zone de contact interfaciale entre deux ou plusieurs liquides non miscibles devient considérablement élargie et fournit ainsi une meilleure, plus complète et / ou plus rapide cours de la réaction.
Pour la catalyse de transfert de phase – les mêmes que pour d'autres réactions chimiques - assez d'énergie cinétique est nécessaire pour démarrer la réaction.
Cela a des effets positifs divers concernant la réaction chimique:

  • Une réaction chimique qui se produira normalement pas à cause de sa faible énergie cinétique peut commencer par ultrasonication.
  • Les réactions chimiques peuvent être accélérés par PTC assistée par ultrasons.
  • L'évitement complet de catalyseur de transfert de phase.
  • Les matières premières peuvent être utilisées plus efficace.
  • Les sous-produits peuvent être réduits.
  • Remplacement d'une base forte dangereux coûteuse avec une base inorganique peu coûteux.

Par ces effets, PTC est une méthodologie chimique inestimable pour la synthèse organique à partir de deux et plus réactifs non miscibles: catalyse par transfert de phase (PTC) permet d'utiliser des matières premières de procédés chimiques plus efficacement et de produire de manière plus rentable. L'amélioration des réactions chimiques par PTC est un outil important pour la production chimique qui peut être amélioré par l'utilisation des ultrasons de façon spectaculaire.

Ultrasonic cavitation in a glass column

Cavitation dans le liquide

Des exemples de réactions PTC promues par ultrasons

  • Synthèse de nouveaux N » - (4,6-disubstitué-pyrimidin-2-yl) -N- (5-aryl-2-furoyle) dérivés de la thiourée à l'aide de PEG-400 sous ultrasonication. (Ken et al. 2005)
  • La synthèse assistée par ultrasons de l'acide mandélique par PTC dans le liquide ionique représente une amélioration significative des rendements de réaction dans les conditions ambiantes. (Hua et al., 2011)
  • Kubo et al. (2008) rapportent la C-alkylation du phénylacétonitrile assistée par ultrasons dans un milieu exempt de solvant. L'effet des ultrasons pour favoriser la réaction a été attribué à la zone interfaciale extrêmement importante entre les deux phases liquides. Ultrasons se traduit par une vitesse de réaction beaucoup plus rapide que le mélange mécanique.
  • La sonication au cours de la réaction du tétrachlorure de carbone avec du magnésium pour la production de résultats de dichlorocarbène à un rendement plus élevé de gem-dichlorocyclopropane en présence d'oléfines. (Lin et al., 2003)
  • L'échographie permet l'accélération de la réaction de Cannizzaro de P-chlorobenzaldehyde dans des conditions de transfert de phase. Trois catalyseurs de transfert de phase – le chlorure de benzyltriéthylammonium (TEBA), Aliquat et 18-couronne-6 -, qui ont été testés par Poláčková et al. (1996) TEBA a été jugée la plus efficace. Ferrocenecarbaldehyde et P-dimethylaminobenzaldehyde donné, dans des conditions similaires, le 1,5-diaryl-1,4-pentadién-3-ones en tant que produit principal.
  • Lin-Xiao et al. (1987) ont montré que la combinaison d'ultrasonication et PTC favorise efficacement la génération de dichlorocarbène à partir de chloroforme en moins de temps avec un meilleur rendement et une moindre quantité de catalyseur.
  • Yang et al. (2012) ont étudié le vert, la synthèse assistée par ultrasons de 4-hydroxybenzoate de benzyle en utilisant le 4,4'-bis (tributylammoniomethyl) -1,1'-biphényl dichlorure (QCL2) Comme catalyseur. Par l'utilisation de LCQ2, Ils ont développé une nouvelle double site catalyse de transfert de phase. Cette catalyse de transfert de phase solide-liquide (SLPTC) a été réalisée en tant que procédé discontinu avec ultrasonication. Sous sonication intense, 33% de la Q2 ajoutée + contenant 45,2% de Q (Ph (OH) COO)2 a transféré dans la phase organique à réagir avec du bromure de benzyle, d'où la vitesse de réaction globale a été améliorée. Cette amélioration de la vitesse de réaction a été obtenu 0.106 min-1 sous 300W de l'irradiation ultrasonique, alors que sans sonication un taux de 0,0563 min-1 a été observé. De ce fait, l'effet synergique d'un catalyseur de transfert de phase à double site avec des ultrasons dans la catalyse de transfert de phase a été démontrée.
The ultrasonic lab device UP200Ht provides powerful sonication in laboratories.

Photo 1: Le UP200Ht est un homogénéisateur à ultrasons puissant 200 watts

Ultrasons Amélioration de la phase de transfert Réaction asymétrique

Dans le but d'établir une méthode pratique pour la synthèse asymétrique de a-amino-acides et leurs dérivés Maruoka et Ooi (2007) ont étudié « si la réactivité des sels d'ammonium quaternaire chiraux N-spiro pourrait être améliorée et leurs structures simplifiées. L'irradiation ultrasonique produit homogénéisation, C'est très bien émulsions, Elle augmente considérablement la surface interfaciale sur laquelle la réaction peut se produire, ce qui pourrait fournir accélération de la vitesse substantielle dans les réactions de transfert de phase liquide-liquide. En effet, la sonication du mélange de réaction de 2, de l'iodure de méthyle, et (S, S) sous-unité -naphtyl (1% en mole) dans du toluène / 50% de KOH aqueux à 0 degC pendant 1 h a donné lieu au produit d'alkylation correspondant à 63% donner avec 88% ee; le rendement chimique et énantiosélectivité sont comparables à ceux d'une réaction réalisée par simple agitation du mélange pendant huit heures (0 degC, 64%, 90% ee). »(Maruoka et al 2007;.. p 4229)

Improved phase transfer reactions by sonication

Schéma 1: Ultrasons, améliore la vitesse de réaction lors de la synthèse asymétrique d'acides a-amino [Maruoka et al. 2007]

Un autre type de réaction d'une catalyse asymétrique est la réaction de Michael. L'addition de Michael de diéthyle n-acétyl-aminomalonate de chalcone est positivement influencée par ultrasonication qui se traduit par une augmentation de 12% du rendement (de 72% obtenu lors de la réaction silencieux jusqu'à 82% en vertu ultrasonication). Le temps de réaction est six fois plus rapide sous ultrasons de puissance par rapport à la réaction sans ultrasons. L'excès énantiomérique (ee) n'a pas changé et a pour les deux réactions - avec ou sans ultrasons - à 40% ee. (Mirza-Aghayan et al., 1995)
Li et al. (2003) ont démontré que la réaction de Michael de chalcones comme accepteurs avec divers composés méthylène actifs tels que le malonate de diéthyle, le nitrométhane, la cyclohexanone, l'acétoacétate d'éthyle et de l'acétylacétone comme donneurs catalysées par KF / alumine basique conduit à des produits d'addition avec un rendement élevé dans un délai plus court sous ultrasons irradiation. Dans une autre étude, Li et al. (2002) ont montré la synthèse réussie assistée de ultra-sons chalcones catalysées par KF-Al2la3.
Ces réactions PTC ci-dessus montrent qu'une petite gamme du potentiel et des possibilités d'irradiation par ultrasons.
Les essais et l'évaluation des ultrasons au sujet des améliorations possibles dans PTC est très simple. appareils de laboratoire à ultrasons tels que Hielscher de UP200Ht (200 watts) et des systèmes de paillasse tels que Hielscher de UIP1000hd (1000 watts) permettant aux premiers essais. (Voir figure 1 et 2)
Ultrasons amélioré asymétrique addition de Michael (Cliquez pour agrandir!)

Schéma 2: assistée par ultrasons asymétrique addition de Michael de diéthyle N-acétyl-aminomalonate de chalcone [Török et al. 2001]

La production efficace concurrence sur le marché des produits chimiques

En utilisant la catalyse de transfert de phase à ultrasons vous bénéficierez d'un ou plusieurs différents avantages bénéfiques:

  • initialisation de réactions qui sont par ailleurs pas possible
  • augmentation du rendement
  • réduire de solvants coûteux, anhydres aprotiques,
  • réduction du temps de réaction
  • Les températures de réaction plus basses
  • préparation simplifiée
  • utilisation de métal alcalin au lieu d'alcoolates de métal alcalin, l'amidure de sodium, l'hydrure de sodium ou le sodium métallique
  • utilisation de matières premières bon marché, en particulier les oxydants
  • décalage de la sélectivité
  • changement des rapports de produits (par exemple O / C-alkylation)
  • l'isolement et la purification simplifiée
  • augmentation du rendement en supprimant les réactions secondaires
  • simple, mise à l'échelle linéaire au niveau de la production industrielle, même avec un débit très élevé
UIP1000hd Banc-Top ultrasons Homogénéisateur

Mise en service avec le processeur à ultrasons 1000W, la cellule d'écoulement, le réservoir et la pompe

Test simple et sans risque d'effets à ultrasons en chimie

Pour voir comment les influences des ultrasons matériaux spécifiques et les réactions, les premiers tests de faisabilité peuvent être menées à petite échelle. main ou appareils de laboratoire stand monté dans la gamme de 50 à 400 watts pour permettre sonication des échantillons de petite et moyenne taille dans le bécher. Si les premiers résultats montrent des réalisations possibles, le processus peut développé et optimisé dans le paillasse avec un processeur à ultrasons industriel, par exemple UIP1000hd (1000W, 20 kHz). systèmes banc-top à ultrasons Hielscher avec 500 watts à 2000 watts sont les appareils idéaux pour R&D et l'optimisation. Ces systèmes à ultrasons - conçus pour bécher et sonication en ligne – donner un contrôle total sur le paramètre le plus important processus: Amplitude, pression, température, viscosité, et la concentration.
Le contrôle précis sur les paramètres permet de reproductibilité exacte et l'évolutivité linéaire des résultats obtenus. Après avoir testé différentes configurations, la configuration jugée mieux peut être utilisé pour fonctionner en continu (24h / 7d) dans des conditions de production. Le PC-Control en option (interface logicielle) facilite également l'enregistrement des essais individuels. Pour la sonication des liquides inflammables ou des solvants dans des environnements dangereux (ATEX, FM) la UIP1000hd est disponible dans une version certifiée ATEX: UIP1000-Exd.

Avantages généraux de la chimie: en ultrasonication

  • Une réaction peut être accélérée ou moins des conditions de forçage peut être nécessaire si sonication est appliqué.
  • Des périodes d'induction sont souvent considérablement réduits que sont les exothermes normalement associés à de telles réactions.
  • Les réactions sonochimiques sont souvent initiées par ultrasons sans avoir besoin d'additifs.
  • Le nombre d'étapes qui sont normalement requises dans une voie de synthèse peut parfois être réduite.
  • Dans certains cas, une réaction peut être dirigé vers une autre voie.

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Littérature / Références

  1. Esen, Ilker et al. (2010): longue chaîne dicationique phase de transfert des catalyseurs dans les réactions de condensation de composés aromatiques Aldéhydes dans l'eau sous l'effet par ultrasons. Bulletin de la Société chimique coréenne 31/8, 2010; pp. 2289-2292.
  2. Hua, Q. et al. (2011): ultrasons promu synthèse de l'acide mandélique par catalyse de transfert de phase dans un liquide ionique. Dans: Ultrasons Sonochemistry Vol. 18/5, 2011; pp. 1035-1037.
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  4. Lin, Haixa et al. (2003): Une procédure pour la Facile génération de dichlorocarbène de la réaction du magnésium et du tétrachlorure de carbone en utilisant Irradiation par ultrasons. Dans: Molécules 8, 2003; pp. 608 -613.
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  7. Kubo, Masaki et al. (2008): Cinétique de sans solvant C-Alkylation de phénylacétonitrile Utilisation Irradiation par ultrasons. Chemical Engineering Japan Journal, Vol. 41, 2008; pp. 1031-1036.
  8. Maruoka, Keiji et al. (2007): Les progrès récents dans Catalyse Asymétrique transfert de phase. Dans: Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; pp. 4222-4266.
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  15. Yang, H.-M .; Chu, W.-M. (2012): Phase-transfert à l'ultrason Catalyse: Synthèse verte de Benzoate avec Roman Substitué double site de transfert de phase catalyseur dans le système solide-liquide. Dans: Procédant s de 14e Asie Pacifique Confédération du Congrès génie chimique APCCHE 2012.


Qu'il faut savoir

Homogénéisateurs de tissus par ultrasons sont souvent dénommés sonicateur à sonde, lyser ultrasonique, disruptor ultrasons, meuleuse ultrasons, sono-rupteur, sonifier, dismembrator sonic, perturbateur cellulaire, disperseur ultrasonique ou dissolver. Les différents termes proviennent de diverses applications qui peuvent être satisfaites par la sonication.