Organokatalitičke reakcije potpomognute sonikacijom

U organskoj kemiji organokataliza je oblik katalize u kojem organski katalizator povećava brzinu kemijske reakcije. Taj „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 je uhodana tehnika za povećanje prinosa, poboljšanje brzine reakcija i ubrzavanje reakcija. Sonikacijom često postaje moguće promijeniti kemijske reakcijske putove i izbjeći neželjene nusproizvode. Sonokemija može pospješiti organokatalitičke reakcije, čineći ih učinkovitijima i prihvatljivijima za okoliš.

Asimetrična organokataliza – poboljšana sonikacijom

Sonokemija, primjena ultrazvuka visokih performansi na kemijske sustave, može znatno poboljšati organokatalitičke reakcije. Asimetrična organokataliza u kombinaciji s ultrazvučnom obradom često omogućuje usmjeravanje organokatalize prema putu prihvatljivijem za okoliš, čime se ona svrstava u područje zelene kemije. Sonikacija ubrzava (asimetričnu) organokatalitičku reakciju te dovodi do viših prinosa, veće brzine konverzije, lakše izolacije/pročišćavanja proizvoda te poboljšane selektivnosti i reaktivnosti. Osim što pridonosi poboljšanju kinetike reakcije i prinosa, ultrazvučna obrada često se 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 nego i pridonosi održivosti organokatalitičkih reakcija.

Istraživanja su pokazala brojne primjere sonokemijski intenziviranih organokatalitičkih reakcija. Primjerice, dvolančane molekule DNA upotrebljavaju se kao kiralna okosnica za sastavljanje hibridnih katalizatora metal–biomakromolekula za reakcije asimetrične sinteze. Katalizatori na bazi G-kvadrupleksne DNA primijenjeni su u asimetričnoj Michaelovoj adiciji te Diels–Alderovim i Friedel–Craftsovim reakcijama. (usp. Zhao i Shen, 2018)
Kod reakcije potpomognute tvari „inidium” sonikacija pokazuje povoljne učinke jer se sonokemijski pokretana reakcija odvija u blažim uvjetima, čime se očuvaju visoke razine dijastereoselektivnosti. Primjenom sonokemijskog puta postignuti su dobri rezultati u organokatalitičkoj sintezi β-laktamskih ugljikohidrata, β-aminokiseline i spirodiketopiperazina iz šećernih laktona, kao i u alilaciji i Reformatskijevim reakcijama na oksimskim eterima.

Ultrazvučno potpomognuta 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 – kataliziranoj organskim primarnim aminima i sonikacijom. Primjena enantiomerno čistog (S,S)-difeniletilendiamina omogućuje dobivanje niza važnih farmaceutski aktivnih spojeva u dobrim do izvrsnim prinosima (73–98%) i uz dobru enantioselektivnost (do 76% ee) reakcijama ubrzanima ultrazvukom. Istraživači predstavljaju učinkovit sonokemijski protokol za nastajanje antikoagulansa varfarina u oba enantiomerna oblika u sustavu „krutine na vodi”. Ova organokatalitička reakcija prihvatljiva za okoliš ne samo da se može prenijeti u veće mjerilo nego i daje ciljnu molekulu lijeka u enantiomerno čistom obliku.

Sonokemijska epoksidacija terpena

Charbonneau i sur. (2018) pokazali su uspješnu epoksidaciju terpena uz sonikaciju. Konvencionalna epoksidacija zahtijeva uporabu katalizatora, ali uz sonikaciju epoksidacija se odvija kao reakcija bez katalizatora.
Limonen dioksid ključna je međuproduktna molekula za razvoj polikarbonata na biološkoj osnovi ili neizocijanatnih poliuretana. Sonikacija omogućuje epoksidaciju terpena bez katalizatora uz vrlo kratko vrijeme reakcije – istodobno dajući vrlo dobra iskorištenja. Kako bi pokazao učinkovitost ultrazvučne epoksidacije, istraživački tim usporedio je epoksidaciju limonena u limonen dioksid uporabom dimetil dioksirana nastalog in situ kao oksidacijskog sredstva, i uz konvencionalno miješanje i uz sonikaciju. Za sva ispitivanja sonikacije upotrijebljen je laboratorijski ultrazvučni uređaj Hielscher UP50H (50W, 30kHz) .

Vrijeme potrebno za potpunu pretvorbu limonena u limonen dioksid uz 100% iskorištenje pri sonikaciji iznosilo je samo 4,5 min na sobnoj temperaturi. Za usporedbu, pri konvencionalnom miješanju magnetskom miješalicom vrijeme potrebno za postizanje 97% iskorištenja limonen dioksida iznosilo je 1,5 h. Epoksidacija α-pinena također je proučavana uporabom obiju tehnika miješanja. Epoksidacija α-pinena u α-pinen oksid uz sonikaciju zahtijevala je samo 4 min uz postignuto iskorištenje od 100%, dok je pri konvencionalnoj metodi vrijeme reakcije iznosilo 60 min. Što se tiče drugih terpena, β-pinen pretvoren je u β-pinen oksid za samo 4 min, dok je farnezol dao triepoksid uz 100% iskorištenje za 8 min. Karveol, derivat limonena, pretvoren je u karveol dioksid uz iskorištenje od 98%. U reakciji epoksidacije karvona uporabom dimetil dioksirana konverzija je iznosila 100% za 5 min, pri čemu je nastao 7,8-karvon oksid.
Glavne prednosti sonokemijske epoksidacije terpena jesu ekološka prihvatljivost oksidacijskog sredstva (zelena kemija) te znatno kraće vrijeme reakcije pri izvođenju te oksidacije uz ultrazvučno miješanje. Ova metoda epoksidacije omogućila je postizanje 100% konverzije limonena uz 100% iskorištenje limonen dioksida za samo 4,5 min u usporedbi s 90 min pri tradicionalnom miješanju. Nadalje, u reakcijskom mediju nisu pronađeni proizvodi oksidacije limonena, poput karvona, karveola i alkohola perrilyl. Epoksidacija α-pinena uz ultrazvuk zahtijevala je samo 4 min, dajući α-pinen oksid uz 100% iskorištenje bez oksidacije prstena. Drugi terpeni, poput β-pinena, farnezola i karveola, također su oksidirani, čime su postignuta vrlo visoka iskorištenja epoksida.

Sonokemijski učinci

Kao alternativa klasičnim metodama, protokoli temeljeni na sonokemiji primjenjuju se za povećanje brzine najrazličitijih reakcija, čime se proizvodi dobivaju u blažim uvjetima uz znatno skraćenje vremena reakcije. Te su metode opisane kao ekološki prihvatljivije i održivije te su povezane s većom selektivnošću i manjom potrošnjom energije za željene pretvorbe. Mehanizam tih metoda temelji se na pojavi akustične kavitacije, koja stvaranjem, rastom i adijabatskim kolapsom mjehurića u tekućem mediju stvara jedinstvene uvjete tlaka i temperature. Taj učinak poboljšava prijenos tvari i povećava turbulentno strujanje u tekućini, olakšavajući kemijske pretvorbe. U našim istraživanjima primjena ultrazvuka omogućila je dobivanje spojeva uz kraća vremena reakcije, visoke prinose i visoku čistoću. Takve su značajke povećale broj spojeva ispitanih na farmakološkim modelima, pridonoseći ubrzanju procesa optimizacije od početnih aktivnih spojeva do vodećih spojeva.
Taj velik unos energije može pojačati mehaničke učinke u heterogenim procesima, a poznato je i da potiče nove oblike reaktivnosti koji dovode do nastanka neočekivanih kemijskih vrsta. Sonokemiju jedinstvenom čini izvanredna pojava kavitacije, koja u lokalno ograničenom prostoru oko mikromjehurića stvara iznimne učinke zbog izmjeničnih ciklusa visokog i niskog tlaka, vrlo velikih temperaturnih razlika, velikih smičnih sila i strujanja tekućine.

Prednosti sonokemijski potpomognutih organokatalitičkih reakcija

Sonikacija se sve više primjenjuje u organskoj sintezi i katalizi jer sonokemijski učinci znatno intenziviraju kemijske reakcije. Osobito u usporedbi s tradicionalnim metodama (npr. zagrijavanjem, miješanjem), sonokemija je učinkovitija, praktičnija i omogućuje preciznu kontrolu. Sonikacija i sonokemija nude nekoliko važnih prednosti, kao što su viši prinosi, veća čistoća spojeva i veća selektivnost, kraća vremena reakcije, niži troškovi te jednostavnost provedbe sonokemijskog postupka i rukovanja njime. Ti povoljni čimbenici čine kemijske reakcije potpomognute ultrazvukom učinkovitijima, sigurnijima i ekološki prihvatljivijima.
Dokazano je da brojne organske reakcije daju više prinose u kraćem vremenu reakcije i / ili u blažim uvjetima kada se provode uz primjenu sonikacije.

Primjena ultrazvuka omogućuje jednostavne reakcije u jednoj posudi

Sonikacija omogućuje pokretanje višekomponentnih reakcija kao reakcija u jednoj posudi, kojima se sintetiziraju strukturno raznoliki spojevi. Takve su reakcije u jednoj posudi cijenjene zbog visoke ukupne učinkovitosti i jednostavnosti jer nisu potrebni izolacija i pročišćavanje međuprodukata.

Učinci ultrazvučnih valova na asimetrične organokatalitičke reakcije uspješno su primijenjeni u različitim vrstama reakcija, uključujući katalizu prijenosom između faza, Heckove reakcije, hidrogenaciju, Mannichove reakcije, Barbierove i njima slične reakcije, Diels-Alderove reakcije, Suzukijevu reakciju spajanja i Michaelovu adiciju.

Pronađite idealan ultrazvučni uređaj za svoju organokatalitičku reakciju!

Hielscher Ultrasonics vaš je pouzdan partner za visokoučinkovitu ultrazvučnu opremu visoke kvalitete. Hielscher projektira, proizvodi i distribuira najsuvremenije ultrazvučne sonde, reaktore i čašaste ultrazvučne rogove za sonokemijske primjene. Sva se oprema proizvodi prema postupcima certificiranima prema ISO-u i uz njemačku preciznost za vrhunsku kvalitetu u našem sjedištu u Teltowu (blizu Berlina), u Njemačkoj.
Ponuda ultrazvučnih uređaja Hielscher obuhvaća sve od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora za kemijsku proizvodnju velikih razmjera. Sonde (poznate i kao sonotrode, ultrazvučni rogovi ili vrhovi), rogovi za pojačavanje amplitude i reaktori lako su dostupni u brojnim veličinama i geometrijskim oblicima. Mogu se izraditi i prilagođene izvedbe prema vašim zahtjevima.
Budući da su ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics dostupni u svim veličinama, od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za šaržne i protočne kemijske procese, visokoučinkovita sonikacija može se jednostavno uvesti u bilo koji reakcijski postav. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude – najvažnijeg parametra za sonokemijske primjene – omogućuje rad ultrazvučnih uređaja Hielscher pri niskim do vrlo visokim amplitudama te fino podešavanje amplitude točno prema potrebnim uvjetima ultrazvučnog procesa u određenom kemijskom reakcijskom sustavu.
Ultrazvučni generator tvrtke Hielscher ima pametan softver s automatskim bilježenjem podataka. Svi važni parametri obrade, poput ultrazvučne energije, temperature, tlaka i vremena, 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 zabilježenim procesnim podacima možete pregledati prethodne postupke sonikacije i procijeniti rezultate.
Još jedna značajka koja olakšava uporabu jest daljinsko upravljanje našim digitalnim ultrazvučnim sustavima putem preglednika. Daljinskim upravljanjem putem preglednika možete s bilo kojeg mjesta pokrenuti, zaustaviti, podesiti i nadzirati svoj ultrazvučni procesor.
Kontaktirajte nas sada kako biste saznali više o tome kako naši visokoučinkoviti ultrazvučni homogenizatori mogu poboljšati vašu organokatalitičku reakciju sinteze!

Tablica u nastavku daje okvirni pregled kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: