Ultrahangos kezeléssel elősegített organokatalitikus reakciók

A szerves kémiában az organokatalízis a katalízis olyan formája, amelyben egy szerves katalizátor növeli a kémiai reakció sebességét. Ez az „organokatalizátor” szénből, hidrogénből, kénből és a szerves vegyületekben található egyéb nemfémes elemekből áll. A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazását kémiai rendszerekben szonokémiának nevezik; ez a hozam növelésére és a reakciók gyorsítására szolgáló, jól bevált technika. Ultrahangos kezelés során gyakran lehetővé válik a reakcióutak megváltoztatása, elkerülve a nem kívánt melléktermékeket. A szonokémia elősegítheti az organokatalitikus reakciókat, hatékonyabbá és környezetbarátabbá téve őket.

Aszimmetrikus organokatalízis – javítás ultrahangos kezeléssel

A szonokémia, vagyis a nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása kémiai rendszerekben, jelentősen javíthatja az organokatalitikus reakciókat. Az aszimmetrikus organokatalízis ultrahangos kezeléssel kombinálva gyakran lehetővé teszi, hogy az organokatalízis környezetbarátabb reakcióúton menjen végbe, így a zöld kémia körébe tartozzon. Az ultrahangos kezelés felgyorsítja az (aszimmetrikus) organokatalitikus reakciót, és nagyobb hozamhoz, gyorsabb átalakuláshoz, könnyebb termékizoláláshoz és -tisztításhoz, valamint jobb szelektivitáshoz és reaktivitáshoz vezet. Az ultrahangos kezelés a reakciókinetika és a hozam javítása mellett gyakran kombinálható fenntartható reakcióoldószerekkel, például ionos folyadékokkal, mély eutektikus oldószerekkel, kíméletes, nem mérgező oldószerekkel és vízzel. A szonokémia ezáltal nemcsak magát az (aszimmetrikus) organokatalitikus reakciót javítja, hanem az organokatalitikus reakciók fenntarthatóságát is elősegíti.

A kutatások számos példát mutattak be a szonokémiai úton intenzívebbé tett organokatalitikus reakciókra. Például kettős szálú DNS-molekulákat használnak királis vázként fém–biomakromolekula hibrid katalizátorok összeállítására aszimmetrikus szintézisreakciókhoz. G-kvadruplex DNS-alapú katalizátorokat alkalmaztak aszimmetrikus Michael-addícióban, Diels-Alder- és Friedel-Crafts-reakciókban. (vö. Zhao és Shen, 2018)
Az inidium által elősegített reakció esetében az ultrahangos kezelés kedvező hatású, mivel a szonokémiai úton végbemenő reakció enyhébb körülmények között zajlik, így megőrzi a diasztereoszelektivitás magas szintjét. A szonokémiai reakcióút alkalmazásával jó eredményeket értek el β-laktám-szénhidrátok, β-aminosav és spiro-diketopiperazinok cukorlaktonokból történő organokatalitikus szintézisében, valamint oximéterek allilezési és Reformatsky-reakcióiban.

Ultrahanggal elősegített organokatalitikus gyógyszerszintézis

Rogozińska-Szymczak és Mlynarski (2014) a 4-hidroxi-kumarin α,β-telítetlen ketonokra történő aszimmetrikus Michael-addíciójáról számolnak be, amely víz felületén, szerves társoldószerek nélkül zajlik – szerves primer aminok és ultrahangos kezelés által katalizálva. Az enantiomertiszta (S,S)-difenil-etilén-diamin alkalmazásával az ultrahanggal gyorsított reakciók során számos fontos, gyógyszerészeti szempontból aktív vegyület állítható elő jó vagy kiváló hozammal (73–98%) és jó enantioszelektivitással (akár 76% ee). A kutatók hatékony szonokémiai eljárást mutatnak be a véralvadásgátló warfarin mindkét enantiomer formájának előállítására, „szilárd anyagok a víz felületén” rendszerben. Ez a környezetbarát organokatalitikus reakció nemcsak nagyobb léptékben is megvalósítható, hanem a célként kitűzött gyógyszermolekulát enantiomertiszta formában is eredményezi.

Terpének szonokémiai epoxidálása

Charbonneau és munkatársai (2018) bemutatták a terpének sikeres epoxidálását ultrahangos kezelés mellett. A hagyományos epoxidálás katalizátor alkalmazását igényli, ultrahangos kezelés mellett azonban az epoxidálás katalizátormentes reakcióként zajlik.
A limonén-dioxid kulcsfontosságú köztitermék-molekula a bioalapú polikarbonátok vagy az izocianátmentes poliuretánok fejlesztéséhez. Az ultrahangos kezelés lehetővé teszi a terpének katalizátormentes epoxidálását nagyon rövid reakcióidő alatt – egyúttal nagyon jó hozamot biztosítva. Az ultrahangos epoxidálás hatékonyságának bemutatására a kutatócsoport összehasonlította a limonén limonén-dioxiddá történő epoxidálását hagyományos keverés és ultrahangos kezelés mellett, in situ előállított dimetil-dioxiránt használva oxidálószerként. Valamennyi ultrahangos kezelési kísérlethez a Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratóriumi ultrahangos készüléket használták.

Ultrahangos kezelés mellett szobahőmérsékleten mindössze 4,5 min kellett a limonén teljes, 100%-os hozamú átalakításához limonén-dioxiddá. Összehasonlításképpen, mágneses keverővel végzett hagyományos keverés esetén 1,5 h kellett a limonén-dioxid 97%-os hozamának eléréséhez. Az α-pinén epoxidálását szintén megvizsgálták mindkét keverési technikával. Az α-pinén α-pinén-oxiddá történő epoxidálása ultrahangos kezelés mellett mindössze 4 min időt igényelt, 100%-os hozammal, míg a hagyományos módszerrel a reakcióidő 60 min volt. Más terpének esetében a β-pinén mindössze 4 min alatt alakult β-pinén-oxiddá, míg a farnezol 8 min alatt 100%-os hozammal eredményezett triepoxidot. A karveol, a limonén egyik származéka, 98%-os hozammal alakult karveol-dioxiddá. A karvon dimetil-dioxiránnal végzett epoxidálási reakciójában az átalakulás 5 min alatt 100%-os volt, és 7,8-karvon-oxid keletkezett.
A terpének szonokémiai epoxidálásának fő előnye az oxidálószer környezetbarát jellege (zöld kémia), valamint a jelentősen rövidebb reakcióidő, ha ezt az oxidációt ultrahangos keverés mellett végzik. Ez az epoxidálási módszer lehetővé tette a limonén 100%-os átalakulását 100%-os limonén-dioxid-hozammal mindössze 4,5 min alatt, szemben a hagyományos keverés esetén szükséges 90 min idővel. Továbbá a reakcióközegben nem találtak limonénoxidációs termékeket, például karvont, karveolt vagy perrilyl-alkoholt. Az α-pinén ultrahangos epoxidálása mindössze 4 min időt igényelt, 100%-os α-pinén-oxid-hozammal, a gyűrű oxidációja nélkül. Más terpéneket, például β-pinént, farnezolt és karveolt is oxidáltak, igen magas epoxidhozamokat elérve.

Szonokémiai hatások

A klasszikus módszerek alternatívájaként szonokémiai eljárásokat alkalmaztak számos különböző reakció sebességének növelésére, így a termékek enyhébb körülmények között, jelentősen rövidebb reakcióidővel keletkeztek. Ezeket a módszereket környezetbarátabbnak és fenntarthatóbbnak írták le; a kívánt átalakulások során nagyobb szelektivitással és kisebb energiafogyasztással járnak. E módszerek mechanizmusa az akusztikus kavitáció jelenségén alapul, amely a folyékony közegben lévő buborékok képződése, növekedése és adiabatikus összeomlása révén egyedülálló nyomás- és hőmérsékleti viszonyokat hoz létre. Ez a hatás javítja az anyagátadást és fokozza a folyadék turbulens áramlását, elősegítve a kémiai átalakulásokat. Vizsgálatainkban az ultrahang alkalmazása rövidebb reakcióidő alatt, nagy hozammal és tisztasággal előállított vegyületeket eredményezett. Ezek a jellemzők növelték a farmakológiai modellekben értékelt vegyületek számát, hozzájárulva a találati vegyületek vezérvegyületté történő optimalizálásának felgyorsításához.
Ez a nagy energiabevitel nemcsak a heterogén folyamatok mechanikai hatásait fokozhatja, hanem ismerten új reaktivitást is előidézhet, ami váratlan kémiai részecskék képződéséhez vezet. A szonokémiát a kavitáció figyelemre méltó jelensége teszi egyedülállóvá: a mikrobuborék környezetének helyileg körülhatárolt terében rendkívüli hatásokat hoz létre a váltakozó nagynyomású / kisnyomású ciklusok, a nagyon nagy hőmérséklet-különbségek, az erős nyíróerők és a folyadékáramlás révén.

A szonokémiai úton elősegített organokatalitikus reakciók előnyei

Az ultrahangos kezelést egyre gyakrabban alkalmazzák a szerves szintézisben és a katalízisben, mivel a szonokémiai hatások jelentősen intenzívebbé teszik a kémiai reakciókat. Különösen a hagyományos módszerekkel (pl. melegítés, keverés) összehasonlítva a szonokémia hatékonyabb, kényelmesebb és pontosan szabályozható. Az ultrahangos kezelés és a szonokémia számos jelentős előnyt kínál, például nagyobb hozamot, tisztább vegyületeket és nagyobb szelektivitást, rövidebb reakcióidőt, alacsonyabb költségeket, valamint a szonokémiai eljárás egyszerű végrehajtását és kezelését. Ezek a kedvező tényezők az ultrahanggal segített kémiai reakciókat nemcsak eredményesebbé és biztonságosabbá, hanem környezetbarátabbá is teszik.
Számos szerves reakcióról bizonyították, hogy ultrahangos kezelés alkalmazásával rövidebb reakcióidő alatt és / vagy enyhébb körülmények között nagyobb hozamot eredményez.

Az ultrahangos kezelés egyszerű, egyedényes reakciókat tesz lehetővé

Az ultrahangos kezelés lehetővé teszi többkomponensű reakciók egyedényes reakcióként történő elindítását, amelyekkel szerkezetileg változatos vegyületek szintetizálhatók. Az ilyen egyedényes reakciókat nagy összhatékonyságuk és egyszerűségük miatt értékelik, mivel a köztitermékek izolálása és tisztítása nem szükséges.

Az ultrahanghullámok aszimmetrikus organokatalitikus reakciókra gyakorolt hatásait sikeresen alkalmazták különböző reakciótípusokban, többek között fázistranszfer-katalízisben, Heck-reakciókban, hidrogénezésben, Mannich-reakciókban, Barbier- és Barbier-jellegű reakciókban, Diels-Alder-reakciókban, Suzuki-kapcsolási reakcióban és Michael-addícióban.

Találja meg az organokatalitikus reakciójához ideális ultrahangos készüléket!

A Hielscher Ultrasonics az Ön megbízható partnere a nagy teljesítményű, kiváló minőségű ultrahangos berendezések terén. A Hielscher korszerű ultrahangos szondákat, reaktorokat és csészés ultrahangos sugárzókat tervez, gyárt és forgalmaz szonokémiai alkalmazásokhoz. Minden berendezést ISO-tanúsított eljárások szerint, német precizitással gyártunk a kiváló minőség érdekében németországi központunkban, Teltowban (Berlin közelében).
A Hielscher ultrahangos készülékeinek kínálata a kompakt laboratóriumi készülékektől a nagyüzemi vegyipari gyártáshoz használható, teljesen ipari ultrahangos reaktorokig terjed. Szondák (más néven szonotródák, ultrahangos kürtök vagy hegyek), amplitúdóerősítő kürtök és reaktorok számos méretben és geometriával könnyen beszerezhetők. Az Ön igényeihez igazított egyedi változatok is gyárthatók.
Mivel a Hielscher Ultrasonics ultrahangos processzorai minden méretben elérhetők, a kis laboratóriumi készülékektől a szakaszos és áramlásos kémiai alkalmazásokhoz használható nagy ipari processzorokig, a nagy teljesítményű ultrahangos kezelés könnyen beilleszthető bármely reakcióelrendezésbe. Az ultrahangos amplitúdó – a szonokémiai alkalmazások legfontosabb paramétere – pontos beállítása lehetővé teszi a Hielscher ultrahangos készülékek működtetését alacsonytól nagyon magas amplitúdóig, valamint az amplitúdó pontos finomhangolását az adott kémiai reakciórendszer által megkövetelt ultrahangos folyamatkörülményekhez.
A Hielscher ultrahangos generátora intelligens, automatikus adatnaplózást biztosító szoftverrel rendelkezik. A készülék bekapcsolásától kezdve minden fontos feldolgozási paraméter, például az ultrahangos energia, a hőmérséklet, a nyomás és az idő automatikusan a beépített SD-kártyára kerül.
A folyamatfelügyelet és az adatrögzítés fontos a folyamat folyamatos standardizálása és a termékminőség szempontjából. Az automatikusan rögzített folyamatadatokhoz hozzáférve áttekintheti a korábbi ultrahangos kezeléseket és értékelheti az eredményeket.
Digitális ultrahangos rendszereink másik felhasználóbarát funkciója a böngészőn keresztüli távvezérlés. A böngészős távvezérléssel bárhonnan távolról elindíthatja, leállíthatja, beállíthatja és felügyelheti ultrahangos processzorát.
Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy többet megtudjon arról, hogyan javíthatják nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátoraink az Ön organokatalitikus szintézisreakcióját!

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: