सोनोकेमिकल प्रभावों से बेहतर बनाई गई डील्स–एल्डर अभिक्रियाएँ

डील्स–एल्डर अभिक्रियाओं का व्यापक उपयोग उन रासायनिक संश्लेषणों में किया जाता है, जहाँ कार्बन परमाणुओं के बीच कार्बन–कार्बन बंध बनाने आवश्यक होते हैं। अल्ट्रासोनिकेशन और इसके सोनोकेमिकल प्रभाव डील्स–एल्डर अभिक्रियाओं को संचालित करने और बढ़ावा देने में अत्यधिक प्रभावी हैं। इनके परिणामस्वरूप अधिक उपज मिलती है, अभिक्रिया का समय काफी कम होता है और साथ ही ये पर्यावरण के अनुकूल हरित रसायन विज्ञान का हिस्सा हैं।

हरित रसायन विज्ञान के लिए सोनोकेमिकल प्रभावों से संवर्धित डील्स–एल्डर अभिक्रिया

डील्स–एल्डर अभिक्रियाएँ ऐसी रासायनिक अभिक्रियाएँ हैं, जिनमें कार्बन परमाणुओं के बीच बंध बनते हैं। डील्स–एल्डर अभिक्रिया को तापीय रूप से अनुमत [4+2] चक्रीय योगज अभिक्रिया के रूप में वर्गीकृत किया जाता है [_π4_s + _π2_s]। चूँकि अल्ट्रासाउंड-सहायित कार्बनिक संश्लेषण एक हरित और कुशल संश्लेषण मार्ग है, जो अभिक्रियाओं की दर, उपज और चयनात्मकता को बढ़ाता है, इसलिए सोनिकेशन एक सरल और विश्वसनीय तकनीक है, जिसका प्रयोगशालाओं और औद्योगिक उत्पादन में व्यापक उपयोग होता है। अक्सर, सोनोकेमिकल प्रभावों से प्रोत्साहित यह मार्ग परिवेशी परिस्थितियों में ऐसे कार्बनिक रूपांतरण को सुगम बनाता है, जिसके लिए अन्यथा तापमान और दाब की कठोर परिस्थितियाँ आवश्यक होती हैं। इससे ऊर्जा की लागत बचाने में मदद मिलती है और रासायनिक संश्लेषण अधिक सुरक्षित प्रक्रिया बन जाता है।

डीप यूटेक्टिक विलायकों का उपयोग करके अल्ट्रासोनिक डील्स–एल्डर अभिक्रिया

डीप यूटेक्टिक विलायक (DES), लुईस या ब्रॉन्स्टेड अम्लों और क्षारों के ऐसे विलयन हैं, जो एक यूटेक्टिक मिश्रण बनाते हैं। चूँकि डीप यूटेक्टिक विलायक अज्वलनशील होते हैं, उनका वाष्प दाब और विषाक्तता कम होती है तथा वे अक्सर प्राकृतिक यौगिकों से बनाए जाते हैं, इसलिए वे विलायकों का अधिक सुरक्षित और पर्यावरण के अधिक अनुकूल विकल्प हैं। अल्ट्रासोनिकेशन और डीप यूटेक्टिक विलायक मिलकर सहक्रियात्मक ढंग से कार्य करने के लिए जाने जाते हैं, इसलिए इनका उपयोग रासायनिक संश्लेषण और अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण दोनों में किया जाता है। अल्ट्रासोनिक प्रभावों से प्रोत्साहित डील्स–एल्डर अभिक्रियाओं में भी डीप यूटेक्टिक विलायकों का उपयोग लाभकारी है। उदाहरण के लिए, पारंपरिक तापन और अल्ट्रासोनिक सक्रियण, दोनों परिस्थितियों में डीप यूटेक्टिक विलायकों (DES) में डाइईन की प्रकृति बदलते हुए, डाइईनोफाइल के रूप में N-ethylmaleimide का उपयोग करके डील्स–एल्डर अभिक्रिया को बढ़ावा देने के लिए सोनिकेशन का उपयोग किया जाता है।
डीप यूटेक्टिक विलायकों के साथ अल्ट्रासोनिक सक्रियण का उपयोग लाभकारी सिद्ध हुआ, जिससे अभिक्रिया के अत्यधिक कम समय में अच्छी उपज प्राप्त हुई।

अल्ट्रासोनिक प्रभावों से बेहतर बनाई गई डील्स–एल्डर अभिक्रिया।
अभिक्रिया योजना Marullo et al., 2020 से अनुकूलित

DES और सोनिकेशन का उपयोग करके डील्स–एल्डर अभिक्रिया की सामान्य प्रक्रिया

अल्ट्रासोनिक प्रभावों से प्रोत्साहित डील्स–एल्डर अभिक्रियाएँ, अभिक्रिया पात्र में अल्ट्रासोनिक प्रोब (सोनोट्रोड / हॉर्न) डालकर की गईं। 0.5 cm व्यास की नोक वाले अल्ट्रासोनिक प्रोब का उपयोग किया गया और नाममात्र निर्गम शक्ति 70 W थी। अभिक्रियाएँ 40°C पर पल्स मोड में सोनिकेशन लागू करके की गईं, जिसमें 5 sec चालू और 20 sec बंद के चक्र थे। अल्ट्रासोनिक प्रभावों से तीव्र की गई डील्स–एल्डर अभिक्रिया ने अल्ट्रासाउंड के बिना की गई अभिक्रिया की तुलना में बहुत कम समय में अच्छी उपज दी (सोनोकेमिकल और अल्ट्रासाउंड के बिना की गई अभिक्रियाओं के लिए क्रमशः 70 min और 24 h)।
सोनोकेमिकल प्रभावों से तीव्र की गई डील्स–एल्डर अभिक्रिया की ऊर्जा दक्षता का मूल्यांकन करने के लिए, अल्ट्रासाउंड के बिना और अल्ट्रासोनिक प्रभावों से प्रोत्साहित डील्स–एल्डर अभिक्रिया की ऊर्जा खपत की तुलना की गई। गणनाओं से अल्ट्रासाउंड के बिना की गई अभिक्रिया के लिए 35,094 kJ/g और अल्ट्रासाउंड-सहायित अभिक्रिया के लिए 28.4 kJ/g की खपत प्राप्त हुई (70 W शुद्ध ऊर्जा की निर्गम शक्ति वाला अल्ट्रासोनिक हॉर्न)। इससे सोनोकेमिकल प्रभावों से संचालित डील्स–एल्डर अभिक्रिया में 99% ऊर्जा की बचत होती है। ये सभी अवलोकन दृढ़ता से संकेत देते हैं कि डीप यूटेक्टिक विलायकों (DES) और अल्ट्रासोनिक विकिरण का संयुक्त उपयोग डील्स–एल्डर अभिक्रिया जैसी महत्वपूर्ण संश्लेषण प्रक्रियाओं के लिए एक कुशल और ऊर्जा बचाने वाली पद्धति है। (Marullo et al., 2020)

सोनिकेशन के साथ विभिन्न डीप यूटेक्टिक विलायकों का प्रभाव

अल्ट्रासोनिक प्रभावों से प्रोत्साहित डील्स–एल्डर अभिक्रिया के सर्वोत्तम परिणाम तब प्राप्त हुए, जब डीप यूटेक्टिक विलायकों [ChCl]:[Fru] और [TBACl]:[EG] का उपयोग विलायकों के रूप में किया गया। [ChCl]:[Fru] और [TBACl]:[EG] का विलायकों के रूप में उपयोग करने से अभिक्रिया के समय में उल्लेखनीय कमी आई और उपज में भी उल्लेखनीय सुधार हुआ ( [TBACl]:[EG] के लिए 73% और 87%, तथा [ChCl]:[Fru] के लिए 23 और 75%, क्रमशः अल्ट्रासाउंड के बिना और सोनोकेमिकल परिस्थितियों में)।
कुछ मामलों में, अर्थात जब [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], और [AcChCl]:[EG] का उपयोग विलायकों के रूप में किया जाता है, तो उपज अल्ट्रासाउंड के बिना प्राप्त उपज के तुलनीय होती है, लेकिन सोनिकेशन से रासायनिक प्रक्रिया की दर में फिर भी अत्यधिक सुधार होता है।
सोनिकेशन, आयनिक द्रवों (ILs) जैसे कम वाष्प दाब वाले श्यान विलायकों के साथ बहुत अच्छी तरह काम करता है, क्योंकि ये परिस्थितियाँ अधिक तीव्र कैविटेशन प्रभाव उत्पन्न करने में सहायक होती हैं। चूँकि डीप यूटेक्टिक विलायकों के भौतिक गुण आयनिक द्रवों के समान होते हैं, इसलिए उन्हें अल्ट्रासोनिकेशन के साथ उपयुक्त ढंग से उपयोग किया जा सकता है। डीप यूटेक्टिक विलायकों (DES) और सोनिकेशन की संयुक्त क्रिया डील्स–एल्डर अभिक्रिया की ऊर्जा आवश्यकता को काफी कम कर देती है। बहुत अच्छी उपज प्राप्त होने के साथ-साथ अभिक्रिया के समय में 24 h से 70 min तक की उल्लेखनीय कमी देखी जा सकती है। प्रक्रिया दक्षता की दृष्टि से इसका अर्थ है कि डीप यूटेक्टिक विलायकों (DES) और अल्ट्रासोनिकेशन का संयुक्त उपयोग, अल्ट्रासाउंड के बिना की परिस्थितियों की तुलना में सामग्री की 10 गुनी मात्रा को संसाधित करना संभव बनाता है। (Marullo et al., 2020)

ऑक्साबाइसाइक्लिक ऐल्कीनों की अल्ट्रासोनिक डील्स–एल्डर अभिक्रिया

Wei और सहकर्मियों (2004) ने दिखाया कि प्रतिस्थापित फ्यूरानों की डाइमेथिल एसीटिलीनडाइकार्बोक्सिलेट (DMAD) और डाइमेथिल मैलिएट जैसे अभिक्रियाशील डाइईनोफाइलों के साथ अल्ट्रासोनिकेशन से प्रोत्साहित डील्स–एल्डर अभिक्रिया से अच्छी उपज में प्रकार्यात्मक समूहों वाले ऑक्साबाइसाइक्लिक ऐल्कीन प्राप्त हुए। DMAD के साथ 2-विनाइलिक फ्यूरानों की क्षेत्रविशिष्ट फ्यूरानो डील्स–एल्डर चक्रीय योगज अभिक्रिया को अल्ट्रासोनिक प्रभावों से प्रोत्साहित करने पर अच्छी उपज में प्रकार्यात्मक समूहों वाले ऑक्साबाइसाइक्लिक ऐल्कीन प्राप्त हुए।

सोनोकेमिकल प्रभावों से बेहतर बनाई गई चक्रीय योगज अभिक्रियाएँ

Bravo और सहकर्मियों (2006) ने सोनोकेमिकल चक्रीय योगज अभिक्रियाओं की एक शृंखला का वर्णन किया, जिसमें अभिक्रिया माध्यम के रूप में इमिडाज़ोलियम-आधारित आयनिक द्रव में साइक्लोपेंटाडाइईन या 1,3-cyclohexadiene की कार्बोनिल डाइईनोफाइलों के साथ अभिक्रियाएँ शामिल थीं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि अल्ट्रासोनिकेशन इन चक्रीय योगज अभिक्रियाओं में प्रभावी रूप से सुधार करता है, जिससे अल्ट्रासाउंड के बिना की गई संबंधित अभिक्रियाओं की तुलना में अधिक उपज मिलती है और/या अभिक्रिया का समय कम होता है। उदाहरण के लिए, मेथिल विनाइल कीटोन या एक्रोलिन जैसे सरल α,β-असंतृप्त डाइईनोफाइलों के लिए अल्ट्रासोनिक सक्रियण के प्रभाव स्पष्ट हैं। उदाहरण के तौर पर, मेथिल विनाइल कीटोन से हल्के सोनिकेशन के 1 h के भीतर 89% उपज मिलती है, जबकि अल्ट्रासाउंड के बिना की गई अभिक्रिया में उसी अभिक्रिया समय में केवल 52% उपज प्राप्त हुई।

सोनोकेमिकल प्रभावों से प्रोत्साहित डील्स–एल्डर अभिक्रियाओं के लिए हर आकार के अल्ट्रासोनिकेटर

Hielscher Ultrasonics संश्लेषण और उत्प्रेरण अभिक्रियाओं जैसी रासायनिक प्रणालियों में एकीकरण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक प्रोब-प्रकार के होमोजेनाइज़र और सोनोकेमिकल उपकरणों का डिज़ाइन, निर्माण और वितरण करता है। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटरों का उपयोग दुनिया भर में रासायनिक अभिक्रियाओं को बढ़ावा देने, तीव्र करने, तेज करने और बेहतर बनाने के लिए विश्वसनीय उपकरणों के रूप में किया जाता है।
Hielscher Ultrasonics के अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर, बैच और प्रवाह रसायन विज्ञान के अनुप्रयोगों के लिए छोटे प्रयोगशाला उपकरणों से लेकर बड़े औद्योगिक प्रोसेसरों तक, हर आकार में उपलब्ध हैं। अल्ट्रासोनिक आयाम का सटीक समायोजन – जो सोनोकेमिकल अनुप्रयोगों का सबसे महत्वपूर्ण प्राचल है – Hielscher अल्ट्रासोनिकेटरों को कम से लेकर बहुत ऊँचे आयामों पर संचालित करना और किसी विशिष्ट रासायनिक अभिक्रिया प्रणाली की आवश्यक अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया परिस्थितियों के अनुरूप आयाम का बिल्कुल सटीक सूक्ष्म समायोजन करना संभव बनाता है।
Hielscher के अल्ट्रासोनिक जनरेटर में स्वचालित डेटा अभिलेखन वाला स्मार्ट सॉफ़्टवेयर है। उपकरण चालू होते ही अल्ट्रासोनिक ऊर्जा, तापमान, दाब और समय जैसे सभी महत्वपूर्ण प्रसंस्करण प्राचल अंतर्निर्मित SD-कार्ड पर स्वचालित रूप से सहेजे जाते हैं।
प्रक्रिया का सतत मानकीकरण और उत्पाद की गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए प्रक्रिया की निगरानी और डेटा अभिलेखन महत्वपूर्ण हैं। स्वचालित रूप से दर्ज प्रक्रिया डेटा तक पहुँचकर आप पिछले सोनिकेशन संचालन की समीक्षा कर सकते हैं और परिणाम का मूल्यांकन कर सकते हैं।
हमारी डिजिटल अल्ट्रासोनिक प्रणालियों की एक अन्य उपयोगकर्ता-अनुकूल सुविधा ब्राउज़र के माध्यम से दूरस्थ नियंत्रण है। ब्राउज़र के माध्यम से दूरस्थ नियंत्रण का उपयोग करके आप कहीं से भी अपने अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर को दूरस्थ रूप से चालू और बंद कर सकते हैं, समायोजित कर सकते हैं तथा उसकी निगरानी कर सकते हैं।
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नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: