תגובות אורגנוקטליטיות המקודמות באמצעות סוניקציה

בכימיה אורגנית, אורגנוקטליזה היא סוג של קטליזה שבו קצב תגובה כימית מוגבר באמצעות זרז אורגני. ״אורגנוקטליזטור״ זה מורכב מפחמן, מימן, גופרית ויסודות אלמתכתיים אחרים המצויים בתרכובות אורגניות. הפעלת אולטרסאונד בהספק גבוה על מערכות כימיות מוכרת בשם סונוכימיה, והיא טכניקה מבוססת היטב להגדלת ניצולות, לשיפור קצבי תגובה ולהאצת מהירות התגובה. בתנאי סוניקציה ניתן לעיתים קרובות לשנות מסלולי תגובה כימיים ולהימנע מתוצרי לוואי בלתי רצויים. סונוכימיה יכולה לקדם תגובות אורגנוקטליטיות ולהפוך אותן ליעילות ולידידותיות יותר לסביבה.

אורגנוקטליזה אסימטרית – שיפור באמצעות סוניקציה

סונוכימיה, הפעלת אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים על מערכות כימיות, יכולה לשפר במידה ניכרת תגובות אורגנוקטליטיות. שילוב של אורגנוקטליזה אסימטרית עם טיפול אולטרסוני מאפשר לעיתים קרובות להפוך את האורגנוקטליזה למסלול ידידותי יותר לסביבה, ובכך לכלול אותה בתחום הכימיה הירוקה. סוניקציה מאיצה תגובה אורגנוקטליטית (אסימטרית) ומובילה לניצולות גבוהות יותר, לקצבי המרה מהירים יותר, לבידוד/טיהור קל יותר של התוצר ולשיפור הסלקטיביות והתגובתיות. נוסף על תרומתו לשיפור קינטיקת התגובה והניצולת, ניתן לעיתים קרובות לשלב טיפול אולטרסוני עם ממסי תגובה בני קיימא, כגון נוזלים יוניים, ממסים אאוטקטיים עמוקים, ממסים מתונים שאינם רעילים ומים. כך, סונוכימיה לא רק משפרת את התגובה האורגנוקטליטית (האסימטרית) עצמה, אלא גם תורמת לקיימותן של תגובות אורגנוקטליטיות.

מחקרים הציגו דוגמאות רבות לתגובות אורגנוקטליטיות המוגברות באמצעות סונוכימיה. לדוגמה, מולקולות DNA דו־גדיליות משמשות כשלד כיראלי להרכבת זרזים היברידיים של מתכת וביומקרומולקולה עבור תגובות סינתזה אסימטריות. זרזים המבוססים על DNA מסוג G-quadruplex יושמו בתגובות סיפוח מיכאל אסימטריות, בתגובות דילס–אלדר ובתגובות פרידל–קראפטס. (ראו Zhao and Shen, 2018)
בתגובה המקודמת באמצעות inidium, לסוניקציה יש השפעות מועילות משום שהתגובה המונעת באמצעות סונוכימיה מתרחשת בתנאים מתונים יותר, וכך נשמרות רמות גבוהות של סלקטיביות דיאסטריאומרית. באמצעות המסלול הסונוכימי הושגו תוצאות טובות בסינתזה אורגנוקטליטית של פחמימות β-לקטמיות, חומצת β-אמינו וספירודיקטופיפרזינים מלקטונים של סוכרים, וכן בתגובות אלילציה ורפורמצקי של אתרי אוקסים.

סינתזה אורגנוקטליטית של תרופות המקודמת באמצעות אולטרסאונד

Rogozińska-Szymczak ו-Mlynarski (2014) מדווחים על סיפוח מיכאל אסימטרי של 4-הידרוקסיקומרין לקטונים בלתי רוויים בעמדות α,β על פני מים, ללא ממסים אורגניים נלווים – בקטליזה של אמינים ראשוניים אורגניים ובסיוע סוניקציה. השימוש ב-(S,S)-דיפנילאתילנדיאמין טהור מבחינה אננטיומרית מניב סדרה של תרכובות חשובות בעלות פעילות תרופתית בניצולות טובות עד מצוינות (73–98%) ובסלקטיביות אננטיומרית טובה (עד 76% ee), באמצעות תגובות המואצות באולטרסאונד. החוקרים מציגים פרוטוקול סונוכימי יעיל ליצירת נוגד הקרישה וארפרין בשתי צורותיו האננטיומריות בתנאי ׳מוצקים על פני מים׳. תגובה אורגנוקטליטית ידידותית זו לסביבה לא רק ניתנת להגדלה בקנה המידה, אלא גם מניבה את מולקולת תרופת היעד בצורה טהורה מבחינה אננטיומרית.

אפוקסידציה סונוכימית של טרפנים

Charbonneau ועמיתיו (2018) הדגימו אפוקסידציה מוצלחת של טרפנים בתנאי סוניקציה. אפוקסידציה קונבנציונלית מחייבת שימוש בזרז, אך בסוניקציה האפוקסידציה מתרחשת כתגובה ללא זרז.
לימונן דיאוקסיד הוא מולקולת ביניים מרכזית לפיתוח פוליקרבונטים ממקור ביולוגי או פוליאוריתנים שאינם מבוססי איזוציאנט. סוניקציה מאפשרת אפוקסידציה של טרפנים ללא זרז בזמן תגובה קצר מאוד – ובה בעת מניבה נצולות טובות מאוד. כדי להדגים את יעילות האפוקסידציה האולטרסונית, צוות המחקר השווה בין אפוקסידציה של לימונן ללימונן דיאוקסיד בערבול קונבנציונלי לבין אפוקסידציה באולטרסאונד, תוך שימוש בדימתיל דיוקסיראן שנוצר באתרו כחומר המחמצן. בכל ניסויי הסוניקציה נעשה שימוש במכשיר האולטרסאונד המעבדתי Hielscher UP50H (50W, 30kHz) .

הזמן שנדרש להמרה מלאה של לימונן ללימונן דיאוקסיד בנצולת של 100% בתנאי סוניקציה היה רק 4.5 min בטמפרטורת החדר. לשם השוואה, בערבול קונבנציונלי באמצעות בוחש מגנטי, הזמן שנדרש להשגת נצולת של 97% של לימונן דיאוקסיד היה 1.5 h. גם האפוקסידציה של α-פינן נחקרה באמצעות שתי טכניקות הערבול. אפוקסידציה של α-פינן ל-α-פינן אוקסיד בתנאי סוניקציה דרשה רק 4 min והניבה נצולת של 100%, ואילו בשיטה הקונבנציונלית זמן התגובה היה 60 min. באשר לטרפנים אחרים, β-פינן הומר ל-β-פינן אוקסיד בתוך 4 min בלבד, ואילו פרנסול הניב נצולת של 100% של הטריאפוקסיד בתוך 8 min. קרבאול, נגזרת של לימונן, הומר לקרבאול דיאוקסיד בנצולת של 98%. בתגובת האפוקסידציה של קרבון באמצעות דימתיל דיוקסיראן, ההמרה הייתה 100% בתוך 5 min, תוך יצירת 7,8-קרבון אוקסיד.
היתרונות העיקריים של אפוקסידציה סונוכימית של טרפנים הם אופיו הידידותי לסביבה של החומר המחמצן (כימיה ירוקה), וכן הקיצור המשמעותי בזמן התגובה כאשר חמצון זה מבוצע בערבול אולטרסוני. שיטת אפוקסידציה זו אפשרה להגיע להמרה של 100% של לימונן בנצולת של 100% של לימונן דיאוקסיד בתוך 4.5 min בלבד, לעומת 90 min בערבול מסורתי. יתרה מכך, לא נמצאו בתווך התגובה תוצרי חמצון של לימונן, כגון קרבון, קרבאול ואלכוהול perrilyl. האפוקסידציה של α-פינן באולטרסאונד דרשה רק 4 min והניבה נצולת של 100% של α-פינן אוקסיד ללא חמצון הטבעת. גם טרפנים אחרים, כגון β-פינן, פרנסול וקרבאול, חומצנו, והניבו נצולות גבוהות מאוד של אפוקסידים.

השפעות סונוכימיות

כחלופה לשיטות הקלאסיות, נעשה שימוש בפרוטוקולים המבוססים על סונוכימיה להגברת קצביהן של מגוון רחב של תגובות, וכך מתקבלים תוצרים בתנאים מתונים יותר ותוך קיצור משמעותי של זמני התגובה. שיטות אלה תוארו כידידותיות יותר לסביבה ובנות קיימא יותר, והן קשורות לסלקטיביות גבוהה יותר ולצריכת אנרגיה נמוכה יותר לביצוע ההתמרות הרצויות. המנגנון של שיטות אלה מבוסס על תופעת הקוויטציה האקוסטית, היוצרת תנאי לחץ וטמפרטורה ייחודיים באמצעות היווצרות, גדילה וקריסה אדיאבטית של בועות בתווך הנוזלי. השפעה זו משפרת את מעבר המסה ומגבירה את הזרימה הטורבולנטית בנוזל, ובכך מקלה על ההתמרות הכימיות. במחקרים שלנו, השימוש באולטרסאונד הוביל לייצור תרכובות בזמני תגובה קצרים יותר, בניצולות גבוהות ובטוהר גבוה. מאפיינים אלה הגדילו את מספר התרכובות שנבדקו במודלים פרמקולוגיים, ותרמו להאצת תהליך האופטימיזציה של תרכובות פעילות ראשוניות לתרכובות מובילות.
הזנת אנרגיה גבוהה זו יכולה לא רק להגביר השפעות מכניות בתהליכים הטרוגניים, אלא ידועה גם כמשרה דפוסי תגובתיות חדשים המובילים להיווצרות מינים כימיים בלתי צפויים. מה שמייחד את הסונוכימיה הוא תופעת הקוויטציה יוצאת הדופן, היוצרת במרחב מקומי מוגבל בסביבת המיקרובועה השפעות חריגות עקב מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה / לחץ נמוך, הפרשי טמפרטורה גבוהים מאוד, כוחות גזירה חזקים וזרימת נוזל.

היתרונות של תגובות אורגנוקטליטיות המקודמות באמצעות סונוכימיה

השימוש בסוניקציה בסינתזה אורגנית ובקטליזה הולך וגובר, שכן השפעות סונוכימיות מביאות להעצמה משמעותית של תגובות כימיות. במיוחד בהשוואה לשיטות מסורתיות (למשל חימום וערבוב), הסונוכימיה יעילה יותר, נוחה יותר וניתנת לבקרה מדויקת. סוניקציה וסונוכימיה מציעות כמה יתרונות מרכזיים, כגון ניצולות גבוהות יותר, טוהר גבוה יותר של התרכובות וסלקטיביות גבוהה יותר, זמני תגובה קצרים יותר, עלויות נמוכות יותר, וכן פשטות בביצוע ההליך הסונוכימי ובתפעולו. גורמים מועילים אלה הופכים תגובות כימיות בסיוע אולטרסאונד לא רק ליעילות ובטוחות יותר, אלא גם לידידותיות יותר לסביבה.
הוכח כי תגובות אורגניות רבות מניבות ניצולות גבוהות יותר בזמן תגובה קצר יותר ו / או בתנאים מתונים יותר כאשר הן מבוצעות באמצעות סוניקציה.

טיפול באולטרסאונד מאפשר תגובות פשוטות בכלי אחד

סוניקציה מאפשרת ליזום תגובות מרובות רכיבים כתגובות בכלי אחד, המאפשרות סינתזה של תרכובות בעלות מבנים מגוונים. תגובות כאלה בכלי אחד מוערכות בזכות יעילותן הכוללת הגבוהה ופשטותן, שכן אין צורך בבידוד ובטיהור של תוצרי ביניים.

השפעות גלי האולטרסאונד על תגובות אורגנוקטליטיות אסימטריות יושמו בהצלחה בסוגי תגובות שונים, לרבות קטליזה במעבר פאזות, תגובות הק, הידרוגנציה, תגובות מאניך, תגובות ברבייה ותגובות דמויות ברבייה, תגובות דילס–אלדר, תגובת צימוד סוזוקי ותגובת סיפוח מיכאל.

מצאו את המכשיר האולטרסוני האידיאלי לתגובה האורגנוקטליטית שלכם!

Hielscher Ultrasonics היא השותפה האמינה שלכם לציוד אולטרסוני איכותי ובעל ביצועים גבוהים. Hielscher מתכננת, מייצרת ומשווקת גשושים אולטרסוניים, כורים וקרניים אולטרסוניות מסוג כוס בטכנולוגיה המתקדמת ביותר ליישומים סונוכימיים. כל הציוד מיוצר לפי נהלים מוסמכים לפי ISO ובדיוק גרמני לאיכות מעולה, במטה שלנו בטלטו (ליד ברלין), גרמניה.
מגוון המכשירים האולטרסוניים של Hielscher משתרע ממכשירים אולטרסוניים קומפקטיים למעבדה ועד כורים אולטרסוניים תעשייתיים מלאים לייצור כימי בקנה מידה גדול. גשושים (המכונים גם סונוטרודות, קרניים אולטרסוניות או קצוות), קרניים להגברת המשרעת וכורים זמינים במגוון רחב של גדלים וגאומטריות. ניתן לייצר גם גרסאות המותאמות לדרישותיכם.
מכיוון שהמעבדים האולטרסוניים של Hielscher Ultrasonics זמינים בכל גודל, ממכשירי מעבדה קטנים ועד מעבדים תעשייתיים גדולים ליישומי כימיה באצווה ובזרימה, ניתן לשלב בקלות סוניקציה בעלת ביצועים גבוהים בכל מערך תגובה. כוונון מדויק של המשרעת האולטרסונית – הפרמטר החשוב ביותר ליישומים סונוכימיים – מאפשר להפעיל את המכשירים האולטרסוניים של Hielscher במשרעות נמוכות עד גבוהות מאוד, ולכוונן את המשרעת במדויק לתנאי התהליך האולטרסוני הנדרשים במערכת התגובה הכימית המסוימת.
המחולל האולטרסוני של Hielscher כולל תוכנה חכמה עם רישום נתונים אוטומטי. כל פרמטרי העיבוד החשובים, כגון אנרגיה אולטרסונית, טמפרטורה, לחץ וזמן, נשמרים אוטומטית בכרטיס SD מובנה מרגע הפעלת המכשיר.
ניטור התהליך ורישום הנתונים חשובים לתקנון מתמשך של התהליך ולאיכות המוצר. גישה לנתוני התהליך הנרשמים אוטומטית מאפשרת לכם לסקור הפעלות סוניקציה קודמות ולהעריך את התוצאות.
תכונה נוספת הידידותית למשתמש היא השליטה מרחוק במערכות האולטרסוניות הדיגיטליות שלנו באמצעות דפדפן. באמצעות שליטה מרחוק בדפדפן תוכלו להפעיל, לעצור, לכוונן ולנטר את המעבד האולטרסוני שלכם מרחוק, מכל מקום.
צרו איתנו קשר עכשיו כדי ללמוד עוד על האופן שבו ההומוגנייזרים האולטרסוניים שלנו, בעלי הביצועים הגבוהים, יכולים לשפר את תגובת הסינתזה האורגנוקטליטית שלכם!

הטבלה שלהלן נותנת לכם מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: