U organskoj kemiji organokataliza je oblik katalize u kojem se brzina kemijske reakcije povećava organskim katalizatorom. Ovaj “organokatolizator” 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 ultrazvučna kemija i dobro uspostavljena tehnika za povećanje prinosa, poboljšanje brzine reakcije i ubrzavanje brzine reakcije. Pod ultrazvukom, često je moguće mijenjati kemijske putove izbjegavajući neželjene proizvode. Ultrazvučna kemija može promicati organokatalitičke reakcije čineći ih učinkovitijima i ekološki prihvatljivijima.

Asimetrična organokataliza – Poboljšano ultrazvukom

Ultrazvučna kemija, primjena ultrazvuka visokih performansi u kemijske sustave, može značajno poboljšati organokatalitičke reakcije. Asimetrična organokataliza u kombinaciji s ultrazvukom često omogućuje transformaciju organokataklize u ekološki prihvatljiviji put, čime potpada pod terminologiju zelene kemije. Sonication ubrzava (asimetričnu) organokatlitičku reakciju i dovodi do viših prinosa, bržih stopa pretvorbe, lakše izolacije/pročišćavanja proizvoda i poboljšane selektivnosti i reaktivnosti. Osim što pridonosi poboljšanju kinetike reakcije i prinosa, ultrazvuka se često može kombinirati s održivim reakcijskim otapalima, kao što su ionske tekućine, duboka eutektna otapala, blaga, netoksična otapala i voda. Time sonokemija ne samo da poboljšava (asimetričnu) samu organokatlitičku reakciju, već i pomaže održivosti organokatalitičkih reakcija.

Istraživanja su pokazala mnogostruke primjere za sonokemijski pojačane oragnokatalitičke reakcije. Na primjer, dvostruke nasukane molekule DNA kao kiralne skele koriste se za sastavljanje metal-biomacromolecule hibridnih katalizatora za reakcije asimetrične sinteze. G-quadruplex DNK-based katalizatori su primijenjeni u asimetričnom Michael dodatak, Diels-Alder i Friedel-Crafts reakcije. (usp. Zhao i Shen, 2018.)
Za reakciju koju potiče inidium, ultrazvukom pokazuje blagotvorne učinke jer sonokemijski vođena reakcija teče u blažim uvjetima, čime se čuvaju visoke razine diasteroselekcije. Sonokemijskim putem postignuti su dobri rezultati na organokakatalitičku sintezu β-laktamskih ugljikohidrata, β-aminokiselina i spirodiketopiperazina iz šećernih laktona, kao i alilacija i Reformatsky reakcije na oksim etere.

Ultrazvučno promovirana sinteza organokatalitičkih lijekova

Rogozińska-Szymczak i Mlynarski (2014) izvješćuju o asimetričnom Michaelovom dodatku 4-hidroksikoumarina α,β nezasićenih ketona na vodi bez organskih suotapala – katalizacijom organskih primarnih amina i ultrazvukom. Primjena enantiomerno čistog (S,S)-difeniletilenediamina pruža niz važnih farmaceutski aktivnih spojeva u dobrom do izvrsnom prinosu (73–98%) i uz dobre enantioselektivnosti (do 76% ee) putem reakcija ubrzanih ultrazvukom. Istraživači predstavljaju učinkovit sonokemijski protokol za stvaranje antikoagulantnog varfarina "krutih tvari na vodi" u oba enantiomerna oblika. Ova ekološki prihvatljiva organokatalitička reakcija nije samo skalabilna, već i daje ciljanu molekulu lijeka u enantiomerno čistom obliku.

Sonokemijska epoksidacija Terpena

Charbonneau i sur. (2018) demostrirao je uspješnu epoksidaciju terpena pod ultrazvukom. Konvencionalna epoksidacija zahtijeva uporabu katalizatora, ali s ultrazvukom epoksidacija radi kao reakcija bez katalizatora.
Limonen dioksid je ključna intermedijarna molekula za razvoj biobazičnih polikarbonata ili neizocijanatnih poliuretana. Sonikacija omogućuje epoksidaciju terpena bez katalizatora u vrlo kratkom vremenu reakcije – istodobno daje vrlo dobre prinose. Kako bi pokazali učinkovitost ultrazvučne epoksidacije, istraživački tim usporedio je epoksidaciju limonena s limonenskim dioksidom koristeći dimetil dioksirane generiran in situ kao oksidacijsko sredstvo pod konvencionalnom agitacijom i ultrazvukom. Za sva sonična ispitivanja Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorijski ultrasonicator korištena.

Vrijeme potrebno za potpuno pretvaranje limonena u limonen dioksid sa 100% prinosa pod ultrazvukom bilo je samo 4,5 min na sobnoj temperaturi. Za usporedbu, kada se koristi konvencionalna agitacija pomoću magnetske miješalice, potrebno vrijeme za postizanje 97% prinosa limonenskog dioksida bilo je 1,5 h. Epoksidacija α-pinena također je proučavana pomoću obje tehnike agitacije. Epoksidacija α-pinena na α-pinenskog oksida pod ultrazvukom zahtijevala je samo 4 min s dobivenim prinosom od 100%, dok je u usporedbi s konvencionalnom metodom vrijeme reakcije bilo 60 min. Što se tiče ostalih terpena, β-pinen je u samo 4 minute pretvoren u β-pinenski oksid, dok je farnesol u 8 minuta dao 100% triepoksida. Karveol, derivat limonena, pretvoren je u karveol dioksid s prinosom od 98%. U epoksidacijskoj reakciji karvona dimetil dioksirane pretvorba je bila 100% u 5 min proizvodeći 7,8-karvon oksid.
Glavne prednosti sonokemijske epoksidacije terpena su ekološki prihvatljiva priroda oksidacijskog sredstva (zelena kemija), kao i značajno smanjeno vrijeme reakcije koje obavlja ovu oksidaciju pod ultrazvučnom agitacijom. Ova metoda epoksidacije omogućila je postizanje 100% pretvorbe limonena sa 100% prinosom limonenskog dioksida u samo 4,5 min u usporedbi s 90 minuta kada se koristi tradicionalna agitacija. Nadalje, u reakcijskom mediju nisu pronađeni oksidacijski proizvodi limonena, kao što su karvon, karveola i perrililni alkohol. Epoksidacija α-pinena pod ultrazvukom zahtijevala je samo 4 minute, dajući 100% α-pinenskog oksida bez oksidacije prstena. Ostali terpeni kao što su β-pinen, farnesol i karveole također su oksidirani, što dovodi do vrlo visokih prinosa epoksida.

sonochemical učinci

Kao alternativa klasičnim metodama, sonokemijski protokoli korišteni su za povećanje stope širokog raspona reakcija, što rezultira proizvodima generiranim u blažim uvjetima sa značajnim smanjenjem vremena reakcije. Te su metode opisane 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 izaziva jedinstvene uvjete tlaka i temperature kroz formiranje, rast i adijabatski kolaps mjehurića u tekućem mediju. Ovaj učinak poboljšava prijenos mase i povećava turbulentni protok u tekućini, olakšavajući kemijske transformacije. U našim studijama, uporaba ultrazvuka dovela je do proizvodnje spojeva u smanjenim vremenima reakcije s visokim prinosima i čistoćom. Takve karakteristike povećale su broj spojeva procijenjenih u farmakološkim modelima, što pridonosi ubrzavanju udarca u proces optimizacije olova.
Ne samo da ovaj visokoenergetski unos može poboljšati mehaničke učinke u heterogenim procesima, već je poznato i da izaziva nove reaktivnosti koje dovode do stvaranja neočekivanih kemijskih vrsta. Ono što sonokemiju čini jedinstvenom je izvanredan fenomen kavitacije, koji generira u lokalno ograničenom prostoru mikro-mjehurićastog okruženja izvanredne učinke zbog naizmjeničnih ciklusa visokog tlaka / niskog tlaka, vrlo visokih temperaturnih diferencijala, sila visokog smicanja i strujanja tekućine.

Prednosti sonokemijski promoviranih organokatalitičkih reakcija

Sonication se sve više koristi u organskoj sintezi i katalizi jer sonokemijski učinci pokazuju značajno intenziviranje kemijskih reakcija. Pogotovo u usporedbi s tradicionalnim metodama (npr. grijanje, miješanje), ultrazvučna kemija je učinkovitija, praktičnija i preciznije kontrolirana. Sonication i ultrazvučna kemija nude nekoliko glavnih prednosti kao što su veći prinosi, povećana čistoća spojeva i selektivnost, kraće vrijeme reakcije, niži troškovi, kao i jednostavnost u radu i rukovanju sonokemijskim postupkom. Ovi korisni čimbenici čine ultrazvučno potpomognute kemijske reakcije ne samo učinkovitijim i slanijim, već i ekološki prihvatljivijim.
Dokazano je da brojne organske reakcije daju veće prinose u kraćem vremenu reakcije i / ili u blažim uvjetima kada se izvode ultrazvukom.

Ultrasonication omogućuje jednostavne reakcije s jednim loncem

Sonication omogućuje pokretanje višekomponentnih reakcija kao reakcija s jednim loncem koje osiguravaju sintezu strukturno različitih spojeva. Takve reakcije s jednim loncem cijenjene su zbog visoke ukupne učinkovitosti i njihove jednostavnosti jer izolacija i pročišćavanje intermedijara nisu potrebni.

Učinci ultrazvučnih valova na asimetrične organokatalitičke reakcije uspješno su primijenjeni u različitim vrstama reakcija, uključujući katalize faznog prijenosa, Heckove reakcije, hidrogenaciju, Mannichove reakcije, Barbier i Barbier slične reakcije, Diels-Alder reakcije, Suzuki reakciju spajanja i Micheal dodatak.

Pronađite idealan ultrasonicator za svoju organokatalitičku reakciju!

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdan partner kada je u pitanju visoke performanse, visoke kvalitete ultrazvučne opreme. Hielscher dizajnira, proizvodi i distribuira najsuvremenije ultrazvučne sonde, reaktore i kup-rogove za sonokemijske primjene. Sva oprema proizvedena je u okviru ISO certificiranih postupaka i njemačke preciznosti za vrhunsku kvalitetu u našem sjedištu u Teltowu (u blizini Berlina), Njemačka.
Portfelj Hielscher ultrasonicators kreće se od kompaktnih laboratorijskih ultrasonicators do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora za velike kemijske proizvodnje. Sonde (također poznate kao sonotrode, ultrazvučni rogovi ili vrhovi), booster rogovi i reaktori lako su dostupni u brojnim veličinama i geometrijama. Prilagođene verzije mogu se proizvesti i za vaše zahtjeve.
Budući da Hielscher Ultrasonics’ ultrazvučni procesori su dostupni u bilo kojoj veličini od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za serije i protok kemije aplikacije, visoke performanse ultrazvukom može se lako implementirati u bilo koju reakciju postavljanje. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude – najvažniji parametar za sonokemijske primjene – omogućuje rad Hielscher ultrasonicators na niskim do vrlo visokim amplitudama i fino podešavanje amplitude točno na potrebne ultrazvučne procesne uvjete specifičnog kemijskog reakcijskog sustava.
Hielscherov ultrazvučni generator ima pametan 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 podacima o postupku možete revidirati prethodne sonikacije i procijeniti ishod.
Još jedna značajka prilagođena korisnicima je daljinski upravljač preglednika naših digitalnih ultrazvučnih sustava. Putem daljinskog kontrole preglednika možete pokrenuti, zaustaviti, prilagoditi i pratiti svoj ultrazvučni procesor na daljinu s bilo kojeg mjesta.
Obratite nam se sada kako biste saznali više o našim ultrazvučnim homogenizatorima visokih performansi koji mogu poboljšati vašu reakciju oragnokatalitičke sinteze!

Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja: