תגובות אורגנוקטליטיות המקודמות על ידי סוניקציה

בכימיה אורגנית, אורגנוקטליזה היא צורה של קטליזה שבה קצב התגובה הכימית מוגבר על ידי זרז אורגני. זה “אורגנוקטליסט” מורכב מפחמן, מימן, גופרית ויסודות אל-מתכתיים אחרים הנמצאים בתרכובות אורגניות. היישום של אולטרסאונד בהספק גבוה למערכות כימיות ידוע בשם סונוכימיה וטכניקה מבוססת היטב להגדלת התשואות, לשיפור קצבי התגובה ולהאצת מהירות התגובה. תחת סוניקציה, לעתים קרובות ניתן להחליף מסלולים כימיים תוך הימנעות מתוצרי לוואי לא רצויים. סונוכימיה יכולה לקדם תגובות אורגנוקטליטיות, מה שהופך אותן ליעילות יותר וידידותיות יותר לסביבה.

אורגנוקטליזה אסימטרית – משופר על ידי סוניקציה

סונוכימיה, היישום של אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים במערכות כימיות, יכול לשפר תגובות אורגנוקטליטיות, באופן משמעותי. אורגנוקטליזה אסימטרית בשילוב עם אולטרסוניקציה מאפשרת לעתים קרובות להפוך אורגנוקטליזה למסלול ידידותי יותר לסביבה, ובכך נופלת תחת המינוח של כימיה ירוקה. סוניקציה מאיצה תגובה אורגנוקטליטית (אסימטרית) ומובילה לתפוקות גבוהות יותר, שיעורי המרה מהירים יותר, בידוד/טיהור קל יותר של המוצר, וסלקטיביות ותגובתיות משופרות. מלבד תרומה לשיפור קינטיקה ותפוקת התגובה, ניתן לשלב לעתים קרובות אולטרסוניקציה עם ממיסי תגובה בני קיימא, כגון נוזלים יוניים, ממיסים אאוטקטיים עמוקים, ממיסים עדינים ולא רעילים ומים. בכך, הסונוכימיה לא רק משפרת את התגובה האורגנוקטליטית (הא-סימטרית) עצמה, אלא גם מסייעת לקיימות של תגובות אורגנוקטליטיות.

מחקרים הראו דוגמאות רבות לתגובות אורגנוקטליטיות. לדוגמה, מולקולות דנ"א דו-גדיליות כפיגום כיראלי משמשות להרכבת זרזים היברידיים של מתכת-ביו-מקרומולקולות לתגובות סינתזה אסימטריות. זרזים מבוססי דנ"א G-quadruplex יושמו בתגובות אסימטריות של מיכאל, דילס-אלדר ופרידל-קראפט. (ראה: ג'או ושן, 2018)
עבור תגובה המקודמת על ידי אינידיום, סוניקציה מראה השפעות מועילות מכיוון שהתגובה המונעת על ידי סונוכימיה פועלת בתנאים מתונים יותר, ובכך שומרת על רמות גבוהות של דיאסטרוסלקציה. באמצעות המסלול הסונוכימי, הושגו תוצאות טובות על סינתזה אורגנוקטליטית של פחמימות β-לקטם, חומצת אמינו β וספירודיקטופיפרזין מלקטונים של סוכר, כמו גם תגובות אלילציה ורפורמציה על אתרי אוקסימה.

סינתזת תרופות אורגנוקטליטית מקודמת באולטרסאונד

Rogozińska-Szymczak and Mlynarski (2014) מדווחים על תוספת מייקל אסימטרית של 4-hydroxycoumarin ל-α,β קטונים בלתי רוויים על מים ללא ממיסים אורגניים – זרז על ידי אמינים ראשוניים אורגניים וסוניקציה. היישום של טהור אננטיומרית (S,S)-diphenylethylenediamine מעניק סדרה של תרכובות פעילות תרופתית חשובות בתפוקות טובות עד מצוינות (73-98%) ועם enantioselectivities טוב (עד 76% ee) באמצעות תגובות מואצות על ידי אולטרסאונד. החוקרים מציגים פרוטוקול סונוכימי יעיל להיווצרות "מוצקים על מים" של קומדין נוגד קרישה בשתי הצורות האננטיומריות. תגובה אורגנוקטליטית ידידותית לסביבה זו לא רק ניתנת להרחבה, אלא גם מניבה את מולקולת תרופת המטרה בצורה אננטיומרית טהורה.

אפוקסידציה סונוכימית של טרפנים

Charbonneau et al. (2018) demostrated epoxidation מוצלח של טרפנים תחת סוניקציה. האפוקסידציה הקונבנציונלית דורשת שימוש בזרז, אך עם סוניקציה האפוקסידציה פועלת כתגובה נטולת זרז.
לימונן דו-חמצני היא מולקולת ביניים מרכזית להתפתחות פוליקרבונטים מבוססי ביולוגיה או פוליאוריתן נוניסוציאנט. סוניקציה מאפשרת אפוקסידציה חופשית של טרפנים תוך זמן תגובה קצר מאוד – במקביל נותן תשואות טובות מאוד. על מנת להדגים את היעילות של חמצון קולי, צוות המחקר השווה את החמצון של לימונן לדו תחמוצת הלימונן באמצעות dimethyl dioxirane שנוצר באתרו כסוכן חמצון הן תחת תסיסה קונבנציונלית והן ultrasonication. עבור כל ניסויי הסוניקציה Hielscher UP50H (50W, 30kHz) אולטרסאונד מעבדה היה בשימוש.

הזמן הדרוש להמרה מלאה של לימונן דו-חמצני עם תפוקה של 100% תחת סוניקציה היה רק 4.5 דקות בטמפרטורת החדר. לשם השוואה, כאשר משתמשים בתסיסה קונבנציונלית באמצעות מערבל מגנטי, הזמן הדרוש כדי להגיע לתנובה של 97% של לימונן דו-חמצני היה 1.5 שעות. החמצון של α-פינן נחקר גם באמצעות שתי טכניקות התסיסה. חמצון של תחמוצת α-פינן לתחמוצת α-פינן תחת סוניקציה דרש רק 4 דקות עם תפוקה מתקבלת של 100%, בעוד שבהשוואה לשיטה הקונבנציונלית זמן התגובה היה 60 דקות. באשר לטרפנים אחרים, β-פינן הומר לתחמוצת β-פינן תוך 4 דקות בלבד ואילו פרנסול הניב 100% מהטריאפוסיד תוך 8 דקות. Carveol, נגזרת לימונן, הומר ל-Carveol dioxide עם תשואה של 98%. בתגובת החמצון של קרבון באמצעות דימתיל דיאוקסיראן, ההמרה הייתה 100% תוך 5 דקות, והפיקה תחמוצת 7,8 קרבון.
היתרונות העיקריים של חמצון טרפן סונוכימי הם האופי הידידותי לסביבה של החומר המחמצן (כימיה ירוקה), כמו גם זמן התגובה מופחת באופן משמעותי ביצוע חמצון זה תחת תסיסה קולית. שיטת חמצון זו אפשרה להגיע להמרה של 100% לימונן עם תפוקה של 100% של דו תחמוצת הלימונן תוך 4.5 דקות בלבד בהשוואה ל -90 דקות כאשר משתמשים בתסיסה מסורתית. יתר על כן, לא נמצאו תוצרי חמצון של לימונן, כגון קרבון, קרוול ואלכוהול פריליל, בתווך התגובה. החמצון של α-פינן תחת אולטרסאונד דרש 4 דקות בלבד, והניב 100% של תחמוצת α-פינן ללא חמצון של הטבעת. טרפנים אחרים כגון β-pinene, farnesol, ו carveol גם הם מחומצנים, מה שמוביל לתפוקת אפוקסיד גבוהה מאוד.

השפעות סונוכימיות

כחלופה לשיטות קלאסיות, פרוטוקולים מבוססי סונוכימיקלים שימשו להגברת השיעורים של מגוון רחב של תגובות, וכתוצאה מכך מוצרים שנוצרו בתנאים מתונים יותר עם הפחתה משמעותית בזמני התגובה. שיטות אלה תוארו כידידותיות יותר לסביבה ובנות קיימא וקשורות לסלקטיביות רבה יותר וצריכת אנרגיה נמוכה יותר עבור התמורות הרצויות. המנגנון של שיטות אלה מבוסס על תופעת הקוויטציה האקוסטית, המשרה תנאים ייחודיים של לחץ וטמפרטורה באמצעות היווצרות, צמיחה וקריסה אדיאבטית של בועות בתווך הנוזלי. השפעה זו משפרת את העברת המסה ומגבירה את הזרימה הסוערת בנוזל, ומקלה על השינויים הכימיים. במחקרים שלנו, השימוש באולטרסאונד הוביל לייצור תרכובות בזמני תגובה קצרים יותר עם תפוקות גבוהות וטוהר. מאפיינים אלה הגדילו את מספר התרכובות המוערכות במודלים פרמקולוגיים, ותרמו להאצת תהליך אופטימיזציה של פגע לעופרת.
לא רק שקלט אנרגיה גבוהה זה יכול לשפר את ההשפעות המכניות בתהליכים הטרוגניים, אלא שהוא גם ידוע כגורם לתגובות חדשות המובילות להיווצרות מינים כימיים בלתי צפויים. מה שמייחד את הסונוכימיה הוא התופעה יוצאת הדופן של קוויטציה, היוצרת בחלל סגור מקומי של סביבת המיקרו-בועות השפעות יוצאות דופן עקב מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך לסירוגין, הפרשי טמפרטורה גבוהים מאוד, כוחות גזירה גבוהים וזרם נוזלי.

היתרונות של תגובות אורגנוקטליטיות, מקודמות סונוכימית

סוניקציה משמשת יותר ויותר בסינתזה אורגנית וקטליזה, שכן השפעות סונוכימיות מראות התעצמות משמעותית של תגובות כימיות. במיוחד בהשוואה לשיטות מסורתיות (למשל, חימום, ערבוב), סונוכימיה יעילה יותר, נוחה יותר וניתנת לשליטה מדויקת. סוניקציה וסונוכימיה מציעות מספר יתרונות עיקריים כגון תפוקות גבוהות יותר, טוהר מוגבר של התרכובות וסלקטיביות, זמני תגובה קצרים יותר, עלויות נמוכות יותר, כמו גם הפשטות בתפעול וטיפול בהליך הסונוכימי. גורמים מועילים אלה הופכים תגובות כימיות בסיוע אולטרה-סאונד לא רק ליעילות וחסכוניות יותר, אלא גם ידידותיות יותר לסביבה.
תגובות אורגניות רבות הוכחו כמעניקות תפוקות גבוהות יותר בזמן תגובה קצר יותר ו/או בתנאים מתונים יותר כאשר הן מבוצעות באמצעות סוניקציה.

אולטרה-סוניקציה מאפשרת תגובות פשוטות של סיר אחד

סוניקציה מאפשרת ליזום תגובות מרובות רכיבים כתגובות חד פעמיות המספקות סינתזה של תרכובות מגוונות מבחינה מבנית. תגובות חד פעמיות כאלה מוערכות ביעילות כוללת גבוהה ובפשטותן, שכן בידוד וטיהור של מתווכים אינו נדרש.

ההשפעות של גלי אולטרסאונד על תגובות אורגנוקטליטיות, אסימטריות, יושמו בהצלחה בסוגי תגובות שונים, כולל זרזי מעבר פאזה, תגובות הק, הידרוגנציה, תגובות מאניץ', תגובות דמויות ברביר וברבייה, תגובות דילס-אלדר, תגובת צימוד סוזוקי ותוספת מיכאל.

מצא את Ultrasonicator האידיאלי עבור התגובה אורגנוקטליטית שלך!

Hielscher Ultrasonics הוא השותף המהימן שלך כשמדובר ביצועים גבוהים, ציוד קולי באיכות גבוהה. Hielscher מתכננת, מייצרת ומפיצה בדיקות אולטראסוניות חדישות, כורים וקרניים ליישומים סונוכימיים. כל הציוד מיוצר תחת נהלים מוסמכים ISO ובדיוק גרמני לאיכות מעולה במטה שלנו בטלטוב (ליד ברלין), גרמניה.
הפורטפוליו של Hielscher ultrasonicators נע בין ultrasonicators מעבדה קומפקטית לכורים קוליים תעשייתיים לחלוטין לייצור כימי בקנה מידה גדול. גשושיות (הידועות גם בשם סונוטרודות, קרניים או קצוות על-קוליים), קרני מאיץ וכורים זמינים במגוון גדלים וגיאומטריות. ניתן לייצר גם גרסאות מותאמות אישית לדרישות שלך.
מאז Hielscher Ultrasonics’ מעבדים על-קוליים זמינים בכל גודל, החל מהתקני מעבדה קטנים ועד מעבדים תעשייתיים גדולים עבור יישומי אצווה וכימיה של זרימה, ניתן ליישם בקלות סוניקציה בעלת ביצועים גבוהים בכל מערך תגובה. התאמה מדויקת של המשרעת העל-קולית – הפרמטר החשוב ביותר עבור יישומים סונוכימיים – מאפשר להפעיל אולטרסאונד Hielscher באמפליטודות נמוכות עד גבוהות מאוד כדי לכוונן את המשרעת בדיוק לתנאי התהליך הקולי הנדרש של מערכת התגובה הכימית הספציפית.
הגנרטור הקולי של Hielscher כולל תוכנה חכמה עם פרוטוקול נתונים אוטומטי. כל פרמטרי העיבוד החשובים כגון אנרגיה קולית, טמפרטורה, לחץ וזמן מאוחסנים באופן אוטומטי בכרטיס SD מובנה ברגע שהמכשיר מופעל.
ניטור תהליכים ורישום נתונים חשובים לסטנדרטיזציה מתמשכת של תהליכים ולאיכות המוצר. על-ידי גישה לנתוני התהליך המתועדים באופן אוטומטי, באפשרותך לשנות ריצות סוניקציה קודמות ולהעריך את התוצאה.
תכונה ידידותית למשתמש נוספת היא שלט הדפדפן של המערכות האולטרה-סוניות הדיגיטליות שלנו. באמצעות בקרת דפדפן מרחוק אתה יכול להתחיל, לעצור, להתאים ולנטר את המעבד הקולי שלך מרחוק מכל מקום.
צור איתנו קשר עכשיו כדי ללמוד עוד על ההומוגנייזרים העל-קוליים בעלי הביצועים הגבוהים שלנו יכולים לשפר את תגובת הסינתזה האורגנוקטליטית שלך!

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: