અલ્ટ્રાસોનિકલી પ્રેરિત અને ઉન્નત તબક્કો ટ્રાન્સફર કેટાલિસિસ

હાઇ પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિવિધ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓમાં તેના યોગદાન માટે જાણીતું છે. આ કહેવાતા છે સોનોકેમિસ્ટ્રી. વિજાતીય પ્રતિક્રિયાઓ - અને ખાસ કરીને તબક્કા ટ્રાન્સફર પ્રતિક્રિયાઓ - પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ માટે અત્યંત સંભવિત એપ્લિકેશન ક્ષેત્રો છે. રીએજન્ટ્સ પર લાગુ યાંત્રિક અને સોનોકેમિકલ ઊર્જાને લીધે, પ્રતિક્રિયાઓ શરૂ કરી શકાય છે, પ્રતિક્રિયાની ઝડપ નોંધપાત્ર રીતે વધારી શકાય છે, તેમજ ઉચ્ચ રૂપાંતરણ દર, ઉચ્ચ ઉપજ અને વધુ સારી પ્રોડક્ટ્સ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડની રેખીય માપનીયતા અને વિશ્વસનીય અલ્ટ્રાસોનિકની ઉપલબ્ધતા ઔદ્યોગિક સાધનો આ તકનીકને રાસાયણિક ઉત્પાદન માટે એક રસપ્રદ ઉકેલ બનાવે છે.

તબક્કા ટ્રાન્સફર ઉત્પ્રેરક

તબક્કો ટ્રાન્સફર કેટાલિસિસ (PTC) એ વિજાતીય ઉત્પ્રેરકનું એક વિશિષ્ટ સ્વરૂપ છે અને તે કાર્બનિક સંશ્લેષણ માટે વ્યવહારુ પદ્ધતિ તરીકે ઓળખાય છે. તબક્કા ટ્રાન્સફર ઉત્પ્રેરકનો ઉપયોગ કરીને, આયનીય રિએક્ટન્ટ્સને દ્રાવ્ય કરવું શક્ય બને છે, જે ઘણીવાર જલીય તબક્કામાં દ્રાવ્ય હોય છે પરંતુ કાર્બનિક તબક્કામાં અદ્રાવ્ય હોય છે. આનો અર્થ એ છે કે પીટીસી એ પ્રતિક્રિયામાં વિજાતીયતાની સમસ્યાને દૂર કરવા માટેનો વૈકલ્પિક ઉકેલ છે જેમાં મિશ્રણના વિવિધ તબક્કામાં સ્થિત બે પદાર્થો વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને એકસાથે આવવાની અક્ષમતાને કારણે અવરોધિત કરવામાં આવે છે. (એસેન એટ અલ. 2010) ફેઝ ટ્રાન્સફર કેટાલિસિસના સામાન્ય ફાયદાઓ તૈયારી માટેના નાના પ્રયત્નો, સરળ પ્રાયોગિક પ્રક્રિયાઓ, હળવી પ્રતિક્રિયાની સ્થિતિ, ઉચ્ચ-પ્રતિક્રિયા દર, ઉચ્ચ પસંદગી અને સસ્તા અને પર્યાવરણીય રીતે સૌમ્ય રીએજન્ટ્સનો ઉપયોગ છે, જેમ કે ક્વાટર્નરી એમોનિયમ. ક્ષાર, અને દ્રાવક, અને મોટા પાયે તૈયારીઓ હાથ ધરવાની શક્યતા (Ooi et al. 2007).
વિવિધ પ્રકારની પ્રવાહી-પ્રવાહી અને પ્રવાહી-નક્કર પ્રતિક્રિયાઓને તીવ્ર બનાવવામાં આવી છે અને સરળ તબક્કા-ટ્રાન્સફર (PT) ઉત્પ્રેરક જેમ કે ક્વાટ્સ, પોલિઇથિલિન ગ્લાયકોલ-400, વગેરેનો ઉપયોગ કરીને પસંદગીયુક્ત બનાવવામાં આવી છે, જે આયનીય પ્રજાતિઓને જલીય તબક્કામાંથી લઈ જવાની મંજૂરી આપે છે. કાર્બનિક તબક્કો. આમ, જલીય તબક્કામાં કાર્બનિક પ્રતિક્રિયાઓની અત્યંત ઓછી દ્રાવ્યતા સાથે સંકળાયેલ સમસ્યાઓ દૂર કરી શકાય છે. જંતુનાશક અને ફાર્માસ્યુટિકલ ઉદ્યોગોમાં, પીટીસીનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે અને તેણે વ્યવસાયની મૂળભૂત બાબતોને બદલી નાખી છે. (શર્મા 2002)

પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ

પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડની એપ્લિકેશન અત્યંત સુંદર બનાવવા માટે જાણીતું સાધન છે પ્રવાહી મિશ્રણ. રસાયણશાસ્ત્રમાં આવા અત્યંત ઝીણા કદના પ્રવાહી મિશ્રણનો ઉપયોગ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને વધારવા માટે થાય છે. આનો અર્થ એ થાય છે કે બે અથવા વધુ અવિશ્વસનીય પ્રવાહી વચ્ચેનો ઇન્ટરફેસિયલ સંપર્ક વિસ્તાર નાટકીય રીતે વિસ્તૃત થાય છે અને ત્યાંથી પ્રતિક્રિયાનો વધુ સારો, વધુ સંપૂર્ણ અને/અથવા ઝડપી અભ્યાસક્રમ પૂરો પાડે છે.
તબક્કા ટ્રાન્સફર ઉત્પ્રેરક માટે – અન્ય રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ માટે સમાન - પ્રતિક્રિયા શરૂ કરવા માટે પૂરતી ગતિ ઊર્જા જરૂરી છે.
આ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા સંબંધિત વિવિધ હકારાત્મક અસરો ધરાવે છે:

• રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા જે સામાન્ય રીતે તેની ઓછી ગતિ ઊર્જાને કારણે થતી નથી તે અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા શરૂ થઈ શકે છે.
• રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ પીટીસી દ્વારા ઝડપી કરી શકાય છે.
• તબક્કો ટ્રાન્સફર ઉત્પ્રેરકનો સંપૂર્ણ નિવારણ.
• કાચો માલ વધુ કાર્યક્ષમ રીતે વાપરી શકાય છે.
• બાય-પ્રોડક્ટ ઘટાડી શકાય છે.
• ખર્ચ-સઘન જોખમી મજબૂત પાયાને સસ્તા અકાર્બનિક આધાર સાથે બદલવું.

આ અસરો દ્વારા, PTC એ બે અને વધુ અવિશ્વસનીય રિએક્ટન્ટ્સમાંથી કાર્બનિક સંશ્લેષણ માટે એક અમૂલ્ય રાસાયણિક પદ્ધતિ છે: ફેઝ ટ્રાન્સફર કેટાલિસિસ (PTC) રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓના કાચા માલનો વધુ કાર્યક્ષમ રીતે ઉપયોગ કરવા અને વધુ ખર્ચ-અસરકારક રીતે ઉત્પાદન કરવા સક્ષમ બનાવે છે. PTC દ્વારા રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓની વૃદ્ધિ એ રાસાયણિક ઉત્પાદન માટે એક મહત્વપૂર્ણ સાધન છે જેને અલ્ટ્રાસાઉન્ડના ઉપયોગ દ્વારા નાટકીય રીતે સુધારી શકાય છે.

અલ્ટ્રાસોનિકલી પ્રમોટેડ PTC પ્રતિક્રિયાઓ માટેના ઉદાહરણો

• અલ્ટ્રાસોનિકેશન હેઠળ PEG-400 નો ઉપયોગ કરીને નવા N'-(4,6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)થિઓરિયા ડેરિવેટિવ્ઝનું સંશ્લેષણ. (કેન એટ અલ. 2005)
• આયનીય પ્રવાહીમાં પીટીસી દ્વારા મેન્ડેલિક એસિડનું અલ્ટ્રાસોનિકલી સહાયિત સંશ્લેષણ આસપાસની પરિસ્થિતિઓમાં પ્રતિક્રિયા ઉપજમાં નોંધપાત્ર વધારો દર્શાવે છે. (હુઆ એટ અલ. 2011)
• કુબો એટ અલ. (2008) દ્રાવક-મુક્ત વાતાવરણમાં phenylacetonitrile ના અલ્ટ્રાસોનિકલી આસિસ્ટેડ સી-આલ્કિલેશનની જાણ કરો. પ્રતિક્રિયાને પ્રોત્સાહન આપવા માટે અલ્ટ્રાસાઉન્ડની અસર બે પ્રવાહી તબક્કાઓ વચ્ચેના અત્યંત મોટા ઇન્ટરફેસિયલ વિસ્તારને આભારી હતી. અલ્ટ્રાસોનિકેશન યાંત્રિક મિશ્રણ કરતાં વધુ ઝડપી પ્રતિક્રિયા દરમાં પરિણમે છે.
• ડિક્લોરોકાર્બેનના ઉત્પાદન માટે મેગ્નેશિયમ સાથે કાર્બન ટેટ્રાક્લોરાઇડની પ્રતિક્રિયા દરમિયાન સોનિકેશન ઓલેફિન્સની હાજરીમાં જેમ-ડાઇક્લોરોસાયક્લોપ્રોપેનની ઊંચી ઉપજમાં પરિણમે છે. (લિન એટ અલ. 2003)
• અલ્ટ્રાસાઉન્ડ કેનિઝારો પ્રતિક્રિયાના પ્રવેગક પ્રદાન કરે છે પી- તબક્કા ટ્રાન્સફર શરતો હેઠળ ક્લોરોબેન્ઝાલ્ડીહાઇડ. ત્રણ તબક્કા ટ્રાન્સફર ઉત્પ્રેરક – benzyltriethylammonium chloride (TEBA), Aliquat અને 18-crown-6 -, જે Polácková et al દ્વારા પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું છે. (1996) TEBA સૌથી અસરકારક હોવાનું જણાયું હતું. ફેરોસેનેકાર્બાલ્ડિહાઇડ અને પી-ડાઇમેથાઇલેમિનોબેન્ઝાલ્ડીહાઇડે, સમાન પરિસ્થિતિઓમાં, મુખ્ય ઉત્પાદન તરીકે 1,5-ડાયરીલ-1,4-પેન્ટાડિયન-3-ઓન આપ્યું હતું.
• લિન-ઝિયાઓ એટ અલ. (1987) એ દર્શાવ્યું છે કે અલ્ટ્રાસોનિકેશન અને પીટીસીનું મિશ્રણ ઓછા સમયમાં સારી ઉપજ અને ઉત્પ્રેરકની ઓછી માત્રા સાથે ક્લોરોફોર્મમાંથી ડિક્લોરોકાર્બેનના ઉત્પાદનને અસરકારક રીતે પ્રોત્સાહન આપે છે.
• Yang et al. (2012) have investigated the green, ultrasonically-assisted synthesis of benzyl 4-hydroxybenzoate using 4,4′-bis(tributylammoniomethyl)-1,1′-biphenyl dichloride (QCl₂) ઉત્પ્રેરક તરીકે. QCl ના ઉપયોગ દ્વારા₂, તેઓએ નવલકથા ડ્યુઅલ-સાઇટ ફેઝ-ટ્રાન્સફર કેટાલિસિસ વિકસાવી છે. આ સોલિડ-લિક્વિડ ફેઝ-ટ્રાન્સફર કેટાલિસિસ (SLPTC) અલ્ટ્રાસોનિકેશન સાથે બેચ પ્રક્રિયા તરીકે હાથ ધરવામાં આવી છે. તીવ્ર સોનિકેશન હેઠળ, ઉમેરાયેલ Q2+ માંથી 33% જે Q(Ph(OH)COO) ના 45.2% ધરાવે છે₂ બેન્ઝિલ બ્રોમાઇડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરવા માટે કાર્બનિક તબક્કામાં સ્થાનાંતરિત થયું છે, તેથી સમગ્ર પ્રતિક્રિયા દરમાં વધારો થયો છે. આ સુધારેલ પ્રતિક્રિયા દર 0.106 મિનિટ મેળવવામાં આવ્યો હતો^-1 અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશનના 300W હેઠળ, જ્યારે સોનિકેશન વિના 0.0563 મિનિટનો દર^-1 અવલોકન કરવામાં આવ્યું હતું. આમ, તબક્કા ટ્રાન્સફર કેટાલિસિસમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સાથે ડ્યુઅલ-સાઇટ ફેઝ-ટ્રાન્સફર ઉત્પ્રેરકની સિનર્જિસ્ટિક અસર દર્શાવવામાં આવી છે.

અસમપ્રમાણ તબક્કાના સ્થાનાંતરણ પ્રતિક્રિયાના અલ્ટ્રાસોનિક ઉન્નતીકરણ

With the aim of establishing a practical method for the asymmetric synthesis of a-amino acids and their derivatives Maruoka and Ooi (2007) investigated “whether the reactivity of N-spiro chiral quaternary ammonium salts could be enhanced and their structures simplified. Since ultrasonic irradiation produces એકરૂપીકરણ, એટલે કે, ખૂબ સરસ પ્રવાહી મિશ્રણ, it greatly increases the interfacial area over which the reaction can occur, which could deliver substantial rate acceleration in the liquid–liquid phase-transfer reactions. Indeed, sonication of the reaction mixture of 2, methyl iodide, and (S,S)-naphtyl subunit (1 mol%) in toluene/50% aqueous KOH at 0 degC for 1 h gave rise to the corresponding alkylation product in 63% yield with 88%ee; the chemical yield and enantioselectivity were comparable with those from a reaction carried out by simple stirring of the mixture for eight hours (0 degC, 64%, 90%ee).” (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

અસમપ્રમાણ ઉત્પ્રેરકનો અન્ય પ્રતિક્રિયા પ્રકાર માઈકલ પ્રતિક્રિયા છે. ડાયેથિલનો માઈકલ ઉમેરો એન-એસિટિલ-એમિનોમાલોનેટથી ચેલકોન પર અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા સકારાત્મક રીતે પ્રભાવિત થાય છે જેના પરિણામે ઉપજમાં 12% નો વધારો થાય છે (72% થી અલ્ટ્રાસોનિકેશન હેઠળ 82% સુધી શાંત પ્રતિક્રિયા દરમિયાન પ્રાપ્ત થાય છે). અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વિનાની પ્રતિક્રિયાની તુલનામાં પાવર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ હેઠળ પ્રતિક્રિયા સમય છ ગણો ઝડપી છે. enantiomeric વધારાનું (ee) બદલાયું નથી અને તે બંને પ્રતિક્રિયાઓ માટે હતું – અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સાથે અને વગર – 40� પર. (મિર્ઝા-અઘયાન એટ અલ. 1995)
લિ એટ અલ. (2003) એ દર્શાવ્યું હતું કે કેએફ/બેઝિક એલ્યુમિના દ્વારા ઉત્પ્રેરિત દાતાઓ તરીકે ડાયાથિલ મેલોનેટ, નાઈટ્રોમેથેન, સાયક્લોહેક્ઝાનોન, એથિલ એસિટોએસેટેટ અને એસીટીલેસેટોન જેવા વિવિધ સક્રિય મિથાઈલ સંયોજનો સાથે સ્વીકારનાર તરીકે ચાલકોન્સની માઈકલ પ્રતિક્રિયા ઓછા સમયમાં ઉચ્ચ ઉપજમાં વ્યસનમાં પરિણમે છે. ઇરેડિયેશન અન્ય અભ્યાસમાં, લી એટ અલ. (2002) એ KF-Al દ્વારા ઉત્પ્રેરિત ચેલકોન્સનું સફળ અલ્ટ્રાસોનિકલી-સહાયિત સંશ્લેષણ દર્શાવ્યું છે.₂ઓ₃.
ઉપરોક્ત આ પીટીસી પ્રતિક્રિયાઓ અલ્ટ્રાસોનિક ઇરેડિયેશનની સંભવિત અને શક્યતાઓની માત્ર એક નાની શ્રેણી દર્શાવે છે.
PTC માં સંભવિત ઉન્નતીકરણોને લગતા અલ્ટ્રાસાઉન્ડનું પરીક્ષણ અને મૂલ્યાંકન ખૂબ જ સરળ છે. અલ્ટ્રાસોનિક લેબ ઉપકરણો જેમ કે Hielscher's UP200Ht (200 વોટ) અને બેન્ચ-ટોપ સિસ્ટમ્સ જેમ કે Hielscher's UIP1000hd (1000 વોટ) પ્રથમ ટ્રાયલની મંજૂરી આપે છે. (ચિત્ર 1 અને 2 જુઓ)

કેમિકલ માર્કેટ પર સ્પર્ધાત્મક ઉત્પાદન

અલ્ટ્રાસોનિક ફેઝ ટ્રાન્સફર કેટાલિસિસનો ઉપયોગ કરીને તમે એક અથવા વધુ વિવિધ ફાયદાકારક ફાયદાઓમાંથી લાભ મેળવશો:

• પ્રતિક્રિયાઓની શરૂઆત જે અન્યથા શક્ય નથી
• ઉપજમાં વધારો
• ખર્ચાળ, નિર્જળ, એપ્રોટિક દ્રાવકોને કાપી નાખો
• પ્રતિક્રિયા સમય ઘટાડો
• નીચું પ્રતિક્રિયા તાપમાન
• સરળ તૈયારી
• આલ્કલી મેટલ અલ્કોક્સાઇડ, સોડિયમ એમાઈડ, સોડિયમ હાઈડ્રાઈડ અથવા મેટાલિક સોડિયમને બદલે જલીય આલ્કલી મેટલનો ઉપયોગ
• સસ્તી કાચી સામગ્રીનો ઉપયોગ, ખાસ કરીને ઓક્સિડન્ટ્સ
• પસંદગીની પાળી
• ઉત્પાદન ગુણોત્તરમાં ફેરફાર (દા.ત. O-/C-આલ્કિલેશન)
• સરળ અલગતા અને શુદ્ધિકરણ
• આડ પ્રતિક્રિયાઓને દબાવીને ઉપજમાં વધારો
• ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન સ્તર સુધી સરળ, રેખીય સ્કેલ, ખૂબ ઊંચા થ્રુપુટ સાથે પણ