अल्ट्रासोनिक रूप से प्रेरित और बढ़ाया चरण स्थानांतरण उत्प्रेरण

उच्च शक्ति अल्ट्रासाउंड विभिन्न रासायनिक प्रतिक्रियाओं में इसके योगदान के लिए प्रसिद्ध है। यह तथाकथित है सोनोकेमिस्ट्री. विषम प्रतिक्रियाएं - और विशेष रूप से चरण हस्तांतरण प्रतिक्रियाएं - पावर अल्ट्रासाउंड के लिए अत्यधिक संभावित अनुप्रयोग क्षेत्र हैं। अभिकर्मकों पर लागू यांत्रिक और सोनोकेमिकल ऊर्जा के कारण, प्रतिक्रियाओं को शुरू किया जा सकता है, प्रतिक्रिया की गति को काफी बढ़ाया जा सकता है, साथ ही उच्च रूपांतरण दर, उच्च पैदावार और बेहतर उत्पाद प्राप्त किए जा सकते हैं। अल्ट्रासाउंड की रैखिक मापनीयता और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक की उपलब्धता उद्योग-प्रधान उपकरण इस तकनीक को रासायनिक उत्पादन के लिए एक दिलचस्प समाधान बनाते हैं।

चरण स्थानांतरण उत्प्रेरण

चरण स्थानांतरण उत्प्रेरण (पीटीसी) विषम उत्प्रेरण का एक विशेष रूप है और कार्बनिक संश्लेषण के लिए एक व्यावहारिक पद्धति के रूप में जाना जाता है। एक चरण हस्तांतरण उत्प्रेरक का उपयोग करके, आयनिक अभिकारकों को घुलनशील करना संभव हो जाता है, जो अक्सर एक जलीय चरण में घुलनशील होते हैं लेकिन एक कार्बनिक चरण में अघुलनशील होते हैं। इसका मतलब यह है कि पीटीसी एक प्रतिक्रिया में विषमता की समस्या को दूर करने के लिए एक वैकल्पिक समाधान है जिसमें मिश्रण के विभिन्न चरणों में स्थित दो पदार्थों के बीच बातचीत अभिकर्मकों की अक्षमता के कारण बाधित होती है। (एसेन एट अल 2010) चरण हस्तांतरण उत्प्रेरण के सामान्य लाभ तैयारी, सरल प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं, हल्के प्रतिक्रिया की स्थिति, उच्च प्रतिक्रिया दर, उच्च चयनात्मकता, और सस्ती और पर्यावरणीय रूप से सौम्य अभिकर्मकों, जैसे चतुर्धातुक अमोनियम लवण, और सॉल्वैंट्स के उपयोग के लिए छोटे प्रयास हैं, और बड़े पैमाने पर तैयारी करने की संभावना (ओओआई एट अल 2007)।
विभिन्न प्रकार के तरल-तरल और तरल-ठोस प्रतिक्रियाओं को तेज किया गया है और सरल चरण-हस्तांतरण (पीटी) उत्प्रेरक जैसे कि क्वाट्स, पॉलीथीन ग्लाइकॉल -400, आदि का उपयोग करके चयनात्मक बनाया गया है, जो आयनिक प्रजातियों को जलीय चरण से कार्बनिक चरण तक ले जाने की अनुमति देता है। इस प्रकार, जलीय चरण में कार्बनिक अभिकारकों की बेहद कम घुलनशीलता से जुड़ी समस्याओं को दूर किया जा सकता है। कीटनाशक और दवा उद्योगों में, पीटीसी का बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है और इसने व्यवसाय के मूल सिद्धांतों को बदल दिया है। (शर्मा 2002)

पावर अल्ट्रासाउंड

पावर अल्ट्रासाउंड का अनुप्रयोग बेहद महीन बनाने के लिए एक प्रसिद्ध उपकरण है इमल्शन. रसायन विज्ञान में रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बढ़ाने के लिए इस तरह के बेहद महीन आकार के इमल्शन का उपयोग किया जाता है। इसका मतलब यह है कि दो या दो से अधिक अमिश्रणीय तरल पदार्थों के बीच इंटरफेसियल संपर्क क्षेत्र नाटकीय रूप से बढ़ जाता है और इस तरह प्रतिक्रिया का एक बेहतर, अधिक पूर्ण और / या तेज कोर्स प्रदान करता है।
चरण स्थानांतरण उत्प्रेरण के लिए – अन्य रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए भी - प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
रासायनिक प्रतिक्रिया के संबंध में इसके विभिन्न सकारात्मक प्रभाव हैं:

• एक रासायनिक प्रतिक्रिया जो सामान्य रूप से इसकी कम गतिज ऊर्जा के कारण नहीं होगी, अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा शुरू की जा सकती है।
• अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त पीटीसी द्वारा रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज किया जा सकता है।
• चरण हस्तांतरण उत्प्रेरक का पूर्ण परिहार।
• कच्चे माल का उपयोग अधिक कुशल किया जा सकता है।
• उप-उत्पादों को कम किया जा सकता है।
• सस्ती अकार्बनिक आधार के साथ लागत-गहन खतरनाक मजबूत आधार का प्रतिस्थापन।

इन प्रभावों से, पीटीसी दो और अधिक अमिश्रणीय अभिकारकों से कार्बनिक संश्लेषण के लिए एक अमूल्य रासायनिक पद्धति है: चरण हस्तांतरण उत्प्रेरण (पीटीसी) रासायनिक प्रक्रियाओं के कच्चे माल का अधिक कुशलता से उपयोग करने और अधिक लागत प्रभावी ढंग से उत्पादन करने में सक्षम बनाता है। पीटीसी द्वारा रासायनिक प्रतिक्रियाओं की वृद्धि रासायनिक उत्पादन के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है जिसे नाटकीय रूप से अल्ट्रासाउंड के उपयोग से बेहतर बनाया जा सकता है।

अल्ट्रासोनिक रूप से प्रचारित पीटीसी प्रतिक्रियाओं के लिए उदाहरण

• अल्ट्रासोनिकेशन के तहत पीईजी -400 का उपयोग करके नए एन'- (4,6-डिसब्स्टीट्यूड-पाइरीमिडिन-2-वाईएल) -एन- (5-एरिल-2-फ्यूरॉयल) थियोरिया डेरिवेटिव का संश्लेषण। (केन एट अल 2005)
• आयनिक तरल में पीटीसी द्वारा मैंडेलिक एसिड के अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त संश्लेषण परिवेश की परिस्थितियों में प्रतिक्रिया पैदावार में महत्वपूर्ण वृद्धि दिखाता है। (हुआ एट अल 2011)
• कुबो एट अल (2008) एक विलायक मुक्त वातावरण में फेनिलासेटोनिट्राइल के अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त सी-अल्काइलेशन की रिपोर्ट करते हैं। प्रतिक्रिया को बढ़ावा देने के लिए अल्ट्रासाउंड के प्रभाव को दो तरल चरणों के बीच बहुत बड़े इंटरफेसियल क्षेत्र के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था। अल्ट्रासोनिकेशन के परिणामस्वरूप यांत्रिक मिश्रण की तुलना में बहुत तेज प्रतिक्रिया दर होती है।
• डाइक्लोरोकार्बेन के उत्पादन के लिए मैग्नीशियम के साथ कार्बन टेट्राक्लोराइड की प्रतिक्रिया के दौरान सोनिकेशन के परिणामस्वरूप ओलेफिन की उपस्थिति में रत्न-डाइक्लोरोसाइक्लोप्रोपेन की उच्च उपज होती है। (लिन एट अल 2003)
• अल्ट्रासाउंड कैनिज़ारो प्रतिक्रिया का त्वरण प्रदान करता है p-क्लोरोबेंजाल्डिहाइड चरण हस्तांतरण स्थितियों के तहत। तीन चरण स्थानांतरण उत्प्रेरक – बेंज़िलट्रिएथाइलैमोनियम क्लोराइड (TEBA), Aliquat और 18-crown-6 -, जिनका परीक्षण पोलाकोवा एट अल द्वारा किया गया है। (1996) TEBA को सबसे प्रभावी पाया गया। फेरोसीनकार्बल्डिहाइड और p-डाइमिथाइलैमिनोबेंजाल्डिहाइड, समान परिस्थितियों में, 1,5-डायरिल-1,4-पेंटाडियन-3-वाले मुख्य उत्पाद के रूप में दिए।
• लिन-जिओ एट अल (1987) ने दिखाया है कि अल्ट्रासोनिकेशन और पीटीसी का संयोजन बेहतर उपज और उत्प्रेरक की कम मात्रा के साथ कम समय में क्लोरोफॉर्म से डाइक्लोरोकार्बेन की पीढ़ी को प्रभावी ढंग से बढ़ावा देता है।
• 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) उत्प्रेरक के रूप में। QCl के उपयोग से₂, उन्होंने एक उपन्यास दोहरी-साइट चरण-स्थानांतरण उत्प्रेरण विकसित किया है। यह ठोस-तरल चरण-स्थानांतरण उत्प्रेरण (एसएलपीटीसी) अल्ट्रासोनिकेशन के साथ बैच प्रक्रिया के रूप में किया गया है। गहन सोनिकेशन के तहत, जोड़े गए Q2+ का 33% जिसमें Q(Ph(OH)COO) का 45.2% होता है)₂ बेंजाइल ब्रोमाइड के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए कार्बनिक चरण में स्थानांतरित हो गया है, इसलिए समग्र प्रतिक्रिया दर को बढ़ाया गया था। यह बेहतर प्रतिक्रिया दर 0.106 मिनट प्राप्त की गई थी^-1 अल्ट्रासोनिक विकिरण के 300W के तहत, जबकि sonication के बिना 0.0563 मिनट की दर^-1 देखा गया था। इस प्रकार, चरण हस्तांतरण उत्प्रेरण में अल्ट्रासाउंड के साथ दोहरी साइट चरण-स्थानांतरण उत्प्रेरक के सहक्रियात्मक प्रभाव का प्रदर्शन किया गया है।

असममित चरण स्थानांतरण प्रतिक्रिया की अल्ट्रासोनिक वृद्धि

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 समरूपीकरण, यह बहुत ठीक है इमल्शन, 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)

असममित उत्प्रेरण का एक अन्य प्रतिक्रिया प्रकार माइकल प्रतिक्रिया है। डायथाइल का माइकल जोड़ N-एसिटाइल-एमिनोमालोनेट से चालकोन सकारात्मक रूप से अल्ट्रासोनिकेशन से प्रभावित होता है जिसके परिणामस्वरूप उपज में 12% की वृद्धि होती है (मूक प्रतिक्रिया के दौरान प्राप्त 72% से अल्ट्रासोनिकेशन के तहत 82% तक)। अल्ट्रासाउंड के बिना प्रतिक्रिया की तुलना में पावर अल्ट्रासाउंड के तहत प्रतिक्रिया समय छह गुना तेज है। एनेंटिओमेरिक अतिरिक्त (ईई) नहीं बदला है और दोनों प्रतिक्रियाओं के लिए था - अल्ट्रासाउंड के साथ और बिना - 40% ईई पर। (मिर्ज़ा-अघायन एवं अन्य 1995)
ली एट अल (2003) ने प्रदर्शित किया कि विभिन्न सक्रिय मेथिलीन यौगिकों जैसे डायथाइल मैलोनेट, नाइट्रोमेथेन, साइक्लोहेक्सानोन, एथिल एसीटोसेटेट और एसिटाइलसिटोन के साथ स्वीकारकर्ताओं के रूप में चाल्कोन की माइकल प्रतिक्रिया केएफ / बेसिक एल्यूमिना द्वारा उत्प्रेरित दाताओं के रूप में अल्ट्रासाउंड विकिरण के तहत कम समय के भीतर उच्च उपज में शामिल होती है। एक अन्य अध्ययन में, ली एट अल (2002) ने केएफ-अल द्वारा उत्प्रेरित चाल्कोन के सफल अल्ट्रासोनिक रूप से सहायता प्राप्त संश्लेषण को दिखाया है₂O₃.
उपरोक्त ये पीटीसी प्रतिक्रियाएं अल्ट्रासोनिक विकिरण की क्षमता और संभावनाओं की केवल एक छोटी श्रृंखला दिखाती हैं।
पीटीसी में संभावित संवर्द्धन से संबंधित अल्ट्रासाउंड का परीक्षण और मूल्यांकन बहुत सरल है। अल्ट्रासोनिक प्रयोगशाला उपकरण जैसे Hielscher's यूपी200एचटी (200 वाट) और बेंच-टॉप सिस्टम जैसे कि Hielscher's यूआईपी1000एचडी (1000 वाट) पहले परीक्षणों की अनुमति देते हैं। (चित्र 1 और 2 देखें)

रासायनिक बाजार पर प्रतिस्पर्धा करने वाले कुशल उत्पादन

अल्ट्रासोनिक चरण हस्तांतरण उत्प्रेरण का उपयोग करके आप एक या अधिक विभिन्न लाभकारी लाभों से लाभान्वित होंगे:

• प्रतिक्रियाओं का आरंभीकरण जो अन्यथा संभव नहीं हैं
• उपज में वृद्धि
• महंगे, निर्जल, एप्रोटिक सॉल्वैंट्स की कटौती
• प्रतिक्रिया समय में कमी
• कम प्रतिक्रिया तापमान
• सरलीकृत तैयारी
• क्षार धातु एल्कॉक्साइड, सोडियम एमाइड, सोडियम हाइड्राइड या धातु सोडियम के बजाय जलीय क्षार धातु का उपयोग
• सस्ते कच्चे माल, विशेष रूप से ऑक्सीडेंट का उपयोग
• चयनात्मकता का बदलाव
• उत्पाद अनुपात में परिवर्तन (जैसे O-/C-alkylation)
• सरलीकृत अलगाव और शुद्धिकरण
• साइड प्रतिक्रियाओं को दबाकर उपज में वृद्धि
• सरल, रैखिक पैमाने से औद्योगिक उत्पादन स्तर तक, यहां तक कि बहुत उच्च थ्रूपुट के साथ भी