Reaksi Organokatalitik yang Ditingkatkan oleh Sonikasi

Dalam kimia organik, organokatalisis adalah bentuk katalisis yang meningkatkan laju reaksi kimia melalui katalis organik. “Organokatalis” ini terdiri atas karbon, hidrogen, sulfur, dan unsur nonlogam lainnya yang ditemukan dalam senyawa organik. Penerapan ultrasonik berdaya tinggi pada sistem kimia dikenal sebagai sonokimia dan merupakan teknik yang telah mapan untuk meningkatkan rendemen, meningkatkan laju reaksi, dan mempercepat reaksi. Dengan sonikasi, jalur kimia sering kali dapat dialihkan untuk menghindari produk samping yang tidak diinginkan. Sonokimia dapat meningkatkan reaksi organokatalitik sehingga menjadi lebih efisien dan ramah lingkungan.

Organokatalisis Asimetris – Ditingkatkan oleh Sonikasi

Sonokimia, yaitu penerapan ultrasonik berkinerja tinggi pada sistem kimia, dapat meningkatkan reaksi organokatalitik secara signifikan. Organokatalisis asimetris yang dikombinasikan dengan ultrasonikasi sering kali memungkinkan organokatalisis diubah menjadi jalur yang lebih ramah lingkungan, sehingga termasuk dalam istilah kimia hijau. Sonikasi mempercepat reaksi organokatalitik (asimetris) dan menghasilkan rendemen yang lebih tinggi, laju konversi yang lebih cepat, isolasi/pemurnian produk yang lebih mudah, serta peningkatan selektivitas dan reaktivitas. Selain berkontribusi pada peningkatan kinetika reaksi dan rendemen, ultrasonikasi sering kali dapat dikombinasikan dengan pelarut reaksi yang berkelanjutan, seperti cairan ionik, pelarut eutektik dalam, pelarut yang tidak agresif dan tidak beracun, serta air. Dengan demikian, sonokimia tidak hanya meningkatkan reaksi organokatalitik (asimetris) itu sendiri, tetapi juga mendukung keberlanjutan reaksi organokatalitik.

Penelitian telah menunjukkan beragam contoh reaksi organokatalitik yang diintensifkan secara sonokimia. Misalnya, molekul DNA untai ganda digunakan sebagai kerangka kiral untuk merakit katalis hibrida logam–biomakromolekul bagi reaksi sintesis asimetris. Katalis berbasis DNA G-kuadrupleks telah diterapkan dalam reaksi adisi Michael, Diels-Alder, dan Friedel-Crafts asimetris. (bandingkan Zhao dan Shen, 2018)
Untuk reaksi yang ditingkatkan oleh inidium, sonikasi menunjukkan efek yang menguntungkan karena reaksi yang digerakkan secara sonokimia berlangsung dalam kondisi yang lebih ringan, sehingga mempertahankan tingkat diastereoseleksi yang tinggi. Dengan menggunakan jalur sonokimia, diperoleh hasil yang baik pada sintesis organokatalitik karbohidrat β-laktam, asam β-amino, dan spirodiketopiperazina dari lakton gula, serta pada reaksi alilasi dan Reformatsky pada eter oksim.

Sintesis Obat Organokatalitik yang Ditingkatkan secara Ultrasonik

Rogozińska-Szymczak dan Mlynarski (2014) melaporkan adisi Michael asimetris 4-hidroksikumarin pada keton α,β-tak jenuh di atas air tanpa kopelarut organik – dikatalisis oleh amina primer organik dan sonikasi. Penggunaan (S,S)-difeniletilendiamina yang murni secara enantiomerik menghasilkan serangkaian senyawa aktif farmasi penting dengan rendemen baik hingga sangat baik (73–98%) dan enantioselektivitas yang baik (hingga 76% ee) melalui reaksi yang dipercepat oleh ultrasonik. Para peneliti menyajikan protokol sonokimia yang efisien untuk pembentukan antikoagulan warfarin dalam kedua bentuk enantiomernya melalui sistem ‘padatan di atas air’. Reaksi organokatalitik yang ramah lingkungan ini tidak hanya dapat ditingkatkan skalanya, tetapi juga menghasilkan molekul obat target dalam bentuk yang murni secara enantiomerik.

Epoksidasi Sonokimia Terpena

Charbonneau et al. (2018) menunjukkan keberhasilan epoksidasi terpena dengan sonikasi. Epoksidasi konvensional memerlukan penggunaan katalis, tetapi dengan sonikasi, epoksidasi berlangsung sebagai reaksi tanpa katalis.
Limonena dioksida merupakan molekul zat antara utama untuk pengembangan polikarbonat berbasis hayati atau poliuretan nonisosianat. Sonikasi memungkinkan epoksidasi terpena tanpa katalis dalam waktu reaksi yang sangat singkat – sekaligus memberikan rendemen yang sangat baik. Untuk menunjukkan efektivitas epoksidasi ultrasonik, tim peneliti membandingkan epoksidasi limonena menjadi limonena dioksida menggunakan dimetil dioksirana yang dihasilkan secara in situ sebagai agen pengoksidasi, baik dengan pengadukan konvensional maupun ultrasonikasi. Dalam semua uji sonikasi, sonikator laboratorium Hielscher UP50H (50W, 30kHz) digunakan.

Waktu yang diperlukan untuk mengonversi limonena sepenuhnya menjadi limonena dioksida dengan rendemen 100% melalui sonikasi hanya 4,5 min pada suhu ruang. Sebagai perbandingan, ketika pengadukan konvensional menggunakan pengaduk magnetik diterapkan, waktu yang diperlukan untuk mencapai rendemen limonena dioksida sebesar 97% adalah 1,5 h. Epoksidasi α-pinena juga telah diteliti menggunakan kedua teknik pengadukan tersebut. Epoksidasi α-pinena menjadi α-pinena oksida dengan sonikasi hanya memerlukan 4 min dengan rendemen yang diperoleh sebesar 100%, sedangkan dengan metode konvensional waktu reaksinya adalah 60 min. Untuk terpena lainnya, β-pinena dikonversi menjadi β-pinena oksida hanya dalam 4 min, sedangkan farnesol menghasilkan triepoksida dengan rendemen 100% dalam 8 min. Karveol, turunan limonena, dikonversi menjadi karveol dioksida dengan rendemen 98%. Pada reaksi epoksidasi karvon menggunakan dimetil dioksirana, konversinya mencapai 100% dalam 5 min dengan menghasilkan 7,8-karvon oksida.
Keunggulan utama epoksidasi terpena secara sonokimia adalah sifat ramah lingkungan dari agen pengoksidasi (kimia hijau), serta waktu reaksi yang berkurang secara signifikan saat oksidasi ini dilakukan dengan pengadukan ultrasonik. Metode epoksidasi ini memungkinkan konversi limonena mencapai 100% dengan rendemen limonena dioksida sebesar 100% hanya dalam 4,5 min, dibandingkan dengan 90 min jika pengadukan tradisional digunakan. Selain itu, tidak ditemukan produk oksidasi limonena, seperti karvon, karveol, dan alkohol perrilyl, dalam medium reaksi. Epoksidasi α-pinena dengan ultrasonik hanya memerlukan 4 min, menghasilkan α-pinena oksida dengan rendemen 100% tanpa oksidasi cincin. Terpena lainnya, seperti β-pinena, farnesol, dan karveol, juga telah dioksidasi, menghasilkan rendemen epoksida yang sangat tinggi.

Efek Sonokimia

Sebagai alternatif terhadap metode klasik, protokol berbasis sonokimia telah digunakan untuk meningkatkan laju berbagai macam reaksi, sehingga produk dihasilkan dalam kondisi yang lebih ringan dengan pengurangan waktu reaksi yang signifikan. Metode ini telah dideskripsikan sebagai lebih ramah lingkungan dan berkelanjutan, serta dikaitkan dengan selektivitas yang lebih tinggi dan konsumsi energi yang lebih rendah untuk transformasi yang diinginkan. Mekanisme metode tersebut didasarkan pada fenomena kavitasi akustik, yang menimbulkan kondisi tekanan dan suhu yang unik melalui pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan adiabatik gelembung dalam medium cair. Efek ini meningkatkan perpindahan massa dan aliran turbulen dalam cairan, sehingga mempermudah transformasi kimia. Dalam penelitian kami, penggunaan ultrasonik telah menghasilkan senyawa dalam waktu reaksi yang lebih singkat dengan rendemen dan kemurnian yang tinggi. Karakteristik tersebut telah meningkatkan jumlah senyawa yang dievaluasi dalam model farmakologis, sehingga turut mempercepat proses optimasi dari senyawa hit menjadi senyawa lead.
Masukan energi tinggi ini tidak hanya dapat meningkatkan efek mekanis dalam proses heterogen, tetapi juga diketahui menginduksi reaktivitas baru yang mengarah pada pembentukan spesies kimia yang tidak terduga. Hal yang menjadikan sonokimia unik adalah fenomena kavitasi yang luar biasa, yang menghasilkan efek luar biasa dalam ruang yang terbatas secara lokal di lingkungan gelembung mikro akibat siklus tekanan tinggi / tekanan rendah yang bergantian, perbedaan suhu yang sangat tinggi, gaya geser yang tinggi, dan aliran cairan.

Keunggulan Reaksi Organokatalitik yang Ditingkatkan secara Sonokimia

Sonikasi semakin banyak digunakan dalam sintesis organik dan katalisis karena efek sonokimia menunjukkan intensifikasi reaksi kimia yang substansial. Terutama jika dibandingkan dengan metode tradisional (misalnya pemanasan, pengadukan), sonokimia lebih efisien, praktis, dan dapat dikendalikan secara presisi. Sonikasi dan sonokimia menawarkan beberapa keunggulan utama, seperti rendemen yang lebih tinggi, peningkatan kemurnian senyawa dan selektivitas, waktu reaksi yang lebih singkat, biaya yang lebih rendah, serta kemudahan pengoperasian dan pelaksanaan prosedur sonokimia. Faktor-faktor yang menguntungkan ini menjadikan reaksi kimia berbantuan ultrasonik tidak hanya lebih efektif dan lebih aman, tetapi juga lebih ramah lingkungan.
Banyak reaksi organik telah terbukti memberikan rendemen yang lebih tinggi dalam waktu reaksi yang lebih singkat dan / atau dalam kondisi yang lebih ringan ketika dilakukan menggunakan sonikasi.

Ultrasonikasi Memungkinkan Reaksi Satu Wadah yang Sederhana

Sonikasi memungkinkan inisiasi reaksi multikomponen sebagai reaksi satu wadah yang menghasilkan sintesis senyawa dengan struktur yang beragam. Reaksi satu wadah seperti ini dihargai karena efisiensi keseluruhannya yang tinggi dan kesederhanaannya, sebab isolasi dan pemurnian zat antara tidak diperlukan.

Efek gelombang ultrasonik pada reaksi organokatalitik asimetris telah berhasil diterapkan pada berbagai jenis reaksi, termasuk katalisis transfer fase, reaksi Heck, hidrogenasi, reaksi Mannich, reaksi Barbier dan reaksi sejenis Barbier, reaksi Diels-Alder, reaksi penggandengan Suzuki, dan adisi Michael.

Temukan Sonikator Ideal untuk Reaksi Organokatalitik Anda!

Hielscher Ultrasonics adalah mitra tepercaya Anda untuk peralatan ultrasonik berkinerja tinggi dan berkualitas tinggi. Hielscher merancang, memproduksi, dan mendistribusikan probe ultrasonik, reaktor, dan cup-horn berteknologi mutakhir untuk aplikasi sonokimia. Semua peralatan diproduksi dengan prosedur bersertifikasi ISO dan presisi Jerman untuk menghasilkan kualitas unggul di kantor pusat kami di Teltow (dekat Berlin), Jerman.
Portofolio sonikator Hielscher mencakup sonikator laboratorium ringkas hingga reaktor ultrasonik untuk penggunaan industri sepenuhnya dalam produksi bahan kimia skala besar. Probe (juga dikenal sebagai sonotrode, horn ultrasonik, atau ujung probe), horn penguat, dan reaktor tersedia dalam berbagai ukuran dan geometri. Versi khusus juga dapat diproduksi sesuai kebutuhan Anda.
Karena prosesor ultrasonik Hielscher Ultrasonics tersedia dalam segala ukuran, mulai dari perangkat laboratorium kecil hingga prosesor industri besar untuk aplikasi kimia batch dan alir, sonikasi berkinerja tinggi dapat dengan mudah diterapkan pada konfigurasi reaksi apa pun. Penyesuaian amplitudo ultrasonik secara presisi – parameter terpenting untuk aplikasi sonokimia – memungkinkan sonikator Hielscher dioperasikan pada amplitudo rendah hingga sangat tinggi dan amplitudonya disetel secara tepat sesuai kondisi proses ultrasonik yang diperlukan oleh sistem reaksi kimia tertentu.
Generator ultrasonik Hielscher dilengkapi perangkat lunak cerdas dengan pencatatan data otomatis. Semua parameter pemrosesan penting, seperti energi ultrasonik, suhu, tekanan, dan waktu, disimpan secara otomatis pada kartu SD bawaan segera setelah perangkat dinyalakan.
Pemantauan proses dan pencatatan data penting untuk standardisasi proses yang berkesinambungan dan kualitas produk. Dengan mengakses data proses yang dicatat secara otomatis, Anda dapat meninjau pelaksanaan sonikasi sebelumnya dan mengevaluasi hasilnya.
Fitur lain yang memudahkan pengguna adalah kendali jarak jauh melalui peramban pada sistem ultrasonik digital kami. Melalui kendali jarak jauh berbasis peramban, Anda dapat memulai, menghentikan, menyesuaikan, dan memantau prosesor ultrasonik Anda dari jarak jauh, dari mana saja.
Hubungi kami sekarang untuk mengetahui lebih lanjut tentang bagaimana homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi kami dapat meningkatkan reaksi sintesis organokatalitik Anda!

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: