Organokatalitičke reakcije potaknute sonikacijom
U organskoj kemiji, organokataliza je oblik katalize u kojoj se brzina kemijske reakcije povećava pomoću organskog katalizatora. Ovaj “organokatalizator” sastoji se od ugljika, vodika, sumpora i drugih nemetalnih elemenata koji se nalaze u organskim spojevima. Primjena ultrazvuka velike snage na kemijske sustave poznata je kao sonokemija i dobro uspostavljena tehnika za povećanje prinosa, poboljšanje brzina reakcije i ubrzavanje brzine reakcije. Pod sonikacijom često postaje moguće promijeniti kemijske puteve izbjegavajući neželjene nusproizvode. Sonokemija može potaknuti organokatalitičke reakcije čineći ih učinkovitijima i ekološki prihvatljivijima.
Asimetrična organokataliza – Poboljšano ultrazvukom
Sonokemija, primjena visokoučinkovitog ultrazvuka u kemijskim sustavima, može značajno poboljšati organokatalitičke reakcije. Asimetrična organokataliza u kombinaciji s ultrazvučnom obradom često omogućuje transformaciju organokatalize u ekološki prihvatljiviju rutu, čime potpada pod terminologiju zelene kemije. Sonikacija ubrzava (asimetričnu) organokatalitičku reakciju i dovodi do većih prinosa, bržih stopa konverzije, lakše izolacije/pročišćavanja proizvoda i poboljšane selektivnosti i reaktivnosti. Osim doprinosa poboljšanju kinetike reakcije i prinosa, ultrazvuk se često može kombinirati s održivim reakcijskim otapalima, kao što su ionske tekućine, duboka eutektička otapala, blaga, netoksična otapala i voda. Time sonokemija ne samo da poboljšava samu (asimetričnu) organokatalitičku reakciju, već također pomaže održivost organokatalitičkih reakcija.
Za reakciju potaknutu indijem, ultrazvuk pokazuje korisne učinke budući da sonokemijski vođena reakcija teče u blažim uvjetima, čime se održava visoka razina dijasteroselekcije. Sonokemijskim putem postignuti su dobri rezultati u organokatalitičkoj sintezi β-laktamskih ugljikohidrata, β-aminokiselina i spirodiketopiperazina iz šećernih laktona kao i alilacije i Reformatskyjevih reakcija na oksim eterima.
Ultrazvučno promovirana organokatalitička sinteza lijekova
Rogozińska-Szymczak i Mlynarski (2014) izvješćuju o asimetričnoj Michaelovoj adiciji 4-hidroksikumarina na α,β-nezasićene ketone na vodi bez organskih suotapala – kataliziran organskim primarnim aminima i sonikacijom. Primjena enantiomerno čistog (S,S)-difeniletilendiamina daje niz važnih farmaceutski aktivnih spojeva u dobrim do izvrsnim prinosima (73-98%) i s dobrim enantioselektivnostima (do 76% ee) putem reakcija ubrzanih ultrazvukom. Istraživači predstavljaju učinkovit sonokemijski protokol za stvaranje 'krutine na vodi' antikoagulansa varfarina u oba enantiomerna oblika. Ova ekološki prihvatljiva organokatalitička reakcija nije samo skalabilna, već također daje ciljnu molekulu lijeka u enantiomerno čistom obliku.

Sonikacija potiče asimetrično Michaelovo dodavanje 4-hidroksikumarina na α,β-nezasićene ketone na vodi bez organskih ko-otapala.
Slika i studija: ©Rogozińska-Szymczak i Mlynarski; 2014.
Sonokemijska epoksidacija terpena
Charbonneau i sur. (2018.) demonstrirali su uspješnu epoksidaciju terpena sonikacijom. Konvencionalna epoksidacija zahtijeva upotrebu katalizatora, ali kod sonikacije epoksidacija teče kao reakcija bez katalizatora.
Limonen dioksid ključna je intermedijarna molekula za razvoj polikarbonata na biološkoj osnovi ili neizocijanatnih poliuretana. Sonikacija omogućuje epoksidaciju terpena bez katalizatora u vrlo kratkom vremenu reakcije – istovremeno dajući vrlo dobre prinose. Kako bi pokazao učinkovitost ultrazvučne epoksidacije, istraživački tim je usporedio epoksidaciju limonena s limonen dioksidom korištenjem in-situ generiranog dimetil dioksirana kao oksidacijskog sredstva pod konvencionalnim miješanjem i ultrazvučnom obradom. Za sve pokuse sonikacije Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorijski ultrazvučni uređaj korišten je.

Visoko učinkovita sonokemijska epoksidacija terpena (npr. limonen dioksid, α-pinen oksid, β-pinen oksid, triepoksid itd.) s ultrazvučnim uređajem UP50H
slika i studija: © Charbonneau et al., 2018
Vrijeme potrebno za potpunu pretvorbu limonena u limonen dioksid sa 100% prinosom pod sonikacijom bilo je samo 4,5 min na sobnoj temperaturi. Za usporedbu, kada se koristi konvencionalno miješanje pomoću magnetske miješalice, potrebno vrijeme za postizanje 97% prinosa limonen dioksida bilo je 1,5 h. Epoksidacija α-pinena također je proučavana korištenjem obje tehnike miješanja. Epoksidacija α-pinena u α-pinen oksid uz sonikaciju zahtijevala je samo 4 minute uz dobiveni prinos od 100%, dok je u usporedbi s konvencionalnom metodom vrijeme reakcije bilo 60 minuta. Što se tiče ostalih terpena, β-pinen je pretvoren u β-pinen oksid za samo 4 minute, dok je farnesol dao 100% triepoksida za 8 minuta. Carveol, derivat limonena, pretvoren je u karveol dioksid s prinosom od 98%. U reakciji epoksidacije karvona upotrebom dimetildioksirana konverzija je bila 100% u 5 minuta, proizvodeći 7,8-karvon oksid.
Glavne prednosti sonokemijske terpenske epoksidacije su ekološki prihvatljiva priroda oksidacijskog agensa (zelena kemija) kao i značajno smanjeno vrijeme reakcije izvođenja ove oksidacije pod ultrazvučnim miješanjem. Ova metoda epoksidacije omogućila je postizanje 100% konverzije limonena sa 100% prinosom limonen dioksida za samo 4,5 min u usporedbi s 90 min kada se koristi tradicionalno miješanje. Nadalje, u reakcijskom mediju nisu pronađeni produkti oksidacije limonena, kao što su karvon, karveol i perililni alkohol. Epoksidacija α-pinena pod ultrazvukom zahtijevala je samo 4 minute, dajući 100% α-pinen oksida bez oksidacije prstena. Drugi terpeni kao što su β-pinen, farnesol i karveol također su oksidirani, što dovodi do vrlo visokih prinosa epoksida.

Ultrazvučno miješani reaktor s ultrazvučni uređaj UP200St za pojačane organokatalitičke reakcije.
sonokemijski učinci
Kao alternativa klasičnim metodama, protokoli temeljeni na sonokemiji korišteni su za povećanje brzina širokog spektra reakcija, što je rezultiralo proizvodima nastalim u blažim uvjetima sa značajnim smanjenjem vremena reakcije. Ove metode opisane su kao ekološki prihvatljivije i održivije te su povezane s većom selektivnošću i manjom potrošnjom energije za željene transformacije. Mehanizam takvih metoda temelji se na fenomenu akustične kavitacije, koja stvara jedinstvene uvjete tlaka i temperature stvaranjem, rastom i adijabatskim kolapsom mjehurića u tekućem mediju. Ovaj učinak poboljšava prijenos mase i povećava turbulentni protok u tekućini, olakšavajući kemijske transformacije. U našim studijama, korištenje ultrazvuka dovelo je do proizvodnje spojeva u smanjenim reakcijskim vremenima s visokim prinosima i čistoćom. Takve su karakteristike povećale broj spojeva procijenjenih u farmakološkim modelima, pridonoseći ubrzanju procesa optimizacije hit to lead.
Ne samo da ovaj visokoenergetski unos može pojačati mehaničke učinke u heterogenim procesima, već je također poznato da inducira nove reaktivnosti koje dovode do stvaranja neočekivanih kemijskih vrsta. Ono što sonokemiju čini jedinstvenom je izvanredan fenomen kavitacije, koji stvara izvanredne učinke u lokalno ograničenom prostoru okruženja mikro-mjehurića zbog izmjeničnih ciklusa visokog/niskog tlaka, vrlo visokih temperaturnih razlika, velikih posmičnih sila i tekućine strujanje.
- Asimetrične Diels-Alderove reakcije
- Asimetrične Michaelove reakcije
- Asimetrične Mannichove reakcije
- Ši epoksidacija
- organokatalytic transfer hidrogenacija

Ultrazvučni inline sustav sa UIP2000hdT (2000 W, 20 kHz) za sonokemijske reakcije, npr. za poboljšane organokatalitičke reakcije
Prednosti sonokemijski potaknutih organokatalitičkih reakcija
Sonikacija se sve više koristi u organskoj sintezi i katalizi budući da sonokemijski učinci pokazuju znatno pojačavanje kemijskih reakcija. Osobito u usporedbi s tradicionalnim metodama (npr. zagrijavanje, miješanje), sonokemija je učinkovitija, praktičnija i preciznije kontrolirana. Sonikacija i sonokemija nude nekoliko glavnih prednosti kao što su veći prinosi, povećana čistoća spojeva i selektivnost, kraća vremena reakcije, niži troškovi, kao i jednostavnost rada i rukovanja sonokemijskim postupkom. Ovi korisni čimbenici čine ultrazvučno potpomognute kemijske reakcije ne samo učinkovitijima i štedljivijima, nego i ekološki prihvatljivijima.
Dokazano je da brojne organske reakcije daju veće prinose u kraćem reakcijskom vremenu i/ili u blažim uvjetima kada se izvode sonikacijom.
Ultrasonication omogućuje jednostavne reakcije u jednoj posudi
Sonikacija omogućuje pokretanje višekomponentnih reakcija kao reakcija u jednom loncu koje omogućuju sintezu strukturno različitih spojeva. Takve reakcije u jednoj posudi cijenjene su zbog visoke ukupne učinkovitosti i njihove jednostavnosti budući da nije potrebna izolacija i pročišćavanje intermedijera.
Učinci ultrazvučnih valova na asimetrične organokatalitičke reakcije uspješno su primijenjeni u različitim vrstama reakcija uključujući katalize faznog prijenosa, Heckove reakcije, hidrogenaciju, Mannichove reakcije, Barbierove i Barbierove reakcije, Diels-Alderove reakcije, Suzukijevu reakciju spajanja i Michealovu adiciju.
Pronađite idealan ultrazvučni uređaj za svoju organokatalitičku reakciju!
Hielscher Ultrasonics je vaš partner od povjerenja kada je u pitanju ultrazvučna oprema visokih performansi i visoke kvalitete. Hielscher dizajnira, proizvodi i distribuira najsuvremenije ultrazvučne sonde, reaktore i rogove za sonokemijske primjene. Sva oprema proizvedena je prema ISO certificiranim postupcima i s njemačkom preciznošću za vrhunsku kvalitetu u našem sjedištu u Teltowu (blizu Berlina), Njemačka.
Portfelj Hielscher ultrasonicators kreće se od kompaktnih laboratorijskih ultrasonicators do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora za veliku kemijsku proizvodnju. Sonde (također poznate kao sonotrode, ultrazvučne rogove ili vrhovi), booster rogovi i reaktori dostupni su u brojnim veličinama i geometrijama. Prilagođene verzije također se mogu proizvesti prema vašim zahtjevima.
Od Hielscher Ultrasonics’ ultrazvučni procesori dostupni su u svim veličinama od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za šaržne i protočne kemijske aplikacije, sonikacija visokih performansi može se jednostavno implementirati u bilo koje reakcijske postavke. Precizno podešavanje amplitude ultrazvuka – najvažniji parametar za sonokemijske primjene – omogućuje rad Hielscher ultrasonicators na niskim do vrlo visokim amplitudama i fino podešavanje amplitude točno prema potrebnim uvjetima ultrazvučnog procesa specifičnog kemijskog reakcijskog sustava.
Hielscherov ultrazvučni generator ima pametni softver s automatskim protokoliranjem podataka. Svi važni parametri obrade kao što su ultrazvučna energija, temperatura, tlak i vrijeme automatski se pohranjuju na ugrađenu SD-karticu čim se uređaj uključi.
Praćenje procesa i bilježenje podataka važni su za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitetu proizvoda. Pristupom automatski snimljenim procesnim podacima možete revidirati prethodne sonikacijske radove i procijeniti ishod.
Još jedna značajka prilagođena korisniku je daljinsko upravljanje našim digitalnim ultrazvučnim sustavima putem preglednika. Putem daljinskog upravljanja preglednikom možete pokrenuti, zaustaviti, prilagoditi i nadzirati svoj ultrazvučni procesor daljinski s bilo kojeg mjesta.
Kontaktirajte nas sada kako biste saznali više o našim visokoučinkovitim ultrazvučnim homogenizatorima koji mogu poboljšati vašu reakciju oragnokatalitičke sinteze!
- visoka efikasnost
- Najnovija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- serija & u redu
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne značajke (npr. protokoliranje podataka)
- visoka jednostavnost korištenja i udobnost
- CIP (čišćenje na mjestu)
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
---|---|---|
1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura / Reference
- Domini, Claudia; Alvarez, Mónica; Silbestri, Gustavo; Cravotto, Giancarlo; Cintas, Pedro (2017): Merging Metallic Catalysts and Sonication: A Periodic Table Overview. Catalysts 7, 2017.
- Rogozińska-Szymczak, Maria; Mlynarski, Jacek (2014): Asymmetric synthesis of warfarin and its analogues on water. Tetrahedron: Asymmetry, Volume 25, Issues 10–11, 2014. 813-820.
- Charbonneau, Luc; Foster, Xavier; Kaliaguine, Serge (2018): Ultrasonic and Catalyst-Free Epoxidation of Limonene and Other Terpenes Using Dimethyl Dioxirane in Semibatch Conditions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 2018.
- Zhao, H.; Shen, K. (2016): G-quadruplex DNA-based asymmetric catalysis of michael addition: Effects of sonication, ligands, and co-solvents. Biotechnology Progress 8;32(4), 2016. 891-898.
- Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
- Martín-Aranda, Rosa; Ortega-Cantero, E.; Rojas-Cervantes, M.; Vicente, Miguel Angel; Bañares-Muñoz, M.A. (2002): Sonocatalysis and Basic Clays. Michael Addition Between Imidazole and Ethyl Acrylate. Catalysis Letters. 84, 2002. 201-204.
- Ji-Tai Li; Hong-Guang Dai; Wen-Zhi Xu; Tong-Shuang Li (2006): Michael addition of indole to α,β-unsaturated ketones catalysed by silica sulfuric acid under ultrasonic irradiation. Journal of Chemical Research 2006. 41-42.
Činjenice koje vrijedi znati
Što je organokataliza?
Organokataliza je vrsta katalize u kojoj se brzina kemijske reakcije povećava korištenjem organskog katalizatora. Ovaj organokatalizator može se sastojati od ugljika, vodika, sumpora i drugih nemetalnih elemenata koji se nalaze u organskim spojevima. Organokataliza nudi nekoliko prednosti. Budući da organokatalitičke reakcije ne zahtijevaju katalizatore na bazi metala, one su ekološki prihvatljivije i time doprinose zelenoj kemiji. Organokatalizatori se često mogu jeftino i lako proizvesti i omogućuju ekološkije sintetske rute.
Asimetrična organokataliza
Asimetrična organokataliza je asimetrična ili enantioselektivna reakcija, koja proizvodi samo enantiomer ručnih molekula. Enantiomeri su parovi stereoizomera koji su kiralni. Kiralna molekula se ne može preklopiti na svoju zrcalnu sliku, tako da je zrcalna slika zapravo drugačija molekula. Primjerice, proizvodnja specifičnih enantiomera posebno je važna u proizvodnji lijekova, gdje često samo jedan enantiomer molekule lijeka daje određeni pozitivan učinak, dok drugi enantiomer ne djeluje ili je čak štetan.

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.